SMT回流焊的温度曲线(Reflow Profile)详解,工程师必备!

发布时间:2024-12-18 21:41:54  

前言


电子产业之所以能够蓬勃发展,表面贴焊技术(SMT, Surface MountTechnology)的发明及精进占有极大程度的贡献。而 回焊(Reflow) 又是表面贴焊技术中最重要的技术之一。这里我们就试着来解释一下回焊的一些技术与温度设定的问题。



图片


电路板组装的回流焊温度曲线 (reflow profile) 共包括了预热 (pre-heat) 、吸热 (Soak) 、回焊 (Reflow) 和冷却 (Cooling) 等四个大区块。


预热区(Pre-heat zone)


预热区通常是指由温度由常温升高至 150 ° C 左右的区域﹐在这个区域﹐温度缓升(又称一次升温)以利锡膏中的部分溶剂及水气能够及时挥发﹐电子零件(特别是 BGA IO 连接器零件)缓缓升温﹐为适应后面的高温预作准备。但 PCB 表面的零件大小不一﹐焊垫 / 焊盘连接铜箔面积也不同,其吸热裎度也不一,为了避免零件内外或不同零件间有温度不均匀的现象发生﹐以致零件变形,所以预热区升温的速度通常控制在 1.5 ° C 3 ° C/sec 之间。预热区均匀加热的另一目的,是要使锡膏中的溶剂可以适度缓慢的挥发并活化助焊剂,因为大部分助焊剂的活化温度大约落在 150 ° C 上下。

快速升温有助快速达到助焊剂软化的温度,因此助焊剂可以快速地扩散并覆盖到最大区域的焊点,它可以让一些活化剂融入实际合金的液体中。可是,升温如果太快﹐由于热应力的作用﹐可能会导致陶瓷电容的细微裂纹 (micro crack) PCB 受热不均而产生变形 (Warpage) 、空洞或 IC 芯片损坏﹐同时锡膏中的溶剂挥发太快﹐也会导致锡膏塌陷产生的危险。

较慢的温度爬升则允许更多的溶剂挥发或气体逃逸,它也使助焊剂可以更靠近焊点,减少扩散及崩塌的可能。但是升温太慢也会导致过度氧化而降低助焊剂的活性。

炉子的预热区一般占加热通道长度的 1/4~1/3 ﹐其停留时间计算如下﹕假设环境温度为 25 ° C ﹐若升温斜率按照 3 ° C/sec 计算则 [(150-25)/3] 即为 42sec ﹐如升温斜率按照 1.5 ° C/sec 计算则 [(150-25)/1.5] 即为 85sec 通常根据组件大小差异程度调整时间以调控升温斜率在 2 ° C/sec 以下为最佳。

另外还有几种不良现象都与预热区的升温有关系,下面一一说明:


1. 塌陷:

这主要是发生在锡膏融化前的膏状阶段,锡膏的黏度会随着温度的上升而下降,这是因为温度的上升使得材料内的分子因热而震动得更加剧烈所致;另外温度迅速上升会使得溶剂 (Solvent) 没有时间适当地挥发,造成黏度更迅速的下降。正确来说,温度上升会使溶剂挥发,并增加黏度,但溶剂挥发量与时间及温度皆成正比,也就是说给一定的温升,时间较长者,溶剂挥发的量较多。因此升温慢的锡膏黏度会比升温快的锡膏黏度来的高,锡膏也就必较不容易产生塌陷。

2. 錫珠:

迅速挥发出来的气体会连锡膏都一起往外带,在小间隙的零件下会形成分离的锡膏区块,回焊时分离的锡膏区块会融化并从零件底下冒出而形成锡珠。


图片

3. 錫球:

升温太快时,溶剂气体会迅速的从锡高中挥发出来并把飞溅锡膏所引起。减缓升温的速度可以有效控制锡球的产生。但是升温太慢也会导致过度氧化而降低助焊剂的活性。

4. 灯芯虹吸现象:

这个现象是焊料在润湿引脚后,焊料从焊点区域沿引脚向上爬升,以致焊点产生焊料不足或空焊的问题。其可能原因是锡膏在融化阶段,零件脚的温度高于 PCB 的焊垫温度所致。可以增加 PCB 底部温度或是延长锡膏在的熔点附近的时间来改善,最好可以在焊料润湿前达到零件脚与焊垫的温度平衡。一但焊料已经润湿在焊垫上,焊料的形状就很难改变,此时也不在受温升速率的影响。

5. 润湿不良:

