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SMT 回流焊故障与炉内产品处理全指南

2024-11-06
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一、SMT 回流焊概述

SMT 回流焊在电子制造中起着至关重要的作用。它是将表面贴装元器件焊接到印刷电路板(PCB)上的关键工艺。通过回流焊,能够实现高效、高质量的电子组装,确保电子产品的性能和可靠性。


常见的回流焊设备有热风回流焊炉、红外回流焊炉和激光回流焊炉等。热风回流焊炉使用热风加热,适用于大多数应用场景;红外回流焊炉利用红外线加热,对温度敏感的元器件较为友好;激光回流焊炉则能够实现高精度焊接,适用于对焊接精度要求极高的场合。


回流焊的工艺一般包括焊料膏印刷、元器件贴装、预热、回流和冷却等阶段。在焊料膏印刷阶段,使用丝网印刷机将焊料膏印刷到 PCB 的焊盘上。接着,通过贴片机将表面贴装元器件放置在焊料膏上,确保位置准确。然后,PCB 进入回流焊炉,首先经过预热区,焊料膏中的溶剂挥发,助焊剂活化,焊料开始加热。在回流区,温度达到焊料的熔化温度(通常为 220°C 至 250°C),焊料完全熔化,形成液态焊接点。最后,在冷却区,焊料迅速冷却并固化,形成稳定的焊接连接。


总之,SMT 回流焊设备和工艺的不断发展,为电子制造行业提供了高效、可靠的焊接解决方案,推动了电子产品的快速发展和创新。


二、回流焊常见故障


(一)温度相关故障

  1. 温度升不到设置温度,可能是加热器损坏、热电偶故障等原因导致。

    据相关数据统计,约有 30% 的温度升不到设置温度的情况是由加热器损坏引起。加热器在长期使用过程中,可能会因为老化、过热等原因出现故障。当加热器损坏时,无法提供足够的热量,导致温度无法上升到设定值。另外,热电偶故障也是常见原因之一。热电偶是测量温度的重要元件,如果热电偶开路或出现其他故障,会导致温度测量不准确,从而影响回流焊炉的温度控制。解决办法包括更换加热器、检查或更换电热偶等。


  2. 温度不稳定,有随机波动,可能是控制板上信号放大产生噪音。

    在控制板上,温度模拟信号转换为数字信号的过程中,经 IC(6N137)放大后可能会产生噪声信号,从而导致温度不稳定。这种情况可能会影响焊接质量,需要及时处理。解决方法是更换集成电路(6N137),以确保温度信号的稳定传输和处理。


  3. 长时间处于升温过程或温度居高不下,可能是热风马达、风轮或固态继电器故障。

    当热风马达故障或风轮与马达链接松动、卡住时,会影响热风的循环,导致热量分布不均匀,从而使回流焊炉长时间处于升温过程或温度居高不下。此外,固态继电器短路也会导致发热丝一直处于加热状态,使温度无法控制。约有 25% 的长时间升温或温度居高不下的情况是由热风马达故障引起,约 20% 是由固态继电器短路导致。解决办法包括检查热风马达、风轮,更换固态继电器等。


(二)传动相关故障


  1. 传送带速度不稳,通常是直流调速马达碳刷磨损。

    直流调速马达碳刷磨损后,会导致碳粉过多,影响电机的正常运转,从而使传送带速度不稳定。这种情况在回流焊设备使用一段时间后较为常见。据统计,约有 40% 的传送带速度不稳问题是由碳刷磨损引起。解决方法是更换碳刷,清洁碳粉,以恢复电机的正常运转。


  2. 输送网带停止不动,可能是输送变频器不通电、电机不运转等原因。

    输送变频器不通电、变频器通迅有问题、输送电机不运转、输送链条断开或输送网带有异物卡住等情况都可能导致输送网带停止不动。这些问题会严重影响生产效率,需要及时排查。例如,输送电机不运转可能是电机损坏或卡死,需要检查电机运转情况并进行维修或更换。


  3. 运输马达速度偏差大,可能是运输马达、编码器或变频器故障。

    运输马达故障、编码器故障或变频器故障都可能导致运输马达速度偏差大。这种情况会影响 PCB 在回流焊炉中的传输速度,从而影响焊接质量。约有 30% 的运输马达速度偏差大问题是由运输马达故障引起,25% 是由编码器故障导致,20% 是由变频器故障引起。解决办法包括更换马达、固定好或更换编码器、更换变频器等。


