6章-SMT焊接技术3

表面组装工艺技术再流焊工艺reflowsoldering预先在PCB焊接部位（焊盘）放置适量和适当形式的焊料（焊膏等），然后在该位置贴放SMD/SMC，经固化后，再利用外部热源使焊料再次流动，达到焊接目的的一种成组或逐点焊接的工艺。可以通过不同的加热方式使焊料再流（回流），能够满足各类表面组装器件的焊接要求。所谓“再流焊”（或“回流焊”）工艺是指：再流焊技术的特点•1、元器件受到的热冲击小，但有时会给器件较大的热应力。•2、仅在需要部位施放焊膏，能控制焊膏施放量，能避免桥接等缺陷的产生。•3、熔融焊料的表面张力能够校正元器件的贴放位置的微小偏差，能自动校正偏离。•4、可以采用局部加热热源，从而在同一基板上，采用不同焊接工艺进行焊接。•5、焊料中一般不会混入不纯物。使用焊膏时，能正确的保持焊料的组成。焊料的供给方式•1、焊膏法，即采用焊膏涂敷工艺。•2、预敷焊料法：•在SMD和PCB上都敷上焊料，常用电镀-熔融法，可在引脚SMD或PCB上预敷焊料。•3、预成形焊料：•预先将焊料制成所需的各种形状。常用于半导体芯片键合和部分扁平封装器件。再流焊加热方法•热量传递方式：热传导、热辐射、热对流整体加热和局部加热再流焊技术类型与主要特点第一代：热板式再流焊炉它是利用热板的传导热来加热的再流焊，是最早应用的再流焊方法。第一代：热板式再流焊炉•优点：设备结构简单，价格便宜，初始投资和操作费用低；可以采用惰性气体保护；能迅速改变温度和温度曲线；传到元器件上的热量相当小；焊接过程中易于目测检查；产量适中。•缺点：热板表面温度限制在300℃；只适用于单面组装，不能用于双面组装，也不能用于底面不平的PCB或由易翘曲材料制成的PCB组装；温度分布不均匀。再流焊技术类型与主要特点第二代：红外再流焊炉•一般采用隧道加热炉，热源以红外线辐射为主，适用于流水线大批量生产。•红外线有远红外线和近红外线两种，前者多用于预热，后者多用于再流加热。再流焊技术类型与主要特点第二代：红外再流焊炉•优点：能使焊膏中的助焊剂以及有机酸、卤化物迅速活化，焊剂的性能和作用得到充分的发挥，从而使得焊膏润湿能力提高；红外加热的辐射波长与PCB和元器件的吸收波长相近，因此基板升温快，温差小；温度曲线控制方便，弹性好；加热效率高，成本低。•缺点：元器件的形状和表面颜色的不同，对红外线的吸收系数也不同，会产生“阴影效应”，使得被焊件受热不均匀。再流焊技术类型与主要特点第三代：红外+热风再流焊炉•热风对流传热的原理：•热能依靠媒介的运动而发生传递，在红外热风再流焊炉中，媒介是空气或氮气，对流传热的快慢取决于热风的的速度。•通常风速控制在1.0~1.8m/s的范围之内。•热风传热能起到热的均衡作用。•在红外热风再流焊炉中，热量的传递是以辐射导热为主。再流焊技术类型与主要特点第三代：红外+热风再流焊炉•优点：焊接“温度-时间”曲线的可调性大大增强，缩小了设定的温度曲线与实际控制温度之间的差异，使再流焊能有效地按设定的温度曲线进行；温度均匀稳定，克服吸热差异及“阴影效应”等不良影响。•是SMT大批量生产中的主要焊接方式。再流焊技术类型与主要特点再流焊技术类型与主要特点其他：气相加热再流焊•原理：利用氟氯烷溶剂饱和蒸气的气化潜热进行加热的再流焊技术。•待焊接PCB放置在充满饱和蒸气的炉腔内，蒸气在与SMD接触时，冷凝，并放出热量，熔融焊膏。再流焊技术类型与主要特点其他：气相加热再流焊•优点：整体加热，热传导均匀，加热时间短，热应力小等（P.147）•缺点：•氟溶剂价格昂贵，生产成本高，有毒，对环境有破坏作用。再流焊技术类型与主要特点其他：激光加热再流焊•原理：通过光学系统将激光束聚集在很小的区域内，在很短的时间内，使被焊处形成局部高温，熔融焊料，实现再流焊。•常用：CO2和YAG（钇铝石榴石）激光器•光斑直径：0.3~0.5mm再流焊技术类型与主要特点其他：激光加热再流焊•优点：局部加热，对其他部分影响极小；焊点成形快，不易产生金属间化合物；易于实现自动化控制。