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怎样设定锡膏回流温度曲线 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2003-08-15
“正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。”

在使用表面贴装元件的印刷电路板(PCB)装配中,要得到优质的焊点,一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数,当在笛卡尔平面作图时,回流过程中在任何给定的时间上,代表PCB上一个特定点上的温度形成一条曲线。

几个参数影响曲线的形状,其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。带速决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间,增加持续时间可以允许更多时间使电路装配接近该区的温度设定。每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。

每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度,高温在PCB与区的温度之间产生一个较大的温差。增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。因此,必须作出一个图形来决定PCB的温度曲线。接下来是这个步骤的轮廓,用以产生和优化图形。

在开始作曲线步骤之前,需要下列设备和辅助工具:温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的工具和锡膏参数表。可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱,这工具箱使得作曲线方便,因为它包含全部所需的附件(除了曲线仪本身)。

现在许多回流焊机器包括了一个板上测温仪,甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。测温仪一般分为两类:实时测温仪,即时传送温度/时间数据和作出图形;而另一种测温仪采样储存数据,然后上载到计算机。

热电偶必须长度足够,并可经受典型的炉膛温度。一般较小直径的热电偶,热质量小响应快,得到的结果精确。

有几种方法将热电偶附着于PCB,较好的方法是使用高温焊锡如银/锡合金,焊点尽量最小。

另一种可接受的方法,快速、容易和对大多数应用足够准确,少量的热化合物(也叫热导膏或热油脂)斑点覆盖住热电偶,再用高温胶带(如Kapton)粘住。

还有一种方法来附着热电偶,就是用高温胶,如氰基丙烯酸盐粘合剂,此方法通常没有其它方法可靠。

附着的位置也要选择,通常最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。


(图一、将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间)

锡膏特性参数表也是必要的,其包含的信息对温度曲线是至关重要的,如:所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。

开始之前,必须理想的温度曲线有个基本的认识。理论上理想的曲线由四个部分或区间组成,前面三个区加热、最后一个区冷却。炉的温区越多,越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流。


(图二、理论上理想的回流曲线由四个区组成,前面三个区加热、最后一个区冷却)

预热区,也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区,产品的温度以不超过每秒2~5°C速度连续上升,温度升得太快会引起某些缺陷,如陶瓷电容的细微裂纹,而温度上升太慢,锡膏会感温过度,没有足够的时间使PCB达到活性温度。炉的预热区一般占整个加热通道长度的25~33%。

活性区,有时叫做干燥或浸湿区,这个区一般占加热通道的33~50%,有两个功用,第一是,将PCB在相当稳定的温度下感温,允许不同质量的元件在温度上同质,减少它们的相当温差。第二个功能是,允许助焊剂活性化,挥发性的物质从锡膏中挥发。一般普遍的活性温度范围是120~150°C,如果活性区的温度设定太高,助焊剂没有足够的时间活性化,温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加,但是理想的曲线要求相当平稳的温度,这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线,选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子,将提高可焊接性能,使用者有一个较大的处理窗口。

回流区,有时叫做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点,而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是205~230°C,这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2~5°C,或达到回流峰值温度比推荐的高。这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损,并损害元件的完整性。

今天,最普遍使用的合金是Sn63/Pb37,这种比例的锡和铅使得该合金共晶。共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金,非共晶合金有一个熔化的范围,而不是熔点,有时叫做塑性装态。本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅,因为其使用广泛,该合金的熔点为183°C。

理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。越是靠近这种镜像关系,焊点达到固态的结构越紧密,得到焊接点的质量越高,结合完整性越好。

作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定,该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。典型的锡膏制造厂参数要求3~4分钟的加热曲线,用总的加热通道长度除以总的加热感温时间,即为准确的传输带速度,例如,当锡膏要求四分钟的加热时间,使用六英尺加热通道长度,计算为:6 英尺 ÷ 4 分钟 = 每分钟 1.5 英尺 = 每分钟 18 英寸。

接下来必须决定各个区的温度设定,重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。显示温度只是代表区内热敏电偶的温度,如果热电偶越靠近加热源,显示的温度将相对比区间温度较高,热电偶越靠近PCB的直接通道,显示的温度将越能反应区间温度。明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。表一列出的是用于典型PCB装配回流的区间温度设定。

