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SMT回流溫度曲線的一般技術要求及測試方法



 


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           回流溫度曲線在生產中地位: 回流溫度曲線的一般技術要求及主要形式:
        1.回流溫度曲線各環節的一般技術要求: 一般而言,回流溫度曲線可分為三個階段:預熱階段、回流階段、冷卻階段。
     ①預熱階段: 預熱是指為了使錫水活性化為目的和為了避免浸錫時進行急劇高溫加熱引起部品不具合為目的所進行的加熱行為。 •預熱溫度:依使用錫膏的種類及廠商推薦的條件設定。一般設定在80~160℃范圍內使其慢慢升溫(最佳曲線);而對于傳統曲線恒溫區在140~160℃間,注意溫度高則氧化速度會加快很多(在高溫區會線性增大,在150℃左右的預熱溫度下,氧化速度是常溫下的數倍,銅板溫度與氧化速度的關系見附圖)預熱溫度太低則助焊劑活性化不充分。 •預熱時間視PCB板上熱容量最大的部品、PCB面積、PCB厚度以及所用錫膏性能而定。一般在80~160℃預熱段內時間為60~120see,由此有效除去焊膏中易揮發的溶劑,減少對元件的熱沖擊,同時使助焊劑充分活化,并且使溫度差變得較小。 •預熱段溫度上升率:就加熱階段而言,溫度范圍在室溫與溶點溫度之間慢的上升率可望減少大部分的缺陷。對最佳曲線而言推薦以0.5~1℃/sec的慢上升率,對傳統曲線而言要求在3~4℃/sec以下進行升溫較好。
    ②回流階段: •回流曲線的峰值溫度通常是由焊錫的熔點溫度、組裝基板和元件的耐熱溫度決定的。一般最小峰值溫度大約在焊錫熔點以上30℃左右(對于目前Sn63 - pb焊錫,183℃熔融點,則最低峰值溫度約210℃左右)。峰值溫度過低就易產生冷接點及潤濕不夠,熔融不足而致生半田,一般最高溫度約235℃,過高則環氧樹脂基板和塑膠部分焦化和脫層易發生,再者超額的共界金屬化合物將形成,并導致脆的焊接點(焊接強度影響)。 •超過焊錫溶點以上的時間:由于共界金屬化合物形成率、焊錫內鹽基金屬的分解率等因素,其產生及濾出不僅與溫度成正比,且與超過焊錫溶點溫度以上的時間成正比,為減少共界金屬化合物的產生及濾出則超過熔點溫度以上的時間必須減少,一般設定在45~90秒之間,此時間限制需要使用一個快速溫升率,從熔點溫度快速上升到峰值溫度,同時考慮元件承受熱應力因素,上升率須介于2.5~3.5℃/see之間,且最大改變率不可超過4℃/sec。
    ③冷卻階段: 高于焊錫熔點溫度以上的慢冷卻率將導致過量共界金屬化合物產生,以及在焊接點處易發生大的晶粒結構,使焊接點強度變低,此現象一般發生在熔點溫度和低于熔點溫度一點的溫度范圍內。快速冷卻將導致元件和基板間太高的溫度梯度,產生熱膨脹的不匹配,導致焊接點與焊盤的分裂及基板的變形,一般情況下可容許的最大冷卻率是由元件對熱沖擊的容忍度決定的。綜合以上因素,冷卻區降溫速率一般在4℃/S左右,冷卻至75℃即可。
     2.目前應用較廣泛的兩種回流溫度曲線模式:
       ①升溫—保溫方式(傳統溫度曲線) •解說:由起始快速溫度上升至140~170℃范圍內某一預熱溫度并保持,TPHH—TPHL要根據回流爐能力而定(±10℃程度),然后溫度持平40~120S左右當作預熱區,然后再快速升溫至回流區,再迅速冷卻進入冷卻區(溫度變化速率要求在4℃/sec以下)。 •特點:因為一般都取較低的預熱溫度,因而對部品高溫影響小(給部品應力小)故可延長其加熱時間,以便達到助焊劑的活性化。同時因為從預熱區到回流區,其溫度上升較為激劇,易使焊接流變性惡化而致移位,且助焊劑活性化溫度也低。
       ②逐步升溫方式(最佳溫度曲線): •解說:以慢的上升率(0.5~1℃/sec)加熱直到大約175℃,然后在20~30S內梯度上升到180℃左右,再以2.5~3.5℃/sec快速上升到220℃左右,最后以不超過4℃/sec快速冷卻下降。其管理要點是保持一定的預熱溫度上升率,預熱的終點接近錫的熔點溫度。 •特點:部品不受激劇的溫度變化,助焊劑的活性化溫度可以設定較高,但助焊劑的活性化時間短,同時預熱溫度高而使部品受高溫影響。 
回流焊接是在SMT工業組裝基板上形成焊接點的主要方法,在SMT工藝中回流焊接是核心工藝。因為表面組裝PCB的設計,焊膏的印刷和元器件的貼裝等產生的缺陷,最終都將集中表現在焊接中,而表面組裝生產中所有工藝控制的目的都是為了獲得良好的焊接質量,如果沒有合理可行的回流焊接工藝,前面任何工藝控制都將失去意義。而回流焊接工藝的表現形式主要為回流溫度曲線,它是指PCB的表面組裝器件上測試點處溫度隨時間變化的曲線。因而回流溫度曲線是決定焊接缺陷的重要因素。因回流曲線不適當而影響的缺陷形式主要有:部品爆裂/破裂、翹件、錫粒、橋接、虛焊以及生半田、PCB脫層起泡等。因此適當設計回流溫度曲線可得到高的良品率及高的可靠度,對回流溫度曲線的合理控制,在生產制程中有著舉足輕重的作用。 