(三)其他故障


  1. 计数不准确,可能是计数传感器感应距离改变或损坏。

    计数传感器的感应距离改变或损坏会导致计数不准确。这种情况可能会影响生产统计和质量控制。约有 60% 的计数不准确问题是由计数传感器感应距离改变引起,40% 是由计数传感器损坏导致。解决办法包括调节计数传感器的感应距离、更换计数传感器。


  2. 系统电源中断,可能是外部断电或内部电路故障。

    外部断电或内部电路故障都可能导致系统电源中断,使回流焊炉自动进入冷却状体并把炉内 PCB 自动送出。这种情况会严重影响生产进度,需要及时排查故障原因。例如,外部断电需要检查供电线路,内部电路故障需要检查回流焊炉的内部电路。


  3. 热风马达不转动,可能是变频器故障或马达损坏。

    热风马达不转动会影响热风的循环,从而影响焊接质量。约有 50% 的热风马达不转动问题是由变频器故障引起,50% 是由马达损坏导致。解决办法包括检查变频器、更换或修理马达。


  4. 传输马达不转动,原因与热风马达不转动类似。

    传输马达不转动也会影响 PCB 的传输,导致生产中断。其故障原因和解决办法与热风马达不转动类似,需要检查变频器和马达,并进行维修或更换。


  5. 掉板,可能是 PCB 掉落或电眼损坏。

    PCB 掉落或运输入口出口电眼损坏会导致掉板,使系统自动进入冷却状态。这种情况需要及时处理,以避免影响生产效率。解决办法包括把掉板取出、更换电眼。


  6. 温度超过高温值、低于低温度值或报警值,可能是热电偶脱线、固态继电器短路等原因。

    当温度超过高温值、低于低温度值或报警值时,可能是热电偶脱线、固态继电器输出端短路、电脑与 PLC 电缆排插松开或温控模板工作不正常等原因导致。约有 30% 的温度异常问题是由热电偶脱线引起,30% 是由固态继电器短路导致,20% 是由电脑与 PLC 电缆排插松开引起,20% 是由温控模板工作不正常导致。解决办法包括更换热电偶、更换固态继电器、插好排插、检查温控模板等。


三、故障应对策略

1.根据不同故障类型,采取相应的解决措施,如更换损坏部件、调整参数、清洁设备等。


对于温度相关故障,若确定是加热器损坏,应及时更换加热器,确保提供足够的热量以达到设定温度。同时,在更换加热器后,要对温度进行重新校准,以保证焊接过程中的温度准确性。对于热电偶故障,仔细检查热电偶的连接情况,若开路则进行修复或更换。当出现长时间处于升温过程或温度居高不下的情况,按照先检查热风马达和风轮是否正常运转、有无松动或卡住现象,再检查固态继电器是否短路的步骤进行排查和处理。


在传动相关故障方面,当传送带速度不稳是由于直流调速马达碳刷磨损引起时,更换碳刷后要对电机进行调试,确保传送带速度稳定在合适范围内。对于输送网带停止不动的问题,依次检查输送变频器是否通电、电机是否运转、链条是否断开以及网带是否有异物卡住等情况,针对具体问题进行相应的维修或清理。对于运输马达速度偏差大的情况,根据故障原因分别更换马达、编码器或变频器,并进行参数调整和测试,确保运输速度符合要求。


对于计数不准确的问题,若计数传感器感应距离改变,可通过专业设备进行调整,使其恢复正常感应范围。若计数传感器损坏,则需更换新的传感器,并进行校准以确保计数准确。对于系统电源中断的情况,若为外部断电,应及时联系供电部门了解情况并恢复供电;若为内部电路故障,则需专业技术人员进行详细检查和维修。


对于热风马达和传输马达不转动的问题,首先检查变频器是否正常工作,若故障则进行更换或维修。若变频器正常,则检查马达是否损坏或卡死,对损坏的马达进行修理或更换。对于掉板问题,及时取出掉落的 PCB,并检查电眼是否损坏,若损坏则更换新的电眼以确保系统正常运行。对于温度异常情况,按照故障原因分别进行处理,如更换热电偶、固态继电器,插好排插以及检查温控模板等。


