SMT回流焊接技术及应用解析.ppt
SMT回流焊接技术及应用,内部培训资料 生产设备部 2014年7月编制,内容提要,回流焊接技术基础介绍回流焊接工艺分析回流焊接质量判定回流焊接缺陷分析,SMT 工艺流程,一、单面加工工艺：丝印焊膏(红胶)=贴片=回流焊接(固化)=检测=返修 二、双面加工工艺；PCB的A面丝印焊膏=贴片=回流焊接=PCB的B面丝印焊膏(红胶)=贴片=回流焊接(固化)=检测(AOI,ICT,FCT)=返修 在有THT插件工艺的PCB中应在完成THT工艺后进行检测及返修。,SMT 生产线配置,Screen Printer,Component Mounter,Reflow Oven,AOI,回流焊接的定义,在电子板组装焊接技术中存在两大类别。一是单流焊接工艺技术（Flow Soldering Process）另一就是回流或再流焊接工艺技术（Reflow Soldering Process）。这两大类技术的主要差别在于焊接过程中的焊料和形成焊点的热能是否分开或同时出现。在单流焊接中，焊料和热能是同时加在焊点上的，例如手工锡丝焊接和波峰焊接就是属于这种分类。而在回流焊接中，焊料（一般是锡膏）却是和热能（如回流炉子的热风）在不同的工序中加入的。,回流焊接技术的种类,回流焊接工艺的种类比起单流焊接工艺种类的多，而且各有其能力上的优点和相对的应用范围。按照热的传递方式分类：传导类：热板技术，热压技术；辐射类：发热光（白光）技术，激光技术，红外线技术；对流类：热风/热气技术；特别焊接技术：电感发热技术，火炬技术。热风回流设备是目前绝大多数用户使用的回流炉。,回流焊接设备介绍,与锡膏印刷机以及贴片机连线的大型回流焊接炉，原有辐射加热和对流加热两大类，现辐射加热已基本淘汰。目前热风回流技术成为主流技术。其实热风技术和较前的辐射技术比较下具有好些弱点。例如加热效率和速度较差，重复性较低，设备成本较高等问题。但它由于在温度均衡性的控制以及超温限制能力较强的关系，尤其是前者，它是焊接工艺中一个十分关键的要求。辐射技术难以确保温差最小的需求。一台热风回流炉的性能，在很大程度上是决定于该炉子对气流的控制设计以及温度控制设计来决定。空气流动的控制是个高难度的技术，尤其是要对像PCBA上那样密度高，距离小，体积细小而又有不同热容量特性的焊点进行良好的温控，可以说是很不容易的工作，必须对炉子进行加热性能方面的测试。,设备介绍,名 称：回流焊装置 型 号：1809MKIII厂 家：HELLER控制编号：E003,1809MKIII 的操作界面,回流焊炉的组成,一台典型的热风回流炉，包括以下4个主要部分：PCBA传送控制；加热控制；冷却控制；排气处理。前3者的作用在于提供工艺（温度/时间曲线控制）的需求，第4项则是确保性能的维护，以及避免操作使用者受到健康方面的危害。,锡膏回流基本工艺过程,升温恒温（也称预热或挥发）助焊焊接冷却,整个回流焊接过程可以分5个工序：,工艺分区,升温 升温目的是在不损害产品的情况下，尽快使PCBA上的各点的温度进入工作状态。所谓工作状态，即开始对无助于焊接的锡膏成份进行挥发处理。,恒温 具有三方面的作用：一是恒温，就是提供足够的时间让冷点的温度追上热点，当焊点的温度越接近热风温度时，其升温速率就越慢。使热冷点温度接近的目的，是为了减少进入助焊和焊接区时峰值温差的幅度，便于控制个焊点的质量和确保一致性。二是对锡膏中已经没有用的化学成份进行挥发处理。三是避免在进入下个回流工序高温时受到太大的热冲击。,助焊 助焊工序是锡膏中的活性材料（助焊剂）发挥作用的时候。此刻的温度和时间提供助焊剂清洗氧化物所需的活化条件。,焊接 当进入焊接区后，所提供的热量足以熔化锡膏的金属颗粒。一般器件焊端和PCB焊盘所使用的材料，其熔点都高于锡膏，所以本区的开始温度由锡膏特性决定。对无铅锡膏来说，此温度约为217oC，升温超过此温度后，温度继续上升，并保持足够的时间使熔化的锡膏有足够的润湿性，以及能够和各器件焊端以及PCB焊盘间形成适当的IMC(Intermetallic compound)为准。,冷却 最后的冷却区作用，除了使PCBA回到室温便于后工序的操作外，冷却速度也可以控制焊点内部的微结晶结构。这影响焊点的寿命。,无铅锡膏TF-2600(Sn96.5/Ag3/Cu0.5),回流焊接中的质量问题处理,在SMT应用中，产品的焊接质量可以定义为：在产品的设计使用条件下，满足一定程度的机械和电气性能。