（P.147）•缺点：•初始投资大，维护成本高；•大规模批量生产时效率较低。理想的再流焊温度曲线•焊接时PCB板面温度要高于焊料熔化温度约30~40℃。•温度不正确会导致元件焊接质量差，甚至会损毁元件。•在新产品的生产过程中，应反复调整炉温，最终得到一条满意的焊接温度曲线。升温区•通常指由室温升到150℃左右的区域。•在这个区域里，SMA平稳升温，焊膏中的部分溶剂开始挥发，元器件特别是IC器件缓缓升温，以适应以后的高温。•升温过快，会导致元器件开裂、PCB变形、IC芯片损坏，同时焊膏中溶剂挥发太快，导致锡珠产生。•通常升温速率控制在2℃/s以下为最佳。保温区•在保温区，温度通常维持在150℃±10℃的区域。•此时焊膏处于熔化前夕，焊膏中的挥发物进一步被除去，活化剂开始激活，并有效地去除焊接表面的氧化物。•SMA表面温度受热风影响，不同大小、不同质地的元器件温度能保持均匀，板面温差达到最小值。•保温区曲线形态是评估再流焊炉工艺性的一个窗口。•保温时间一般为60~90s。焊接区•SMA进入焊接区后迅速升温，并超出焊膏熔点约30~40℃，即板面温度瞬时达到215~225℃（峰值温度），处在峰值温度的时间为5~10s。•在焊接区，焊膏很快融化，并迅速润湿焊盘。随着温度进一步升高，焊料表面张力降低，会爬至元器件引脚的一定高度，并形成一个“弯月面”。•在焊接区，焊膏溶化后产生的表面张力能适度的校准由贴片过程中产生的元器件引脚偏移；同时也会由于焊盘设计不正确引起多种焊接缺陷，如立碑、桥连等。冷却区•SMA运行到冷却区后，焊点迅速降温，焊料凝固。•焊点迅速冷却可使焊料晶格细化，提高结合强度，使焊点光亮，表面连续，呈“弯月面”。•风冷和水冷。•理想的冷却曲线与焊接区升温曲线呈镜面对称分布。温度曲线的设定•测试工具在开始测定温度曲线之前，需要有专用温度测试仪、相配合的热电偶、高温焊锡丝、高温胶带以及待测的SMA。•热电偶的位置与固定原则：在热容量大的元件焊盘处一定要放置热电偶，此外对热敏感元件的外壳和PCB上的空档处也应放置热电偶，以观察板面温度分布状况。通常根据SMA大小和复杂程度设3个或者更多的电偶，电偶数越多，对板面温度分布的了解越全面。温度曲线的设定•炉子的结构有几个温区，有几块发热体，是否独立控温，热电偶放置在何处，热风的形成与特点，风速是否可以调节，每个加热区的长度以及加热温区的总长度。•炉子的带速设定温度曲线第一个考虑的参数就是传送带的速度设定。应首先测量炉子的加热区总长度，再根据所加工的SMA尺寸大小、元器件数量以及元器件大小或热容量的大小，来决定SMA在各温区的运行时间。•各温区温度的设定再流焊工艺要求①要设置合理的再流焊温度曲线并定期做温度曲线的实时测试。②要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。③焊接过程中严防传送带震动。④必须对首块印制板的焊接效果进行检查。检查焊接是否充分、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况，还要检查PCB表面颜色变化等情况。并根据检查结果调整温度曲线。在整批生产过程中要定时检查焊接质量。气相再流焊•VPS（VaporPhaseSoidering）•气相再流焊技术又称为凝聚焊接技术，是1973年Western电气公司开发的，起初主要用于厚膜集成电路的焊接，之后由于VPS具有升温速度快、温度均匀恒定的优点，被广泛用于一些高难度电子产品的焊接中。•气相再流焊技使用氟惰性液体作为热转换介质，加热这种介质，利用它沸腾后产生的饱和蒸汽的气化潜热进行加热。（P.148）气相再流焊冷却蒸气减少氟损失充满氟蒸气形成了无氧区放热后，回流到底部再加热接触到SMA表面就放热气相再流焊特点•1.气化潜热的转移对SMA的物理结构和几何形状不敏感，可使组件均匀的加热到焊接温度；•2.VPS加热均匀、热冲击小，能防止产生内应力。加热不受SMA结构影响，复杂和微小部分也能焊接，焊料的“桥接”被控制到最小程度；•3.