回流焊接工藝

回流焊接工藝

    經(jīng)典印刷電路板(PCB)的溫度曲線(profile)作圖，涉及將PCB 裝配上的熱電偶連接到數(shù)據(jù)記錄曲線儀上，并把整個(gè)裝配從回流焊接爐中通過。作溫度曲線有兩個(gè)主要的目的：1)為給定的PCB 裝配確定正確的工藝設(shè)定，2)檢驗(yàn)工藝的連續(xù)性，以保證可重復(fù)的結(jié)果。通過觀察PCB 在回流焊接爐中經(jīng)過的實(shí)際溫度(溫度曲線)，可以檢驗(yàn)和/或糾正爐的設(shè)定，以達(dá)到最終產(chǎn)品的最佳品質(zhì)。經(jīng)典的PCB 溫度曲線將保證最終PCB 裝配的最佳的、持續(xù)的質(zhì)量，實(shí)際上降低PCB 的報(bào)廢率，提高PCB的生產(chǎn)率和合格率，并且改善整體的獲利能力。

一、回流工藝

    在回流工藝過程中，在爐子內(nèi)的加熱將裝配帶到適當(dāng)?shù)暮附訙囟龋粨p傷產(chǎn)品。為了檢驗(yàn)回流焊接工藝過程，人們使用一個(gè)作溫度曲線的設(shè)備來確定工藝設(shè)定。溫度曲線是每個(gè)傳感器在經(jīng)過加熱過程時(shí)的時(shí)間與溫度的可視數(shù)據(jù)集合。通過觀察這條曲線，你可以視覺上準(zhǔn)確地看出多少能量施加在產(chǎn)品上，能量施加哪里。溫度曲線允許操作員作適當(dāng)?shù)母淖?，以?yōu)化回流工藝過程。

    一個(gè)典型的溫度曲線包含幾個(gè)不同的階段 -初試的升溫(ramp)、保溫(soak)、向回流形成峰值溫度(spike to reflow)、回流(reflow)和產(chǎn)品的冷卻(cooling)。作為一般原則，所希望的溫度坡度是在2~4 °C范圍內(nèi)，以防止由于加熱或冷卻太快對板和/或元件所造成的損害。

    在產(chǎn)品的加熱期間，許多因素可能影響裝配的品質(zhì)。最初的升溫是當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入爐子時(shí)的一個(gè)快速的溫度上升。目的是要將錫膏帶到開始焊錫激化所希望的保溫溫度。最理想的保溫溫度是剛好在錫膏材料的熔點(diǎn)之下 -對于共晶焊錫為183 °C，保溫時(shí)間在30~90 秒之間。保溫區(qū)有兩個(gè)用途：1)將板、元件和材料帶到一個(gè)均勻的溫度，接近錫膏的熔點(diǎn)，允許較容易地轉(zhuǎn)變到回流區(qū)，2)激化裝配上的助焊劑。在保溫溫度，激化的助焊劑開始清除焊盤與引腳的氧化物的過程，留下焊錫可以附著的清潔表面。向回流形成峰值溫度是另一個(gè)轉(zhuǎn)變，在此期間，裝配的溫度上升到焊錫熔點(diǎn)之上，錫膏變成液態(tài)。

    一旦錫膏在熔點(diǎn)之上，裝配進(jìn)入回流區(qū)，通常叫做液態(tài)以上時(shí)間(TAL time above liquidous)?；亓鲄^(qū)時(shí)爐子內(nèi)的關(guān)鍵階段，因?yàn)檠b配上的溫度梯度必須最小，TAL 必須保持在錫膏制造商所規(guī)定的參數(shù)之內(nèi)。產(chǎn)品的峰值溫度也是在這個(gè)階段達(dá)到的 -裝配達(dá)到爐內(nèi)的最高溫度。

