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SMT回流焊接工艺基本原理

返回列表 来源:未知 浏览: 发布日期:2019-12-22 13:06:12【

  回顾SMT工艺,首先上PCB板,然后经过锡膏印刷工艺,SPI检验,贴片机封装电器元器件,最后在回流焊接炉中将电器元器件通过锡膏与PCB进行焊接。本篇主要学习回流焊接的主要原理。

  回流焊接主要经过4个温度区域:预热区、恒温区、焊接区、冷却区。

  

  预热区:回流焊预热区目的是把锡膏中较低熔点的溶剂挥发走

  刷锡膏后的PCB进入预热区时,大家知道锡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,溶剂的作用主要作为松香的载体和保证锡膏的储藏时间。预热区需把过多的溶剂挥发掉,同时,焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚,焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘,将焊盘、元器件引脚与氧气隔离。

  预热是为了使焊膏活性化,避免浸锡时进行急剧高温加热引起部品不良所进行的加热行为,另一个原因是太高的升温速度会造成锡膏的塌陷,引起短路的危险,尤其对助焊剂含量较高(达10%)的锡膏。该区域的目标是把室温的PCB尽快加热,但升温速率要控制在适当范围以内,如果过快,会产生热冲击,电路板和元件都可能受损,过慢,则溶剂挥发不充分,影响焊接质量。由于加热速度较快,在温区的后段回流焊炉膛内的温差较大。为防止热冲击对元件的损伤,一般规定大升温速度为4℃/S,通常上升速率设定为1~3℃/S。

  恒温区:恒温阶段的主要目的是使回流焊炉膛内各元件的温度趋于稳定,尽量减少温差。

  PCB进入恒温区时,使PCB和元器件得到充分的预热,以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件。在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件,并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。回流焊恒温区通常是60至120秒的曝光,用于去除焊膏挥发物和助焊剂的活化,其中助焊剂组开始在元件引线和焊盘上氧化还原。过高的温度会导致焊料飞溅或成球,以及焊膏附着焊盘和元件终端的氧化。同样,如果温度太低,助焊剂可能无法完全激活。应注意的是SMA上所有元件在这段结束时应具有相同的温度,否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。

  焊接区:将电子元器件通过锡膏和PCB焊接在一起

  当PCB进入焊接区时,温度迅速上升使焊膏达到熔化状态,液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点。

  当PCB进入回流区时,温度迅速上升使焊膏达到熔化状态。有铅焊膏63sn37pb的熔点是183℃,铅焊膏96.5Sn3Ag0.5Cu的熔点是217℃。在这区域里加热器的温度设置得高,使组件的温度快速上升峰值温度。再流焊曲线的峰值温度通常是由焊锡的熔点温度、组装基板和元件的耐热温度决定的。在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同,一般铅膏温度在230~250℃,有铅在210~230℃。峰值温度过低易产生冷接点及润湿不够;过高则环氧树脂基板和塑胶部分焦化和脱层易发生,而且过量的共晶金属化合物将形成,并导致脆的焊接点,影响焊接强度。

  在回流焊接区要特别注意再流时间不要过长,以防对回流焊炉膛有损伤会对电子元器件造成功能不良或造成线路板被烤焦等不良影响

  冷却区:使焊点凝固,此时完成了回流焊。

  在此阶段,温度冷却到固相温度以下,使焊点凝固。冷却速率将对焊点的强度产生影响。冷却速率过慢,将导致过量共晶金属化合物产生,以及在焊接点处易发生大的晶粒结构,使焊接点强度变低,冷却区降温速率般在4℃/S左右,冷却75℃即可。

  以上,我们了解了回流焊接的基本工艺步骤。总结下,其实SMT回流焊接的基本原理比较简单,它首先对PCB板的表面贴装元件(SMD)焊盘印刷锡膏,然后通过自动贴片机把SMD贴放到预先印制好锡膏的焊盘上。最后,通过SMT回流焊接炉,在回流焊炉中逐渐加热,把锡膏融化,称为回流(Reflow),接着,把PCB板冷却,焊锡凝固,把元件和焊盘牢固地焊接到一起。

  在SMT回流焊接中,焊盘和元件管脚都不融化。这是SMT回流焊(Reflow Soldering)与金属融焊(Welding)的不同。深入的了解SMT回流焊就必须从焊锡膏的作用原理和焊接过程中发生的物理化学变化入手。锡膏的成分主要锡铅合金的粉末和助焊剂混合而成。在受热的条件下,融化的焊锡材料中的锡原子和焊盘或焊接元件(主要成分是铜原子)的接触界面原子相互扩散,形成金属间化合物(IMC),首先形成的Cu6Sn5,称n-phase,它是形成焊接力的关键连接层,只有形成了 n-phase,才表示有真正的可靠焊接。随着时间的推移,在n-phase和铜层之间中会继续生成Cu3Sn,称为∈-phase,它将减弱焊接力量和减低长期可靠性。

  电子扫描显微镜显示的Cu-Sn IMC 金属间化合物是焊点强度的关键因素,因此许多人员专门研究金属间化合物的变化对焊点的长期可靠性带来的影响。为了保护焊盘或元件管脚的可焊性,一般它们表面都镀有锡铅合金层或有机保护层。对非铜的金属材料的管脚一般在管脚镀层和金属之间加有镀镍层作为阻断层防止金属扩散。这个镍镀层还用来阻挡与焊锡不可焊或不相容的金属与焊锡层的接触。