焊接温度保持一定（即氟液体的沸点），不会发生过热。选用低沸点氟，可焊接热敏元件；•4.在无氧的环境中进行焊接，不易氧化，焊接可靠性高；•5.热转换效率高。热转换介质气相再流焊的关键是选择合适的热转换介质，所选用的热转换介质必须满足汽相焊接的工艺条件。•必须是具有一定沸点的液体，并且沸点应高于焊料的熔化温度，但又不能过高。•必须具有热和化学上的稳定性，可以和SMA上所有材料相容，不发生化学作用。•不会在SMA上留下导电和腐蚀性的残留物。•密度比空气大，以便很容易的将它限制在该系统内。•不易燃，低毒性，制备成本低。•能满足上述特征的合适液体是全氟化液体，又叫氟惰性液体。•全氟化液体属于完全氟化的有机化合物族。可以从普通有机化合物中，用氟原子置换全部碳所结合的氢原子而生成稳定的全氟化液体。•分子结构无极性，并具有低的溶解能力。•种类繁多，沸点范围从-47℃~320℃。热转换介质气相再流焊中需注意的问题•预热（1）防止焊料球形成。预热使焊膏中的可挥发成分缓慢气化，并逸出，从而减少了焊膏“爆裂”的风险。（2）减少焊接高温对器件的热冲击，防止塑封器件受热冲击的损坏。（3）防止“曼哈顿”现象发生。•影响液体消耗的因素：控制氟惰性液体的消耗是一个非常重要的问题，这不但能降低运行成本，还有利于安全操作。（1）开口部的处理（2）通道是否倾斜（3）液体种类不同，稳定性不同，损耗量也就不同（4）传送机构不同，液体损耗量也不同气相再流焊中需注意的问题•工艺参数的控制严格控制工艺参数是确保SMA焊接可靠性的关键，控制VPS工艺参数时需要考虑：（1）加热槽内液体面必须高于浸没式加热器（2）严格控制冷却蛇形管的温度（3）应连续监控蒸气温度和液体沸点（4）SMA在主蒸气区的停留时间取决于SMA的质量。气相再流焊中需注意的问题•液体的处理不论采用哪种VPS设备，必须对液体进行定期或连续处理，以确保去掉液体的分解物。•设备的维修（1）取出电浸没式加热器，擦去上面沉积的焊剂沉积物。（2）根据使用频率定期或连续过滤液体。（3）擦净冷凝蛇形管，使蒸汽凝聚均匀和安全，减少蒸汽损失。气相再流焊中需注意的问题•芯吸现象（又称抽芯现象）：多见于气相再流焊，是焊料脱离焊盘沿引脚，上行到引脚与芯片本体之间而形成的严重虚焊现象。气相再流焊中需注意的问题•产生原因：金属引脚升温过于迅速，以至焊料优先润湿引脚。•焊料和引脚之间的浸润力远大于焊料与焊盘之间的浸润力；引脚的上翘会更加加剧芯吸现象的发生。气相再流焊中需注意的问题•解决办法：应将SMA充分预热后再放入气相炉中；PCB焊盘的可焊性应认真检查和保证，可焊性不好的PCB不应用于生产；元件的共面性不可忽视，对共面性不良的器件不应用于生产。•曼哈顿现象气相再流焊中需注意的问题（或者立碑、吊桥、墓碑等）•产生原因：SMD元件左右两侧电极上焊料熔融时间不同，导致元件两边的润湿力不平衡和VPS液体浮力的作用。气相再流焊中需注意的问题元件两端的力矩不平衡1.焊盘设计与布局不合理•元件两边焊盘之一与地相连接，或有一侧焊盘面积过大，则会因热容量不均匀而引起润湿力的不平衡。•PCB表面各处的温度差过大以致元件焊盘吸热不均匀。•大型器件（QFP、BGA、散热器）周围的小型片式元件也同样出现温度不均匀。•解决办法：改善焊盘的设计与布局。导致元件两边润湿力不平衡的情形：2.焊膏与焊膏印刷•焊膏的活性低，或元件引脚的可焊性差，则焊膏熔融后，表面张力不一样。•两焊盘的焊膏印刷量不均匀，多的一边会因焊膏吸热量增多，熔化时间滞后。•解决办法：选用活性较高的焊膏，改善焊膏印刷参数，特别是模板的窗口尺寸。导致元件两边润湿力不平衡的情形：3.贴片•Z轴方向受力不均匀，会导致元件浸入到焊膏中的深度不均匀，熔化时会因时间差而导致两边的润湿力不均匀。•元件贴片移位会直接导致立碑。导致元件两边润湿力不平衡的情形：•解决办法：调节贴片机参数。红外再流焊技术•原理：辐射到物体上的红外线，有部分被物体吸收，并产生热效应。•与传导和对流传热的