    必須小心的是，不要超過板上任何溫度敏感元件的最高溫度和加熱速率。例如，一個(gè)典型的鉭電容具有的最高溫度為230 °C 。理想地，裝配上所有的點(diǎn)應(yīng)該同時(shí)、同速率達(dá)到相同的峰值溫度，以保證所有零件在爐內(nèi)經(jīng)歷相同的環(huán)境。在回流區(qū)之后，產(chǎn)品冷卻，固化焊點(diǎn)，將裝配為后面的工序準(zhǔn)備?？刂评鋮s速度也是關(guān)鍵的，冷卻太快可能損壞裝配，冷卻太慢將增加TAL，可能造成脆弱的焊點(diǎn)。

    在回流焊接工藝中使用兩種常見類型的溫度曲線，它們通常叫做保溫型(soak)和帳篷型(tent)溫度曲線。在保溫型曲線中(圖一)，如前面所講到的，裝配在一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷相同的溫度。帳篷型溫度曲線(圖二)是一個(gè)連續(xù)的溫度上升，從裝配進(jìn)入爐子開始，直到裝配達(dá)到所希望的峰值溫度。

    所希望的溫度曲線將基于裝配制造中使用的錫膏類型而不同。取決于錫膏化學(xué)組成，制造商將建議最佳的溫度曲線，以達(dá)到最高的性能。溫度曲線的信息可以通過聯(lián)系錫膏制造商得到。最常見的配方類型包括水溶性(OA)、松香適度激化型(RMA rosin mildly activated)和免洗型(no-clean)錫膏。

二、溫度曲線的機(jī)制

經(jīng)典的PCB 溫度曲線系統(tǒng)元件

一個(gè)經(jīng)典的PCB 溫度曲線系統(tǒng)由以下元件組成：
· 數(shù)據(jù)收集曲線儀，它從爐子中間經(jīng)過，從PCB 收集溫度信息。
· 熱電偶，它附著在PCB 上的關(guān)鍵元件，然后連接到隨行的曲線儀上。
· 隔熱保護(hù)，它保護(hù)曲線儀被爐子加熱。
· 軟件程序，它允許收集到的數(shù)據(jù)以一個(gè)格式觀看，迅速確定焊接結(jié)果和/或在失控惡劣影響最終PCB產(chǎn)品之前找到失控的趨勢。

三、熱電偶(Thermalcouples)

    在電子工業(yè)中最常使用的是K 型熱電偶。有各種技術(shù)將熱電偶附著于PCB 的元件上。使用的方法決定于正在處理的PCB 類型，以及使用者的偏愛。

四、熱電偶附著

    高溫焊錫，它提供很強(qiáng)的連接到PCB 。這個(gè)方法通常用于可以為作曲線和檢驗(yàn)工藝而犧牲一塊專門的參考板的運(yùn)作。應(yīng)該注意的是保證最小的錫量，以避免影響曲線。

    膠劑，可用來將熱電偶固定在PCB 上。膠劑的使用通常得到熱電偶對裝配的剛性物理連接。缺點(diǎn)包括膠劑可能在加熱過程中失效的可能性、作完曲線后取下時(shí)在裝配上留下殘留物。還有，應(yīng)該注意使用最小的膠量，因?yàn)樵黾訜豳|(zhì)量可能影響溫度曲線的結(jié)果。

    開普頓(Kapton)或鋁膠帶，它最容易使用，但是最不可靠的固定方法。使用膠帶作溫度曲線經(jīng)常顯示很參差不齊的曲線，因?yàn)闊犭娕歼B接點(diǎn)在加熱期間從接觸表面提起。容易使用和不留下影響裝配的殘留物，使得開普頓或鋁膠帶成為一個(gè)受歡迎的方法。

    壓力型熱電偶，夾持在線路板的邊緣，使用彈力將熱電偶連接點(diǎn)牢固地接觸固定到正在作溫度曲線的裝配上。壓力探頭快速、容易地使用，對PCB 沒有破壞性。

五、熱電偶的放置

    因?yàn)橐粋€(gè)裝配的外邊緣和角上比中心加熱更快，較大熱質(zhì)量的元件比較小熱質(zhì)量的元件加熱滿，所以至少推薦使用四個(gè)熱電偶的放置位置。一個(gè)熱電偶放在裝配的邊緣或角上，一個(gè)在小元件上，另一個(gè)在板的中心，第四個(gè)在較大質(zhì)量的元件上。另外還可以增加熱電偶在板上其它感興趣的零件上，或者溫度沖擊或溫度損傷最危險(xiǎn)的元件上。