 

                   ③比較以上兩種回流溫度曲線模式,主要的不同是后者無高原結構(即恒溫加熱區)的溫度曲線部分。
         ④由于基板結構及其元件吸熱性的差異,以及設備可控制加熱率的限制,在穿過回流爐的基板不同點溫度仍然會存在差異,借由一個減少溫度梯度的高原形式的平衡區,在熱點溫度到焊錫溶點溫度以下時,保持此溫度一段時間,則冷點溫度將有力趕上它,在每個元件達到相同溫度之后,另一個快溫升程序將使元件上升到峰值溫度,這樣可有效避免局部生半田或局部高溫焦化的現象。
         ⑤另一方面,前者高原結構的獲得,則在室溫至恒溫預熱段以及恒溫段至焊錫熔融段必然會出現一個快速升溫的過程,而此快速升溫過程對因濺落而引起的焊錫球,在焊錫融點前部品兩側潤濕不平衡而引起翹件等不良又有密切關系,很多品質問題都希望在室溫到焊錫溶點之間采用線性上升加熱溫度曲線來預防消除。
    3.常見回流浸錫不良與溫度曲線關系(僅是基于回流工藝的考慮)
         ①錫橋接(短路)不良是焊錫熱融落造成的結果,只發生在熔點以下的焊膏階段。由于分子熱運動效應,固定成份和化學結構的材料的粘度隨溫度上升而下降,在較高溫下粘度的下降將產生較大的熱融落;另一方面,溫度的上升常使助焊劑脫出較多的溶劑并導致固態含量的增加而致使粘度上升。因為前者僅與溫度有關,后者即溶劑的總減少量是時間和溫度的函數,在任一已知的溫度下,低溫升率的錫膏粘度比高溫升率回流曲線下的錫膏粘度要高,因此我們在預熱階段的溫升率一般要求較低,從而減少短路不良的發生。
         ②錫粒的產生:在預熱階段,伴隨除去焊膏中易揮發溶劑的過程,焊膏內部會發生氣化現象,這時如果焊膏中金屬粉末之間的粘結力小于氣化產生的力,就會有少量焊膏從焊盤上流離開,有的則躲到Chip元件下面,回流時這部分焊膏也會熔化,而后從片狀阻容元件下擠出,形成焊錫珠。由其形成過程可見,預熱溫度越高,預熱速度越快,就會加大氣化現象中飛濺,就越易形成錫珠。同時溫度越高,焊錫的氧化會加速、焊錫粉表面的氧化膜會阻止焊錫粉之間很好地熔融為一體,會產生焊錫球。但這一現象采用適當的預熱溫度與預熱速度可有效控制。
         ③毛細管現象:是指溶融焊錫潤濕到元件引腳且遠離接點區,造成假焊,其原因是在焊錫熔融階段引腳的溫度高于PCB焊盤溫度。 改善辦法:使用較多的底面加熱(上、下加熱方式回流爐)或非常慢的溫升率(在預熱至焊錫溶點溫度附近),使焊錫潤濕發生前引腳與焊盤溫度達到平衡。      三、回流溫度曲線的測試 回流溫度曲線的測試,一般采用能隨打印PCB板一同進入爐膛內的溫度采集器(即溫度記憶裝置)進行測試,測量采用K型熱電偶(依測量溫度范圍及精度而采用不同材質制成各種類型熱電偶),偶絲直徑0.1~0.3mm為宜,測試后將記憶裝置數據輸入專用測試曲線數據處理機打印出PCB組件溫度曲線.
