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深圳市特普科电子设备有限公司

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SMT 回流焊温度曲线全解析与注意事项

2024-11-28
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一、SMT 回流焊温度曲线说明

SMT 回流焊温度曲线分为预热、保温、回流和冷却四个阶段,每个阶段都有其特定的作用和温度要求。


  1. 预热段:目的是将常温 PCB 尽快加热,但升温速率要控制在适当范围,过快会产生热冲击,过慢则锡膏助焊剂挥发不充分。通常升温速率设定为 1℃/s~3℃/s,典型的升温速率为 2℃/s。贴片加工的 PCBA 从室内温度到达回流炉加热温度 150℃,在这个阶段,需要把焊膏中较低熔点的溶剂挥

  2. 发掉。焊膏中助焊剂的主要成分包括松香、活性剂、黏度改善剂和溶剂,预热阶段需把过多的溶剂挥发掉,但是一定要控制升温速率。太高的升温速率会造成元件的热应力冲击,损伤元件或降低元件性能和寿命,还可能造成焊膏的塌陷,引起短路的危险,并且使得溶剂挥发速度过快,容易溅出金属成分,出现锡珠。


  3. 保温段:使各元件温度趋于稳定,减少温差,保证焊膏中的助焊剂充分挥发,去除焊盘及元件引脚上的氧化物。温度从 120℃升至锡膏熔点的区域,一般将整个 PCBA 板缓慢加热到 170℃,时间一般为 70 - 120s。在这个阶段,温度上升速度缓慢,其作用有三个,一是使整个 PCBA 都能达到均匀的温度,减少进入回流区的热应力冲击,以及避免元件翘起、某些大体积元件冷焊等焊接缺陷;二是焊膏中的助焊剂开始发生活性反应,增大焊件表面润湿性能,使得熔融焊料能够很好地润湿焊件表面;三是进一步挥发助焊剂中溶剂。由于保温阶段的重要性,因此保温时间和温度必须得到很好地控制,既要保证助焊剂能很好地清洁焊接面,又要保证助焊剂到达回流之前没有完全消耗掉,在回流阶段能够起到防止再氧化的作用。


  4. 回流段:加热器温度设置更高,焊接峰值温度视所用焊膏不同而不同,一般为焊膏熔点加 20°C - 40°C。回流阶段温度继续升高越过回流线,焊膏融化并发生润湿反应,开始生成金属间化合物层,最终到达峰值温度。峰值温度一般为 210℃ - 230℃,对于一些特殊情况,如 PCB 板厚、焊盘尺寸大、有特殊要求的板材等,峰值温度可能会有所调整。回流时间不宜过长,一般为 30 - 60s 更好,过长的回流时间和较高温度,会损坏易受温度影响的元件,也会导致金属间化合物 IMC 层过厚,使焊点变得很脆,降低焊点的抗疲劳能力。


  5. 冷却段:用尽可能快的速度冷却,有助于得到明亮的焊点,缓慢冷却会导致不良焊点。冷却速率一般为 3 - 5℃/s,冷却至 75℃。较快的冷却速度可以细化焊点的微观组织,改变金属间化合物的形态和分布,提高焊料合金的力学性能。但是太快的冷却速度,也将会造成对元器件的冲击,造成应力集中,使产品的焊点在使用过程中过早失效,因此回流焊接必须提供良好的冷却曲线。


二、SMT 回流焊注意事项


  1. 进出料口:回流焊炉的进出料口在使用过程中应避免外界自然风吹入而影响炉内动态温度平衡,进而影响焊接质量。外界自然风的进入可能会导致炉内温度不稳定,使得 PCB 在焊接过程中受热不均匀,从而影响焊接效果。


  2. 温控表:回流焊炉温控表的 PID 参数不得随便设置。因为 PID 参数的设置需要专业的技术人员根据实际情况进行调整,随意设置可能会导致温度控制不准确,影响焊接质量。