一般的润湿不良是由于焊接过程中锡粉被过度氧化所引起,可经由减少预热时锡膏吸收过多的热量来改善。理想的回焊时间应尽可能的短。如果有其他因素致加热时间不能缩短,那建议从室温到锡膏熔点间采线性温度,这样回焊时就能减少锡粉氧化的可能性。

6. 虚焊或“枕头效应”(Head-In-Pillow):

虚焊的主要原因可能是因为灯蕊虹吸现象或是不润湿所造成。灯蕊虹吸现象可以参照灯蕊虹吸现象的解决方法。如果是不润湿的问题,也就是枕头效应,这种现象是零件脚已经浸入焊料中,但并未形成真正的共金或润湿,这个问题通常可以利用减少氧化来改善,可以参考润湿不良的解决方法。


图片

7. 墓碑效应及歪斜:

这是由于零件两端的润湿不平均所造成的,类似灯蕊虹吸现象,可以藉由延长锡膏在的熔点附近的时间来改善,或是降低升温的速率,使零件两端的温度在锡膏熔点前达到平衡。另一个要注意的是 PCB 的焊垫设计,如果有明显的大小不同、不对称、或是一方焊垫有接地 (ground) 又未设计热阻 (thermal relief) 焊垫,而另一方焊垫无接地,都容易造成不同的温度出现在焊垫的两端,当一方焊垫先融化后,因表面张力的拉扯,会将零件立直 ( 墓碑 ) 及拉斜。


图片


8. 空洞(Voids):

主要是因为助焊剂中的溶剂或是水气快速氧化,且在焊料固化前未实时逸出所致。

熱區 (Soak zone)


主要是因为 一般将这个区域翻译成「浸润区」,但经白老师纠正,正确的名称应该叫「吸热区」,也称「活性区」﹐在这段几近恒温区的温度通常维持在150±10°C的区域﹐斜升式的温度通常落在150~190°C之间,此时锡膏正处于融化前夕﹐焊膏中的挥发物会进一步被去除﹐活化剂开始启动﹐并有效的去除焊接表面的氧化物﹐PCB表面温度受热风对流的影响﹐让不同大小、质地不同的零组件温度能保持均匀温度﹐板面温度差△T接近最小值。


(如果PCB上的零件简单,没有太多复杂的零件,如BGA或大颗容易或不易吸热零件,也就是说零件间的温度可以轻易达到均匀,建议使用「斜升式曲线」。现代科技进步,有些回焊炉的效率好,可以快速均匀所有零件的温度,也可以考虑「斜升式曲线」。「斜升式曲线」的优点是希望确保锡膏融锡时所有焊点同时融锡,已达到最佳的焊接效果。)

温度曲线形态接近水平状﹐它也是评估回焊炉工艺的一个窗口﹐选择能维持平坦活性温度曲线的炉子将可提高焊接的效果﹐特别是防止立碑缺陷的产生,因为较不易造成融锡不一的时间差,零件两端也就比较不会有应力不同的问题。


恒温区通常在炉子的2﹐3区之间﹐时间维持约为60~120s﹐若时间过长会导致松香过度挥发,并造成锡膏过度氧化的问题﹐在回流焊接时失去活性和保护功能,以致焊接后造成虚焊、焊点残留物发黑、焊点不光亮等问题。


此区域的温度如果升温太快,锡膏中的松香(助焊剂)就会迅速膨胀挥发,正常情况下,松香应该会慢慢从锡膏间的缝隙逸散,当松香挥发的速度过快时,就会发生气孔、炸锡、锡珠等质量问题。


回焊区 (Reflow zone)


回焊区是整段回焊温度最高的区域﹐通常也叫做「 液态保持时间(TAL, time above liquids) 」。此时焊料中的锡会与焊垫上的铜或镍因为「化学反应」而形成金属间的化合物Cu 5 sn 6 或Ni 3 Sn 4 。以OSP(有机保护膜)的表面处理为例﹐当锡膏融化后﹐会迅速润湿铜层﹐锡原子与铜原子在其接口上互相渗透,初期Sn-Cu合金的结构为良好的Cu 6 Sn 5 介金属化合物(IMC),为回焊炉子内的关键阶段,因为装配上的温度梯度必须最小。IMC的厚度在1-5μm都可以接受,但IMC太厚也不好,一般建议可以控制在1-3μm为最佳。TAL必须保持在锡膏制造商所规定的参数之内。产品的峰值温度也是在这个阶段达成的(装配达到炉内的最高温度),时间如果过长就会继续生成Cu 3 Sn的不良IMC。ENIG表面处理的板子,初期则会生成Ni 3 Sn 4 的IMC,但只会生成极少的Cu 6 Sn 5 化合物。