表一、典型PCB回流区间温度设定

区间 区间温度设定 区间末实际板温
预热 210°C(410°F) 140°C(284°F)

活性 177°C(350°F) 150°C(302°F)

回流 250°C(482°C) 210°C(482°F)


速度和温度确定后,必须输入到炉的控制器。看看手册上其它需要调整的参数,这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。一旦所有参数输入后,启动机器,炉子稳定后(即,所有实际显示温度接近符合设定参数)可以开始作曲线。下一部将PCB放入传送带,触发测温仪开始记录数据。为了方便,有些测温仪包括触发功能,在一个相对低的温度自动启动测温仪,典型的这个温度比人体温度37°C(98.6°F)稍微高一点。例如,38°C(100°F)的自动触发器,允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作,不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。

一旦最初的温度曲线图产生,可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所示的曲线进行比较。

首先,必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时间相协调,如果太长,按比例地增加传送带速度,如果太短,则相反。

下一步,图形曲线的形状必须和所希望的相比较(图二),如果形状不协调,则同下面的图形(图三~六)进行比较。选择与实际图形形状最相协调的曲线。应该考虑从左道右(流程顺序)的偏差,例如,如果预热和回流区中存在差异,首先将预热区的差异调正确,一般最好每次调一个参数,在作进一步调整之前运行这个曲线设定。这是因为一个给定区的改变也将影响随后区的结果。我们也建议新手所作的调整幅度相当较小一点。一旦在特定的炉上取得经验,则会有较好的“感觉”来作多大幅度的调整。


图三、预热不足或过多的回流曲线


图四、活性区温度太高或太低


图五、回流太多或不够


图六、冷却过快或不够

当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合,应该把炉的参数记录或储存以备后用。虽然这个过程开始很慢和费力,但最终可以取得熟练和速度,结果得到高品质的PCB的高效率的生产。
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只看该作者 沙发  发表于: 2003-08-15
清洗技术 Cleaning
在“免洗”锡膏的时代,装配的准确清洗产生了一个新的标准。装配制造商必须问的问题决定于:清洁是否为PCB可靠性的要求?即,要求清洁步骤是否为了使最终产品在设计的环境内能够工作达到所要求的最短时间或周期数?

  在九十年代,印刷电路板(PCB)的装配是在新的标准上进行的。蒸汽去脂溶剂(vapor-degreasing solvent)由于环境法规而被逐渐淘汰。“免洗”工艺构造了一个所希望的技术手段;当考虑了清洗的时候,水溶性助焊剂通常是人们的选择;这样,清洁规格对空板和元件就不要求了,因为完成的装配都要通过正常清洗。

  清洗“终结”了吗?
  松香助焊剂是杰出的“密封剂”,它意味着当采用无离子活性剂配方的时候,留下的是非离子残留。忽略板上的残留对那些关注取消臭氧消耗化学品的人来说是个有吸引力的选择。基于这个理由,相当的时间、努力和投资贡献在免洗技术上。结果,许多低残留助焊剂的技术进步和设备技术被用来支持这个技术的改变。现在的问题变成,为什么清洁?

  实际上,有一个常见的错误概念就是再不需要装配的清洁了。但是免于那些反过来影响功能的有害污染,对可靠性的重要性与焊点连接强度的重要性是一样的。清洁甚至对免洗工艺的成功实施还起重要的作用。到料的元件以及装配环境的控制还必须满足清洁度标准,如果取消了焊后清洁。

  高可靠性的应用要求受控的、完善的焊后清洗工艺,它使用对清洗材料最佳的化学品。那些应用是不能将就免洗工艺要求的。而且,SMT的不断发展使得辅助的清洗成为必要。例如,更紧密的线和装配上的区域列阵、芯片规模与倒装芯片的包装都要求清洁其许许多多的I/O连接点。清洗对要求保形涂敷的装配的最佳性能是一项重要的步骤。