         1. 熱電偶的安培育 a. 感應溫度用的熱電偶,在使用和安裝過程中,應確保除測試點外,無短接現象發生,否則無法保證試精度,測試點盡可能小. b. 熱電偶在與記憶裝置或其它測試設備相連接時,其極性應與設備要求一致,熱電偶將溫度轉變為電動勢,所以連接時有方向要求.(目前我們使用的熱電偶絲帶紅色線條的線接正極)
         2. 測試點的選取 一般至少三點,能代表PCB組件上溫度變化的測試點(能反映PCB組件上高、中低溫部位的溫度變化); 一般情況下,最高溫度部位在PCB與傳送方向相垂直的無元件邊緣中心處,最低溫度在PCB 靠近中心部位的大型元件之半田端子處(PLCC.QFP等)如下圖示: 另外對耐熱性差部品表面要有測試點,以及客戶的特定要求.
         3. 測試點安裝:熱電偶與測試位置要可靠連接,否則會產生熱阻,另外與熱電偶接觸的材料以及固定熱電偶的材料應是最小的,因其絕熱或吸熱作用將直接影響熱電偶測量值的真實性,下表是常用的四種熱電偶連接方式: 表一 四種熱電偶加接方法比較 類別 連接方式 優點 缺點 適用性 高溫焊料 焊接 熔點高于290℃,導熱性好,熱電偶與PCB表面之間熱阻小,機械強度高,連接可靠測量誤差小,可連續測試. 焊接技術難度大,改變測試點不方便,容易因過熱而損壞PCB焊盤或元器件,不能將熱電偶與不浸錫表面連接. 適用于固定點連續測試 膠粘劑 粘接 可將熱電偶與不浸錫表面連接,能經受幾個周期的再流焊溫度. 粘接后固化,操作不便,殘留膠清除困難. 適用于固定點連續測試 高溫膠帶 粘接 可將熱電偶與不浸錫表面連接,改變測試點簡單方便. 隨著溫度升高,膠帶粘著力下降,熱電偶偏離測試點,引起測試誤差,不能將熱電偶固定在狹小位置. 適用于多點測試 機械連接 機械固定 連接結實可靠,經得住反復測試,可對狹小位置進行測試 機械部件增加了熱電偶附近熱容量,測試成本高. 適用于高密度多點連續測試 目前我們采用的多是高溫焊料方式,用高溫焊料貼片膠或高溫膠帶紙將記憶裝置的熱電偶測試頭分別固定到PCB的測試點部位,再用高溫度膠帶/膠水把熱電偶絲固定,以免因其移動影響測量數據,焊接固定時,焊接量盡量小和均勻,固定用膠水也盡量是很薄一層.
        4. 測試板的要求 a. 原則上要采用本機種的完整的回流后產品來制作,以保證真實地反映該產品在回流爐內的溫度變化情況 b. 采用其他代替測試板要符合以下要求:基板材質相同,基板外形尺寸要相同,基板厚度相同,貼片部品數大致相當以及吸熱或耐熱性近部品.

 

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