必须小心的是,温度不可超过PCB板上任何温度敏感组件的最高温度和加热速率承受能力。例如,一个典型符合无铅制程的钽电容具有的最高温度在260°C时最多只能持续10秒钟。理想状况下应该让装配上所有的焊点同时、同速率达到相同的峰值温度,以保证所有零件在炉内经历相同的环境。


回焊的峰值温度,通常取决于焊料的熔点温度及组装零件所能承受的温度。一般的峰值温度应该比锡膏的正常熔点温度要高出约25~30°C,才能顺利的完成焊接作业。如果低于此温度,则极有可能会造成冷焊与润湿不良的缺点。


冷却区 (Cooling zon)

e)

在回焊区之后,产品冷却,固化焊点,将为后面装配的工序准备。控制冷却速度也是关键的,冷却太快可能损坏装配,冷却太慢将增加TAL,可能造成脆弱的焊点。

一般认为冷却区应迅速降温使焊料凝固。迅速冷却也可以得到较细的合晶结构,提高焊点的强度,使焊点光亮,表面连续并呈弯月面状,但缺点就是较容易生成孔洞,因为有些气体来不及逃逸。


相反的,在熔点以上缓慢的冷却则容易导致过量的介金属化合物(IMC)产生及较大的合晶颗粒,降低抗疲劳强度。采用比较快的冷却速率可以有效吓阻介金属化合物的生成。


在加速冷却速度的同时须注意到零件耐冲击的能力,一般的电容所容许的最大冷却速率大约是4°C/sec。过快的冷却速率很可能会引起应力影响而产生龟裂(Crack)。也可能引起焊垫与PCB或焊垫与焊点的剥离,这是由于零件、焊料、与焊点各拥有不同的热膨胀系数及收缩率的结果。一般建议的降温速度为2~5°C/s之间。


助焊剂中的溶剂或是水气快速氧化,且在焊料固化前未实时逸出所致。


文章来源于:SMT工程师之家    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

相关文章

    无法完全与连接盘表面的氧化物反应。 4、再流温度曲线流焊峰值温度和液相 线以上时间(TAL)被认为是再流焊温度曲线中 影响......
    设定与测量 温度曲线是回流焊工艺的核心参数之一。温度曲线的设置应根据焊膏的特性和PCB板的材质进行调整。通常情况下,温度曲线包括预热区、均热区、回流区和冷却区四个部分。预热区用于使PCB板和焊膏预热至一定温度......
    使用介绍 OvenRider 仪器主要用于测试回流焊设备的性能,包括但不限于以下方面: 1. 温度曲线:测量回流焊过程中电路板上各个点的温度变化,以确保温度分布均匀,符合......
    也被称为短路,即锡球与锡球在焊接过程中发生短接,导致两个焊盘相连,造成短路。 解决办法:工厂调整温度曲线,减小回流气压,提高......
    设定的问题。 电路板组装的回流焊温度曲线 (reflow profile) 共包括了预热 (pre-heat) 、吸热......
    已焊组件。 需要明白的是,不管再流焊采用的基本热传递概念是什么,BGA元器件下焊球主要是通过互连基 板的热传导受热的,其说明如图3所示。 最佳再流焊温度曲线温度vs......
    表2 ⽆铅组件的维修⼯艺温度曲线流焊温度曲线中应保证助焊剂有充足的时间 以清洁焊球和连接盘。助焊剂应在120-150°C......
    标准中根据封装含锡铅和无铅来分类,目前绝大封装都是无铅封装,如图9中红色方框所示来定义回流焊工艺要求,右图为图形化来显示焊接温度曲线,主要是要求单管封装从预热区域从Tsmin到Tsmax,升温区从Tl......
    SMT工艺流程与要求~(2024-10-28 19:08:07)
    是英文Reflow Soldring的直译,是通过熔化电路板焊盘上的锡膏,实现表面组装元器件焊端与PCB焊盘之间机械与电气连接,形成电气回路。 回流焊作为SMT生产中的关键工序,合理的温度曲线设置是保证回流焊......
    质量、贴片精度和回流焊温度曲线的合理性。 4.散热处理 部分封装类型(如BGA)在焊接过程中会产生较高的热量,可能导致焊点脱落或元件损坏。因此,在......

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>