  设计PCB时记住清洗工艺
  当装配要求焊后清洗时,设计元件布局、焊接和清洁的时候要可能考虑一些权衡办法。对高密度的表面贴装装配,设计者应该提供清洁的余地。以下是一些值得考虑的设计选择:

元件的最佳方向
喷射元件下面的最小障碍
清洗化学剂的高能喷射器的使用
冲刷(液态颗粒小于元件与板层之间的空间)用的微细喷雾的使用
“阴影”的消除,即,较高的元件放置在离喷雾嘴最远的位置,最小的元件最近
元件贴放:无源片状元件(或圆柱形通孔类)的方向应该是使其长轴垂直于喷雾方向。双排和小引脚的集成电路(SOIC)元件是长边沿喷雾线放置。正方形扁平包装(QFP)四周都有连接或无引脚陶瓷芯片载体(LCCC)等元件的方向是其主边与喷雾方向成90°。
  总之,元件的贴装应该计划,使得可达到液体“最好”的疏散,例如,有清晰的带一定间隔的行路,给液体排出板面,保证当有BGA或CSP出现时清洗不受影响。设计者头脑中应该有产品的外形,功能,及如何制造。特别是,装配过程的每一步怎样影响其它步骤。在设计阶段认识到这些要求并将其集中完全优化的装配制造商掌握了成功的钥匙。

  装配前元件
  污染残留物可以通过最初出现在装配前元件和材料上而带入最后装配。如果不在装配前从元件和板上去掉,则不能保证在后面可以去掉—特别是如果采用免洗技术。如果出现在高密度连接结构内,那情况可能更紧急,因为细小的空隙很容易藏纳污垢。低残留、免洗焊接工艺的如何成功都直接依靠进来的光板与所有元件的清洁度。

  元件上经常发现颗粒状、油状或片状的非极性残留物,而来自元件装配时不完整清洗的极性残留物,可能是上锡和助焊剂的残留物。装配前的元件来源必须保持一个清洁的标准。

  装配中遇到的污染
  污染对装配过程来说不是外来的。对电镀通孔和表面贴装元件的日益增长的关注是那些通常遇到的越来越紧的间隙。离板高度和引脚间距已稳步缩小,线间间距也是一样。另外,甚至采用现代制造工艺,也造成越来越顽固的残留物。

  残留物由离子(极性)、非离子(非极性)和微细的污物组成。离子残留物由助焊剂活性剂、残留电镀盐和操作污物组成;非离子残留物包括助焊剂、油、脂、熔化液体和游离材料中的已反应的、非挥发性的残留物。微小的残留物由锡球或锡渣、操作污物、钻孔或走线灰尘和空气中的物体组成。

  极性残留物当溶于水中时形成离子。例如,当指纹藏纳的盐溶于水中,氯化钠分子游离成正的纳离子和负的氯离子。在离子状态,NaCl增加水的导电性,可能引起电路中信号改变,开始电迁移,产生腐蚀。典型的极性残留物来自电镀和蚀刻材料,板或元件制造过程的化学物质,水溶性锡助焊剂成分,来自松香或合成催化焊锡助焊剂的活性剂,助焊剂反应产品,水溶性阻焊材料成分和来自手工处理的沉淀物。

  非极性残留物由那些当溶于水时不形成离子的污染物质组成。它们可能是喜水的或不喜水的(通常喜油)。吸湿的材料可能促使表面水膜的形成,从而造成表面电阻的降低。同样,在适当条件下,可能发生电迁移。不溶于水的非离子残留物,由松香、合成树脂、来自低残留/免洗助焊剂配方的有机化合物、来自锡线助焊剂的增塑剂、化学反应产品、油和脂、指纹油、元件上的释放剂、不可溶的无机化学成分和锡膏的流变添加剂。

  微细残留物典型地要求机械能量将其去掉。常见的微细残留物是来自灰尘中的硅酸材料、水解或氧化的松香、某些助焊剂反应产品(一些白色残留物)、硅质脂/油、来自板层的玻璃纤维、阻焊材料的硅土和粘土填充剂、以及锡球和锡渣。

