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什么是回流焊?

发布时间:2013-01-14

回流焊

回流焊技术在电子制造领域并不陌生,我们电脑内使用的各种板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的,这种设备的内部有一个加热电路,将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板,让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势是温度易于控制,焊接过程中还能避免氧化,制造成本也更容易控制。

回流焊简介


由于电子产品PCB板不断小型化的需要,出现了片状元件,传统的焊接方法已不能适应需要。首先在混合集成电路板组装中采用了回流焊工艺,组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感,贴装型晶体管及二极管等。随着SMT整个技术发展日趋完善,多种贴片元件(SMC)和贴装器件(SMD)的出现,作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展,其应用日趋广泛,几乎在所有电子产品领域都已得到应用,而回流焊技术,围绕着设备的改进也经历以下发展阶段。

回流焊接设备进化的原因:热传递效率和焊接的可靠性的不断提升!

第一代回流焊:热板传导回流焊设备(热传递效率最慢:5-30 W/m2K(不同材质的加热效率不一样),有阴影效应)

第二代回流焊:红外热辐射回流焊设备

热传递效率慢:5-30W/m2K(不同材质的红外辐射效率不一样),有阴影效应,元器件的颜色对吸热量有大的影响。

第三代回流焊:热风回流焊设备

热传递效率比较高:10-50 W/m2K,无阴影效应,颜色对吸热量没有影响。

第四代回流焊:气相回流焊接系统

热传递效率高:200-300 W/m2K,无阴影效应,焊接过程需要上下运动,冷却效果差。

第五代回流焊:真空蒸汽冷凝焊接(真空汽相焊)系统

密闭空间的无空洞焊接,热传递效率最高(300 W-500W/m2K)焊接过程保持静止无震动。冷却效果优秀,颜色对吸热量没有影响,是目前最完美的焊接系统!

回流焊分类

热板传导回流焊


这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热,通过热传导的方式加热基板上的元件,用于采用陶瓷(Al2O3)基板厚膜电路的单面组装,陶瓷基板上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量,其结构简单,价格便宜。中国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类设备。

红外线辐射回流焊

此类回流焊炉也多为传送带式,但传送带仅起支托、传送基板的作用,其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热,炉膛内的温度比前一种方式均匀,网孔较大,适于对双面组装的基板进行回流焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在中国使用的很多,价格也比较便宜。

红外加热风回流焊

红外加热风(Hot air)回流焊是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更均匀,单纯使用红外辐射加热时,人们发现在同样的加热环境内,不同材料及颜色吸收热量是不同的,即⑴式中Q值是不同的,因而引起的温升ΔT也不同,例如IC等SMD的封装是黑色的酚醛或环氧,而引线是白色的金属,单纯加热时,引线的温度低于其黑色的SMD本体。加上热风后可使温度更均匀,而克服吸热差异及阴影不良情况,IR + Hot air的回流焊炉在国际上曾使用得很普遍。 

充氮(N2)回流焊

随着组装密度的提高,精细间距(Fine pitch)组装技术的出现,产生了充氮回流焊工艺和设备,改善了回流焊的质量和成品率,已成为回流焊的发展方向。氮气回流焊有以下优点:

⑴防止减少氧化;
⑵提高焊接润湿力,加快润湿速度;
⑶减少锡球的产生,避免桥接,得到较好的焊接质量。

得到更好的焊接质量特别重要的是,可以使用更低活性助焊剂的锡膏,同时也能提高焊点的性能,减少基材的变色,但是它的缺点是成本明显的增加,这个增加的成本随氮气的用量而增加,当你需要炉内达到1000ppm含氧量与50ppm含氧量,对氮气的需求是有天壤之别的。现在的锡膏制造厂商都在致力于开发在较高含氧量的气氛中就能进行良好的焊接的免洗焊膏,这样就可以减少氮气的消耗。

对于回流焊中引入氮气,必须进行成本收益分析,它的收益包括产品的良率,品质的改善,返工或维修费的降低等等,完整无误的分析往往会揭示氮气引入并没有增加最终成本,相反,我们却能从中收益。

在目前所使用的大多数炉子都是强制热风循环型的,在这种炉子中控制氮气的消耗不是容易的事。有几种方法来减少氮气的消耗量,减少炉子进出口的开口面积,很重要的一点就是要用隔板,卷帘或类似的装置来阻挡没有用到的那部分进出口的空间,另外一种方式是利用热的氮气层比空气轻且不易混合的原理,在设计炉的时候就使得加热腔比进出口都高,这样加热腔内形成自然氮气层,减少了氮气的补偿量并维护在要求的纯度上。

双面回流焊


双面PCB已经相当普及,并在逐渐变得复杂起来,它得以如此普及,主要原因是它给设计者提供了极为良好的弹性空间,从而设计出更为小巧,紧凑的低成本的产品。到今天为止,双面板一般都有通过回流焊接上面(元件面),然后通过波峰焊来焊接下面(引脚面)。目前的一个趋势倾向于双面回流焊,但是这个工艺制程仍存在一些问题。大板的底部元件可能会在第二次回流焊过程中掉落,或者底部焊接点的部分熔融而造成焊点的可靠性问题。

已经发现有几种方法来实现双面回流焊:一种是用胶来粘住第一面元件,那当它被翻过来第二次进入回流焊时元件就会固定在位置上而不会掉落,这个方法很常用,但是需要额外的设备和操作步骤,也就增加了成本。第二种是应用不同熔点的焊锡合金,在做第一面是用较高熔点的合金而在做第二面时用低熔点的合金,这种方法的问题是低熔点合金选择可能受到最终产品的工作温度的限制,而高熔点的合金则势必要提高回流焊的温度,那就可能会对元件与PCB本身造成损伤。对于大多数元件,熔接点熔锡表面张力足够抓住底部元件话形成高可靠性的焊点,元件重量与引脚面积之比是用来衡量是否能进行这种成功焊接一个标准,通常在设计时会使用30g/in2这个标准,第三种是在炉子低部吹冷风的方法,这样可以维持PCB底部焊点温度在第二次回流焊中低于熔点。但是潜在的问题是由于上下面温差的产生,造成内应力产生,需要用有效的手段和过程来消除应力,提高可靠性。

以上这些制程问题都不是很简单的。但是它们正在被成功解决之中。勿容置疑,在未来的几年,双面板会陆续在数量上和复杂性性上有很大发展。 

无铅回流焊


无铅回流焊属于回流焊的一种。早期回流焊的焊料都是用含铅的材料。随着环保思想的深入,人们越来越重视无铅技术。在材料上,尤其是焊料上的变化最大。而在工艺方面,影响最大的是焊接工艺。这主要来自焊料合金的特性以及相应助焊剂的不同所造成的。
无铅回流焊即使不采用‘drop-in’工艺,无铅焊接由于温度较高的原因,使整个工艺窗口缩小了许多。这意味着无铅焊接的质量保证更困难。而事实上,无铅回流焊在无铅技术上将工艺控制得和锡铅技术一样好,或甚至比以前锡铅技术还好。

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