  3. 温区设置:回流焊炉温区的设置不能随意调整,上列温区参数基本是按照焊接 PCB 板面积占焊接炉传送钢网有效面积 90%、走带速率为 75cm±10cm/S 较好的实际固化效果而定的。当加工的 PCB 板面积有较大的出入时,应对带速进行微调以达到良好的焊接效果。调节的一般原则为:PCB 板面积小时,网带走速稍快,PCB 板面积大时,网带走速稍慢,一切以达到良好的焊接效果为准。


  4. 日常保养:做好焊机设备的日常保养工作至关重要。每日清洁设备表面使之无污秽,加油手动模式时每周 1 次点击加油按钮用高温润滑油(BIO - 30)润滑滚链;连续生产时,每月不少于两次检查给炉电机及各转动轴轮添加高温润滑油。通过日常保养,可以延长设备寿命,确保设备的正常运行,提高焊接质量。


  5. 出料口:回流焊炉出料口的 PCB 工件送出时,要避免烫伤操作人员手的事故发生;也要防止 PCB 板堆积在出料口,造成 PCB 板坠落或出口的 PCB 板处高温状态下焊锡强度低 SMD 元器件因坠落或挤压冲击而脱落。在操作过程中,操作人员应保持警惕,注意安全,同时及时清理出料口,避免 PCB 板堆积。


  6. 故障排除:回流焊炉故障排除后,合上设备总电源,顺时针旋动红色蘑菇状急停开关,即可恢复返回原工作状态。关机时不可让 PCB 及传送钢网带停止在尚为高温状态下的炉内,应是使机内温度下降后再停传送带。这样可以避免设备受损,延长设备寿命。


  7. 设备接地:回流焊炉每日开机前要检查设备的接地线是否连接可靠。良好的接地可以确保设备的安全运行,防止电气事故的发生。


三、SMT 回流焊常见问题及解决方法


1.不良现象:


  • SMD 零件偏移、旋转:可能是零件两端受热不均匀或者零件一端吃锡情况不佳导致。


  • BGA 锡球短路:原因可能有锡膏量多,锡膏印刷偏移、锡膏坍塌、刮刀压力过小和钢板设计不合理与 PCB 板之间间隙过大。


  • BGA 锡球空焊:可能是锡膏量少、锡球不沾锡、高温导致 PCB 板变形和锡球大小不一致等原因引起。


  • 有 / 无脚 SMD 零件空焊:有脚 SMD 零件空焊可能是零件脚不平整、零件脚不吃锡和 PCB 板焊垫不吃锡等原因;无脚 SMD 零件空焊可能是锡膏量少、焊垫设计不合理和焊垫两端受热不均匀。


  • 立碑 / 墓碑:通常是焊垫两端受热不均匀所以吃锡性不同导致。


  • 冷焊:主要是回流焊温度过低或者时间太短引起。


  • 焊点龟裂:可能是锡膏熔化温度过低和 PCB 板翘曲产生压力等原因。


2.解决措施:


  • 对于 SMD 零件偏移、旋转,可回流采用马鞍型并延长预热时间,确保零件及 PCB 焊垫无氧化,确认零件的焊锡镀层与锡膏的成份相容。


  • 针对 BGA 锡球短路,可减少锡膏印刷量,调整钢板对位准度,确认电路板拼板精度符合需求,调整 Reflow 曲线,确认锡膏品质状况,增加刮刀的压力及速度,检查钢板的张力符合规定且无变形,检查防焊与丝印层厚度符合规定。


  • 解决 BGA 锡球空焊问题,可以增加钢板厚度或加大开孔,检查锡球是否氧化,变更设计为填孔作业或增加锡量,检查电路板是否焊垫氧化,减缓升温速率、增加锡量、使用过炉载具,检讨钢板的开孔及锡膏印刷参数。


  • 对于有脚 SMD 零件空焊,要确认零件脚平整度符合规定,增加钢板厚度或加大开孔,调降 Reflow 升温速率或与供应商检讨零件脚吃锡性,检查零件脚是否氧化,变更设计为填孔作业或锡膏印刷时避开孔洞,检查电路板焊垫是否氧化。


