回流焊温度曲线-RSS&RTS

回流焊的回流焊接温度曲线许多旧式的炉倾向于以不同速率来加热一个装配上的不同零件，取决于回流焊接的零件和线路板层的颜色和质地。一个装配上的某些区域可以达到比其它区域高得多的温度，这个温度变化叫做装配的DT。如果DT大，装配的有些区域可能吸收过多热量，而另一些区域则热量不够。这可能引起许多焊接缺陷，包括焊锡球、不熔湿、损坏元件、空洞和烧焦的残留物。大多数新式的回流焊接炉，叫做强制对流式，将热空气吹到装配板上或周围。这种炉的一个优点是可以对装配板逐渐地和一致地提供热量，不管零件的颜色和质地。虽然，由于不同的厚度和元件密度，热量的吸收可能不同，但强制对流式炉逐渐地供热，其DT没有太大的差别。另外，这种炉可以严格地控制给定温度曲线的最高温度和温度速率，其提供了更好的区到区的稳定性，和一个更受控的回流过程。为什么和什么时候保温保温区的唯一目的是减少或消除大的DT。保温应该在装配达到焊锡回流温度之前，把装配上所有零件的温度达到均衡，使得所有的零件同时回流。由于保温区是没有必要的，因此温度曲线可以改成线性的升温-到-回流(RTS)的回流温度曲线。应该注意到，保温区一般是不需要用来激化锡膏中的助焊剂化学成分。这是工业中的一个普遍的错误概念，应予纠正。当使用线性的RTS温度曲线时，大多数锡膏的化学成分都显示充分的湿润活性。事实上，使用RTS温度曲线一般都会改善湿润。升温-保温-回流(RSS)温度曲线可用于RMA或免洗化学成分，但一般不推荐用于水溶化学成分，因为RSS保温区可能过早地破坏锡膏活性剂，造成不充分的湿润。使用RSS温度曲线的唯一目的是消除或减少DT。如图一所示，RSS温度曲线开始以一个陡坡温升，在90秒的目标时间内大约150°C，最大速率可达2~3°C。随后，在150~170°C之间，将装配板保温90秒钟；装配板在保温区结束时应该达到温度均衡。保温区之后，装配板进入回流区，在183°C以上回流时间为60(±15)秒钟。整个温度曲线应该从45°C到峰值温度215(±5)°C持续3.5~4分钟。冷却速率应控制在每秒4°C。一般，较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊接点。可是，超过每秒4°C会造成温度冲击。图一、典型的升温-保温-回流温度曲线升温-到-回流RTS温度曲线可用于任何化学成分或合金，为水溶锡膏和难于焊接的合金与零件所首选。如果装配上存在较大的DT，例如工序中使用了夹具或效率低的回流焊接炉，那么RTS可能不为适当的温度曲线选择。RTS温度曲线比RSS有几个优点。RTS一般得到更光亮的焊点，可焊性问题很少，因为在RTS温度曲线下回流的锡膏在预热阶段保持住其助焊剂载体。这也将更好地提高湿润性，因此，RTS应该用于难于湿润的合金和零件。因为RTS曲线的升温速率是如此受控的，所以很少机会造成焊接缺陷或温度冲击。另外，RTS曲线更经济，因为减少了炉前半部分的加热能量。此外，排除RTS的故障相对比较简单，有排除RSS曲线故障经验的操作员应该没有困难来调节RTS曲线，以达到优化的温度曲线效果。图二、典型的升温-到-回流温度曲线，从室温到峰值温度线性上升设定RTS温度曲线如图二所示，RTS曲线简单地说就是一条从室温到回流峰值温度的温度渐升曲线，RTS曲线温升区其作用是装配的预热区，这里助焊剂被激化，挥发物被挥发，装配准备回流，并防止温度冲击。RTS曲线典型的升温速率为每秒0.6~1.8°C。升温的最初90秒钟应该尽可能保持线性。曲线的升温基本原则是，曲线的三分之二在150°C以下。在这个温度后，大多数锡膏内的活性系统开始很快失效。因此，保持曲线的前段冷一些将活性剂保持时间长一些，其结果是良好的湿润和光亮的焊接点。RTS曲线回流区是装配达到焊锡回流温度的阶段。在达到150°C之后，峰值温度应尽快地达到，峰值温度应控制在215(±5)°C，液化居留时间为60(±15)秒钟。液化之上的这个时间将减少助焊剂受夹和空洞，增加拉伸强度。