2. 定期对回流焊炉进行维护保养,以保证 SMT 稳定生产,提高产量和产品品质。


定期清洁回流焊设备是保养的基本步骤之一。每天结束生产后,对设备进行彻底清洁,去除焊料膏残留物、灰尘等杂质,特别是传送带、加热区域和冷却区域。同时,定期检查传送带、加热元件、风扇、传动系统和温度控制设备等部件的磨损情况,根据需要进行更换。例如,传送带在长期使用后可能会出现磨损、变形等问题,影响 PCB 的传输,应及时更换。


定期校准回流焊炉的温度和速度参数也是关键环节。确保设备能够按照预定的工艺要求进行的温度控制,并调整传送带速度以确保焊接的质量和一致性。一般来说,每隔一段时间(如一个月)就应对温度和速度参数进行校准。


此外,对设备的易损部件进行定期检查和更换,如碳刷、计数传感器等。对操作人员进行培训,使其了解正确的操作方法和日常维护任务,提高设备的使用效率和寿命。建立维护记录,包括维护日期、维护内容和使用情况,以便跟踪设备的使用情况和维护需求。通过这些定期维护保养措施,可以延长回流焊设备的寿命,提高生产效率,保证产品品质。


四、回流焊炉内产品处理流程

1.了解不同型号锡膏和 PCB 所需的温度特性曲线,设置回焊炉各温区温度和回焊时间。


不同型号的锡膏和 PCB 对温度的要求各不相同。例如,以最常用的无铅锡膏 Sn96.5Ag3.0Cu0.5 锡银铜合金为例,升温区 PCB 从室温受热到 150℃,时间设置在 60 - 90 秒,斜率控制在 1 - 3 之间。预热恒温区 PCB 表面温度由 150℃平缓上升至 200℃,时间窗口在 60 - 120 秒之间,斜率在 0.3 - 0.8 之间。回流焊接区 SAC305 合金的熔点在 217℃ - 218℃之间,所以本区域为 > 217℃的时间,峰值温度需在 PCB 板和元器件能承受的温度上限与时间、形成更佳焊接效果的熔融时间之间寻求平衡。冷却区一般认为是 SAC305 合金锡膏的 217℃ - 170℃之间的时间段。


2. 回流焊炉由多个温区组成,通过热风循环使锡膏逐步吸热熔化,达到焊接目的。


回流焊炉一般由多个温区组成,每个温区均有发热丝、热风电机、出气小孔。通过热风电机对发热丝进行吹风,经出气小孔透出循环热风,使该温区达到恒温。印有锡膏的板经过温区 1、温区 2、温区 3…… 锡膏逐步吸热,达到熔点后熔解从而达到焊接的目的。不同型号的锡膏,不同的 PCB 所选择的温度特性曲线也不同。例如,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,可根据具体情况选择合适的回流焊炉。


3. 回流焊的保养包括控制升温速度、维持活性温度曲线等,以提高可焊接性能。


回流焊的保养对于提高可焊接性能至关重要。一方面,要控制升温速度,避免升温过快导致陶瓷电容细微裂纹等缺陷。一般来说,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。另一方面,要维持活性温度曲线。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,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步,减少它们的相当温差。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。


4. 锡膏回流分为五个阶段,包括溶剂蒸发、助焊剂活跃、焊锡颗粒熔化等,冷却阶段要注意速度,防止元件内部产生温度应力。


锡膏回流分为五个阶段。首先,用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发,温度上升必需慢(大约每秒 3°C),以限制沸腾和飞溅,防止形成小锡珠,还有,一些元件对内部应力比较敏感,如果元件外部温度上升太快,会造成断裂。助焊剂活跃,化学清洗行动开始,水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动,只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除。好的冶金学上的锡焊点要求 “清洁” 的表面。当温度继续上升,焊锡颗粒首先单独熔化,并开始液化和表面吸锡的 “灯草” 过程。这样在所有可能的表面上覆盖,并开始形成锡焊点。这个阶段最为重要,当单个的焊锡颗粒全部熔化后,结合一起形成液态锡,这时表面张力作用开始形成焊脚表面,如果元件引脚与 PCB 焊盘的间隙超过 4mil,则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开,即造成锡点开路。冷却阶段,如果冷却快,锡点强度会稍微大一点,但不可以太快而引起元件内部的温度应力。回流焊接要求总结:重要的是有充分的缓慢加热来安全地蒸发溶剂,防止锡珠形成和限制由于温度膨胀引起的元件内部应力,造成断裂痕可靠性问题。


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