  • 无脚 SMD 零件空焊可检查电路板连接大面积铜箔的零件脚是否散热太快致升温速度跟不上其他焊脚,减缓温度曲线升温速率或同零件的焊垫尺寸需一致,增加锡膏量,确保零件必需符合吃锡之需求。


  • 立碑 / 墓碑问题可增加热阻,减缓温度曲线升温速率,在回流焊前先预热到 170℃。


  • 冷焊可调高回流 peak 焊温度至 245℃~255℃,延长回流焊时间(>220℃以上至少 40~60 秒)。


四、SMT 回流焊温度控制要点


1.回流温度控制要求:


在 SMT 回流焊过程中,PCBA 的温度应比焊膏熔点高 11~12°C,以确保 BGA 类封装器件完成二次塌落和焊料完全熔合。例如,在 SMT 贴片加工过程中,从机器冷启动到温度稳定一般需要 20~30 分钟,且 smt 生产线技术人员必须每天或每件产品记录炉温设定和链速,并定期进行炉温曲线的控制测试,以监控回流焊的正常运行。同时,无铅锡膏温度曲线设定也有不同要求,根据 PCBA 加工点数、有无特定产品以及焊盘尺寸等因素,实测峰值温度需控制在不同范围内。若 FPC 柔性板、铝基板等特殊板材或零件有特殊要求时,需根据实际要求进行调整。


2.温度曲线的基本要求:


  • 预热区:预热斜率为 1~3℃/ 秒,温度升至 140~150℃。此阶段主要是将常温 PCB 尽快加热,有效除去焊膏中易挥发的溶剂,减少对元件的热冲击,同时使助焊剂充分活化。


  • 恒温区:温度在 150℃~200℃,时间为 60~120 秒。这个区域的目的是使各元件温度趋于稳定,减少温差,保证焊膏中的助焊剂充分挥发,去除焊盘及元件引脚上的氧化物。


  • 回流区:温度在 217℃以上,时间为 40~90 秒,峰值温度为 230~255℃。在这个区域,加热器温度设置更高,焊膏融化并发生润湿反应,开始生成金属间化合物层,最终到达峰值温度。


  • 冷却区:冷却斜率小于 1~4℃/ 秒(PPC 和铝基板除外,实际温度视实际情况而定)。用尽可能快的速度冷却,有助于得到明亮的焊点,但冷却速度也不能过快,以免造成对元器件的冲击。


2.焊接时间的设定要求:


焊接时间主要决定于 PCB 的热特性和元器件的封装。一般而言,元器件热容量比较小的 PCBA,焊接时间一般取 30~60s;有大尺寸(≥35mm×35mm)BGA 的多层板,焊接时间一般取 60~90s;同时有多层、超大尺寸、热量大的 PCB 板,焊接时间一般取 90~120s。对一个焊点而言,再流焊接的时间 3~5s 足够,但对一块 PCBA 而言,需要考虑所有的焊点都达到合适温度以及封装变形敏感器件达到热平衡,同时还必须考虑减少 PCBA 不同部位的温度差或者说减少 PCB 和元件热变形问题。


五、SMT 回流焊温度曲线怎么看


1.考虑因素:


  • 看锡膏类型:不同的锡膏有不同的特性,有铅和无铅锡膏对温度曲线的要求不同。例如,助焊剂的成分不同,其挥发温度和所需时间也不同。


  • 看 PCB 板厚度:较厚的 PCB 板吸热能力更强,需要更长的升温时间和更高的温度来确保焊接质量。


  • 看 PCB 板材:不同板材的耐热性能不同,设定回流区的炉温时需考虑板材特性。


  • 看元器件:元件大小不同、特殊元件以及厂家要求的特殊元件等,都需要仔细设定炉温。


  • 看炉子加热效率:当今回流炉种类繁多,加热效率各异,不能忽视这一因素对温度曲线的影响。


2.关键地方:


  • 各温区的温度设定数值:这是影响回流焊效果的关键因素之一。不同的温区需要根据锡膏类型、PCB 板和元器件等因素进行合理设置。


  • 各加热马达的温差:温差过大会导致 PCB 板受热不均匀,影响焊接质量。


  • 链条及网带的速度:速度的快慢会影响 PCB 板在炉内的停留时间,从而影响焊接效果。


  • 锡膏的成份:锡膏由合金粉末和助焊剂组成,助焊剂的特性决定了锡膏的焊接性能,对温度曲线有重要影响。


  • PCB 板的厚度及元件的大小和密度:厚板、大元件和高密度的 PCB 板需要不同的温度曲线来确保焊接质量。


  • 加热区的数量及回流焊的长度:加热区数量和长度不同,温度分布也会不同,需要根据实际情况进行调整。


  • 加热区的有效长度及泠却的特点等:有效长度和冷却特点会影响焊接后的焊点质量。


3.回流温度曲线类型及适用性:


RSS 曲线:


  • 概念:RSS 非线性温度曲线,即升温 - 保温 - 回流温度曲线,整个回流过程严格分为预热、恒温、回流、冷却四个温区。


  • 特征及适用性:升温快、恒温时间长、进入焊接速度快,曲线呈 “马鞍” 型;能够控制元件间的温差,回流时达到相同温度;可让锡膏内多余的助焊剂充分挥发,减少焊接后的残留;推荐使用高残留 / 高活性的锡膏,较常用日系锡膏,助焊剂多数为松香型。适用于板面面积大、PCB / 器件热容差异大、对助焊剂残留要求高的产品。

RTS 曲线:


  • 概念:RTS 线形温度曲线,即升温 - 回流温度曲线。从产品进入设备预热开始,温度曲线呈一条向上 45° 延伸的线,达到锡膏熔点后回流,最后冷却完成焊接的过程。


  • 特征及适用性: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;在预热阶段可保持住助焊剂载体,得到更光亮的焊点,可焊性问题很少;可提高助焊剂湿润性。适用于小型化 PCB、微型化贴片产品、密 Pitch 器件、对焊点外观要求较高等产品类型。


4.测温板的制作:


测试点选取原则及方法:


  必要评价原则:


  • 客户特定要求接点的,依照客户要求实施,并根据风险评估结果,适当追加内部管制接点。


  • 至少选取 3 点作为测试点,以 PCBA 上对角线位置进行选点(一面)。


  • 对产品风险评估出的温度风险点位进行监控,例如温度敏感器件、有失效历史的器件或设计结构等。


  • PCBA 上选定一个空 PAD 作为测度点,目的是测试该 PCB 在回流过程中的温度。


  其他评价原则:


  • 有 BGA 元件时,要求表面和焊点端子各接一个测试点。当几个 BGA 同时存在时,至少选择一个面积更大的接点测试,若有 0.5pitch 及以下的 BGA 时,必须同时对该 BGA 设置点测试。


  • 当有 LED 元件时,最少选择一个点进行温度测试。


  • CHIP 件,特别是电容需接点测试。


  • 吸热量大的焊点或接地 PAD 需接点测试。


热电偶线的相关要求:需使用高温锡线将电偶线闭合端焊接在测试点上,要求标准为紧密缠绕 3 圈以内。热电偶线闭合点要牢固、导线不分开,接近闭合部位以减小温差。


  标本的分类、整理与标识:


  • 标本分为专用标本和通用标本。专用标本需与生产实物一致,原则上所有有 BGA 或者回流风险器件的产品必须使用专用标本;通用标本可同类型产品替代标本。


  • 整理与标识注意事项:测试插头不可随用随装,必须固化管理(即一个标本一组测试插头);插头按照测试通道编号,捆扎,有空间的情况下,可将测试点位进行备注;热电偶走线方面,规则性布线,转角位置进行圆弧形弯脚处理。


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