和RSS一样，RTS曲线长度也应该是从室温到峰值温度最大3.5~4分钟，冷却速率控制在每秒4°C。某些机板镀层可能会增加曲线峰值温度，如果焊接“金盖镍”镀层的焊盘，峰值温度至少应达到220°C；这样可以防止回流后温度可靠性问题，因为锡和金在217°C形成第二种共晶合金。如果焊接有机表面防护剂涂层(OSP)的焊盘，可能要求达到225°C的峰值温度，以完全渗透涂层。使用哪一种温度曲线都有必要调节峰值温度。排除RTS曲线的故障排除RSS和RTS曲线的故障，原则是相同的：按需要，调节温度和曲线温度的时间，以达到优化的结果。时常，这要求试验和出错，略增加或减少温度，观察结果。以下是使用RTS曲线遇见的普遍回流问题，以及解决办法。焊锡球许多细小的焊锡球镶陷在回流后助焊剂残留的周边上。在RTS曲线上，这个通常是升温速率太慢的结果，由于助焊剂载体在回流之前烧完，发生金属氧化。这个问题一般可通过曲线温升速率略微提高达到解决。焊锡球也可能是温升速率太快的结果，但是，这对RTS曲线不大可能，因为其相对较慢、较平稳的温升。焊锡珠经常与焊锡球混淆，焊锡珠是一颗或一些大的焊锡球，通常落在片状电容和电阻周围(图三)。虽然这常常是丝印时锡膏过量堆积的结果，但有时可以调节温度曲线解决。和焊锡球一样，在RTS曲线上产生的焊锡珠通常是升温速率太慢的结果。这种情况下，慢的升温速率引起毛细管作用，将未回流的锡膏从焊锡堆积处吸到元件下面。回流期间，这些锡膏形成锡珠，由于焊锡表面张力将元件拉向机板，而被挤出到元件边。和焊锡球一样，焊锡珠的解决办法也是提高升温速率，直到问题解决。图三、可看到电容旁边的焊锡珠熔湿性差熔湿性差(图四)经常是时间与温度比率的结果。锡膏内的活性剂由有机酸组成，随时间和温度而退化。如果曲线太长，焊接点的熔湿可能受损害。因为使用RTS曲线，锡膏活性剂通常维持时间较长，因此熔湿性差比RSS较不易发生。如果RTS还出现熔湿性差，应采取步骤以保证曲线的前面三分之二发生在150°C之下。这将延长锡膏活性剂的寿命，结果改善熔湿性。图四、熔湿性差可能是由时间和温度比所引起焊锡不足焊锡不足通常是不均匀加热或过快加热的结果，使得元件引脚太热，焊锡吸上引脚。回流后引脚看到去锡变厚，焊盘上将出现少锡。减低加热速率或保证装配的均匀受热将有助于防止该缺陷。墓碑墓碑通常是不相等的熔湿力的结果，使得回流后元件在一端上站起来(图五)。一般，加热越慢，板越平稳，越少发生。降低装配通过183°C的温升速率将有助于校正这个缺陷。图五、不平衡的熔湿力使元件立起来空洞空洞是锡点的X光或截面检查通常所发现的缺陷。空洞是锡点内的微小“气泡”(图六)，可能是被夹住的空气或助焊剂。空洞一般由三个曲线错误所引起：不够峰值温度；回流焊接时间不够；升温阶段温度过高。由于RTS曲线升温速率是严密控制的，空洞通常是第一或第二个错误的结果，造成没挥发的助焊剂被夹住在锡点内。这种情况下，为了避免空洞的产生，应在空洞发生的点测量温度曲线，适当调整直到问题解决。图六、空洞是由于空气或助焊剂被夹住而形成无光泽、颗粒状焊点一个相对普遍的回流焊缺陷是无光泽、颗粒状焊点(图七)。这个缺陷可能只是美观上的，但也可能是不牢固焊点的征兆。在RTS曲线内改正这个缺陷，应该将回流前两个区的温度减少5°C；峰值温度提高5°C。如果这样还不行，那么，应继续这样调节温度直到达到希望的结果。这些调节将延长锡膏活性剂寿命，减少锡膏的氧化暴露，改善熔湿能力。图七、无光泽和颗粒状焊点可能是脆弱的焊点烧焦的残留物烧焦的残留物，虽然不一定是功能缺陷，但可能在使用RTS温度曲线时遇见。为了纠正该缺陷，回流区的时间和温度要减少，通常5°C。结论RTS温度曲线不是适于每一个回流焊接问题的万灵药，也不能用于所有的炉或所有的装配。可是，采用RTS温度曲线可以减少能源成本、增加效率、减少焊接缺陷、改善熔湿性能和简化回流工序。这并不是说RSS温度曲线已变得过时，或者RTS曲线不能用于旧式的炉。无论如何，工程师应该知道还有更好的回流温度曲线可以利用。注：所有温度曲线都是使用Sn63/Pb37合金，183°C的共晶熔点。