  最后,如果装配制造商选择免洗工艺,那么必须做到进来的元件满足所要求的清洁标准,板的处理用手套或手指套来完成,控制焊接过程以保证污染在最低水平。如果制定氮气作焊接过程的惰性处理,那必须实行更严格的过程控制。真正的免洗工艺的成本可能和焊后轻洗的差不多,因为新的固定设备的投入,加上氮气的消耗。随后的运作,如线的绑接、芯片附着、检查、焊接、返工/修理、测试、即时处理、储存和最后装配,都是包括在焊接运作之内完成的。如果装配不尊照适当的处理技术,可靠产品所要求的清洁度水平可能会打折扣。

  波峰焊接/回流焊接之后的清洗
  助焊剂技术很大程度上决定所要求的清洁剂。水溶性助焊剂的清除一般要求有添加剂的水、高压机械能量和温度。松香助焊剂的清除要求或者是溶剂,半含水的或者是含水的清洁剂。由于市场上配方技术范围之广,低残留/免洗助焊剂的清除取决于需要清洗的产品。合成助焊剂的清除一般要求溶剂或半含水工艺。许多清洗技术都适合于清除该种残留物。

  焊接过程的温度曲线必须是专门的、受控的并存档,特别是产品的组合是变化的。例如,元件密度高的多层板相对于很少元件的PCB要求特别的温度曲线。由于这些原因,锡膏的制造商提供在选择回流曲线时需要遵循的工艺指示。助焊剂残留清除之前,多次的焊接过程可能引起聚合作用。这些残留更加难于清理,因为聚合作用形成高分子重量的物质,使污染物更难于溶解于清洗剂中。

  低固体或低松香/人造松香的助焊剂一般留下较低的焊后残留物集中。各种这类的助焊剂都可买得到。可是,因为残留物的清除能力可能随最终产品的不同而变化,装配制造商必须选择与残留物兼容的清洁剂。焊接其间过热或过久的加热可能产生很难清除的残留物。

  焊后清洁剂与设备
  半含水的清洗剂适合于许多使污物“成溶剂化物”的材料,随后通过水的冲刷清除污物。溶剂一般具有低蒸发压力、闪点超过150°F、低挥发性、与许多助焊剂残留有亲和力、浸洗寿命长、不消耗臭氧。这个类别下供应的产品包括水溶性和非水溶性的有机溶剂。水是它的冲刷剂。

  水溶性半含水溶剂由重酒精、乙二醇以太(glycol ehters)和环形胺(cyclic amines)组成。其优点之一是易于清除:夹带一般不是问题。缺点包括当希望采用封闭循环时,冲刷水处理的复杂性。

  非水溶半含水溶剂由松节油(terpene)、碳水混合物、二元酯(dibasic esters)和乙二醇以太(glycol ether)组成。它们要求第一阶段冲刷的机械冲击,以保证充分的清除。这里夹带可能是一个问题。可是一个明显的优点是当要求零排放的封闭循环时,将清洁液体与冲刷流的分隔能力。用于半含水清洁过程的设备一般由浸泡下的喷雾、离心和超声波搅动。

  总之,溶剂去除松香、低固体和合成激化助焊剂残留的效果很好。并且,由于浸洗寿命长、损失最少和高污物装载能力,其经济性一般为人们所接受。

  对于极性离子材料,水是比有机溶剂更好的溶剂。相反,水对清除诸如脂、油和松香之类的非极性材料的效果较差。水,单独或有少量添加剂,是清除焊接后水溶性有机酸(极性溶剂)锡膏助焊剂的很好的溶剂。当清除极性与非极性污物,如松香/合成松香、轻油和合成残留物时,需要添加剂。

  含水清洗化学品也提供一个范围的配方选择。可是,如前所述,只有在适当的过程条件下,水才适合于清除许多有机酸(OA)助焊剂残留物。有些有机酸残留物要求添加剂,和水一起,以低浓度,帮助湿润、去泡和置换盐。基于含水的皂化剂可清除极性与非极性的污物,如松香助焊剂。基于无机的皂化剂已经得到进化,提供了在空气喷射受到控制的区域,清除松香助焊剂的选择。后来,有机溶剂混合物和水一起提供对某些较顽固的低残留与合成基助焊剂的高效清除剂。