六、讀出與評估溫度曲線數(shù)據(jù)

    錫膏制造商一般對其錫膏配方專門有推薦的溫度曲線。應(yīng)該使用制造商的推薦來確定一個(gè)特定工藝的最佳曲線，與實(shí)際的裝配結(jié)果進(jìn)行比較。然后可能采取步驟來改變機(jī)器設(shè)定，以達(dá)到特殊裝配的最佳結(jié)果(圖三)。

    對于PCB 裝配制造商，現(xiàn)在有新的工具，它使得為錫膏和回流爐的特定結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)曲線來得容易。一旦設(shè)計(jì)好以后，這個(gè)目標(biāo)曲線可以由機(jī)器操作員機(jī)遇這個(gè)專門的PCB 裝配簡單地調(diào)用，自動(dòng)地在回流焊接爐上運(yùn)行。

七、何時(shí)作溫度曲線

    當(dāng)開始一個(gè)新的裝配時(shí)，作溫度曲線是特別有用的。必須決定爐的設(shè)定，為高品質(zhì)的結(jié)果優(yōu)化工藝。作為一個(gè)診斷工具，曲線儀在幫助確定合格率差和/或返工高的過程中是無價(jià)的。

    作溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)不適當(dāng)?shù)臓t子設(shè)定，或者保證對于裝配這些設(shè)定是適當(dāng)?shù)?。許多公司或工廠在標(biāo)準(zhǔn)參考板上作溫度曲線，或者每天使用機(jī)器的品質(zhì)管理曲線儀。一些工廠在每個(gè)班次的開始作溫度曲線，以檢驗(yàn)爐子的運(yùn)行，在問題發(fā)生前避免潛在的問題。這些溫度曲線可以作為一個(gè)硬拷貝或通過電子格式存儲(chǔ)起來，并且可用作ISO 計(jì)劃的一部分，或者用來進(jìn)行對整個(gè)時(shí)間上機(jī)器性能的統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC statistical process control)的操作。

    用于作溫度曲線的裝配應(yīng)該小心處理。該裝配可能由于處理不當(dāng)或者重復(fù)暴露在回流溫度之下而降級。作曲線的板可能隨時(shí)間過去而脫層，熱電偶的附著可能松動(dòng)，這一點(diǎn)應(yīng)該預(yù)計(jì)到，并且在每一次運(yùn)行產(chǎn)生損害之前應(yīng)該檢查作曲線的設(shè)備。關(guān)鍵是要保證測量設(shè)備能夠得到精確的結(jié)果。

八、經(jīng)典PCB 溫度曲線與機(jī)器的品質(zhì)管理曲線

    雖然溫度曲線的最普遍類型涉及使用一個(gè)運(yùn)行的曲線儀和熱電偶，來監(jiān)測PCB 元件的溫度，作溫度曲線也用來保證回流焊接爐以最佳的設(shè)定連續(xù)地工作運(yùn)行?，F(xiàn)有各種內(nèi)置的機(jī)器溫度曲線儀，提供對關(guān)鍵回流爐參數(shù)的日常檢測，包括空氣溫度、熱流與傳送帶速度。這些儀器也提供機(jī)會(huì)，在失控因素影響最終PCB裝配質(zhì)量之前，迅速找到任何失控趨勢。

九、總結(jié)

    做溫度曲線是PCB 裝配中的一個(gè)關(guān)鍵元素，它用來決定過程機(jī)器的設(shè)定和確認(rèn)工藝的連續(xù)性。沒有可測量的結(jié)果，對回流工藝的控制是有限的。咨詢一下錫膏供應(yīng)商，查看一下元件規(guī)格，為一個(gè)特定的工藝確定最佳的曲線參數(shù)。通過實(shí)施經(jīng)典PCB 溫度曲線和機(jī)器的品質(zhì)管理溫度曲線的一個(gè)正常的制度，PCB 的報(bào)廢率將會(huì)降低，而質(zhì)量與產(chǎn)量都會(huì)改善。結(jié)果，總的運(yùn)作成本將減低。