  设备市场提供了对不同含水清洗技术的一系列的应用,包括使用超声波、离心力、刷子、浸泡和空气中喷雾。设备设计特性的广泛选择可接纳对性能、成本、占地空间、浪费管理、以及安全与健康问题的许多不同要求。

  溶剂清洗使用溶剂媒介而不是水,来清洗和冲刷元件和装配。干燥是通过对蒸发区(烧开溶剂)产生的残留液体的蒸发来完成的。

  装配污物由离子(助焊剂活性剂,盐)和非离子(松香/合成松香、油、粒子)污物组成。大多数溶剂是非极性的,优于清除非极性污物,但是清除极性离子污物差。因此,双极性溶剂化合物已经开发出来,可清除极性和非极性两种污物。非极性元素通常是卤化溶剂(halogenated solvent),或是氯化物(chlorinated)、溴化物(brominated)、氟氯化物(chlorofluorinated)或氢氯化物(hydrochlorinated)。极性元素溶剂典型的是酒精,如甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、正丙醇(normal propanol)或异丙醇(iso-propanol)。许多这类混合物具有共同的特性(叫做共沸点混合物),这允许它们的特性象单一的物质一样 — 液体部分蒸发产生的蒸汽具有与液体相同的化学成分。

  溶剂的每一类型都有其优点和缺点,选择将决定于需要清除的污染物的类型和需要清洁的装配材料化学成分。处理清洁剂的设备设计用来储存、接触工件、喷射和回收。表一显示装配制造商选择的流程图:含水的(aqueous)、半含水的(semiaqueous)和溶剂(solvent)清洁剂。

表一、三种清洗方法的媒剂选择
含水型 半含水型 溶剂型
1. Deionized water 去离子水 1. Nonlinear alcohol 非线性酒精 1. IPA (isopropyl alcohol) 异丙醇
2. Deionized water with non-reactive addives 去离子水加非反应添加剂 2. Branched linear alcohol 支线性酒精 2. IPA/Cyclohexane blend 异丙醇/环己胺混合物
3. Deionized water with organic saponification 去离子水加有机皂化剂 3. P series glycol ether P系列乙二醇以太 3. Hydrocarbon 碳氢化合物
4. Deionized water with inorganic saponification 去离子水加无机皂化剂 4. Cyclic amine 环形胺 4. HCFC**
5. Aqueous alcohol combined with mild reactivity 含水酒精结合温柔反应 5. Terpene* 松节油 5. HFE bipolar azeotrope** HFE 双极共沸混合物
6. Aqueous organic solvent emulsion 含水有机溶剂乳剂 6. Hydrocarbon/oxygenated solvent blends* 氢氧化物/氧化物溶剂混合 6. HFC bipolar azeotrope** HFC 双极共沸混合物
7. High-molecular-weight esters* 高分子重量酯 7. N-propyl bromide** N丙基溴化物
* Water-insoluble 非水溶性
** Nonflammable 不可燃
注: nPB(No. 7)的制造商报告这种材料在作ASTM闪点试验时没有闪点,可是,nPB具有与空气体积比例大约3~8%的可燃极限。

  结论
  现在的电子装配比以前提供更快、更好的运作,电路走线更窄,装配的元件更密集。还有,为了保证这些产品在意想的环境里按照设计的功能工作达到最小要求的时间或周期,清洗必定还要扮演一个重要的角色。
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只看该作者 藤椅  发表于: 2003-08-16
介于新手和高手之间的文章:cool: ^高興
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只看该作者 板凳  发表于: 2003-08-19
不錯!
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只看该作者 报纸  发表于: 2003-09-06
太棒了!受益匪浅!
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只看该作者 地板  发表于: 2004-08-17
谢谢!
比那些隐藏起内容需要积分才能看的家伙强多了,毕竟还有更多的新手需要扶持.
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只看该作者 地下室  发表于: 2004-09-09
高手过招,刺激!!!!!!!!!!!
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只看该作者 7楼 发表于: 2004-09-11
值得推荐,多有受易,谢了!
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只看该作者 8楼 发表于: 2004-09-11
^招呼^高興
好东西,支持