使用条件包括使用环境条件，产品的工作（通电）方式以及使用寿命等。由于检测技术手段，以及成本和知识等的限制，通常对于产品的寿命（可靠性）会较易忽略。焊接质量还分成焊点和非焊点质量。在回流焊接中，整个产品包括所有PCB上的器件和基板等材料都会经过高温焊炉，而不匹配的高温控制可能会对这些材料进行破坏，这就可能会出现非焊点质量。典型的非焊点质量问题如器件封装的爆裂或分层，材料熔化等等。,影响焊点质量的因素,外部因素：足够和良好的润湿；足够和良好的润湿，是让我们知道可焊性状况的重要指示。IMC形成的程度是决定焊点可靠性的关键。适当的焊点大小；焊点的大小，直接决定焊点的机械强度以及承受疲劳断裂和蠕变的能力。焊点的由焊盘形状及锡膏的印刷量决定。良好的外形轮廓。焊点的外形轮廓也很重要，影响焊点结构内部各部分所承受的应力。,内部因素：适当的金属间合金层；金属间合金IMC的形成状况，是决定焊点机械强度的关键。通过焊接工艺的控制，使IMC形成良好的厚度了。IMC未形成时我们称该焊点为虚焊，其结构是不坚固的。充实的焊点内部结构；在回流焊接工艺中，锡膏和PCB材料等会有发出气体的现象，焊点外观看来合格，其内部有可能出现一些大大小小的气孔，使焊点的可靠性受到威胁。焊点内部的微晶结构。焊点的微晶结构，受到加热温度、时间以及热冷速率的影响。不同粗细的结构也出现不同的抗疲劳能力。,焊点质量的判断方法,目前对焊点的质量判断一般只针对焊点质量的外部因素，包括：MVI（目视），AOI（自动光学检测），配合以ICT（在线电性测试）和FCT（功能测试）。前者属于外观检验，虽然可以检出部分工艺问题，但还不能覆盖所有的外观故障模式。能力较强的是使用显微镜人工目检的做法，但受到速度和成本的限制。AOI速度效率虽然较好，但检出率还不太理想。ICT和FCT属于电性检测而非工艺检测，工艺问题必须要严重到在功能失效时才能被检出。在内部结构因素上，这些常用的做法都缺乏检验能力。,影响焊接性能的因素,可制造性设计因素DFM(Design for manufacturability)钢网设计、焊盘设计、PCB布局设计材料因素 焊料（锡膏）、PCB基材、元器件 主要考虑材料的 可焊性、耐热性、库存寿命。设备因素 通过正确的操作和调整方法及保养维护，提供满足使用的性能指标,回流焊接的故障模式,回流焊接工序后通常进行目视检查，出现的故障模式实际上是包括回流和非回流工艺甚至包括线上和线外的因素造成的，若只针对回流焊接工艺，常见故障模式有下列几种：润湿不良或不足；虚焊/弱焊（包括因为热能不足造成的）；回流不足（焊料未全熔化）；少锡；桥接/短路/连锡；锡球/锡珠；器件的热损坏；焊点内出现气孔或真空孔；焊点粗糙；焊点表面出现裂痕或断裂；二次溶化（出现在混装工艺或双回流工艺上）。,回流焊接故障和温度曲线的关系,以上提到的5个回流焊接工序中，每一部分都有它的作用，而相关的故障模式也不同。比如第一个升温工序，如果设置不当造成的故障将可能是溅锡引起的焊球、材料受热冲击损坏等问题。第二段的恒温工序可能造成的问题却不尽相同，可能是热坍塌、连锡桥接、高残留物、焊球、润湿不良、气孔、立碑等等。在焊接过程中，炉子的特定温区负责处理曲线中的某一时间段或工序，但由于无法看到焊接的真正过程，而只能见到焊后的结果。如果要解决问题，必须要具备能够从故障模式推断出相关工艺工序的能力，即需要有很好的现象观察能力和对各种故障现象的原理有很具体的认识。,焊接缺陷及其解决措施,SMT技术中，几乎所有故障模式（包括焊接缺陷）都不是由单一因素造成的，需要把各种因素找出来并进行研究分析才能有效解决问题。以下对一些常见的实例进行分析。,锡球/锡珠,锡球的形成：回流焊接中出现的锡球，常藏于矩形片式元件两端之间的侧面或细距引脚之间。在元件贴装后，焊膏在片式元件的引脚与焊盘之间，随着印制板通过回流焊炉，焊膏进入熔融状态，如果与焊盘和器件引脚等润湿不良，液态焊锡会因收缩而使焊缝填充不充分，所有焊料颗粒不能聚合成一个焊点。部分液态焊锡会从焊缝流出，形成锡球。因此焊锡与焊盘和器件引脚润湿性差是导致锡球形成的根本原因。,焊接产生锡球的原因包括：锡膏印刷的厚度太高；焊点和元件重叠太多；钢网设计不合理，减锡工艺设计不当；元件贴装的压力太大；锡膏型号不匹配；锡膏成份失效；有湿气从元件或PCB中释放出来。,原因分析及解决措施：a)回流温度曲线设置不当。焊膏的回流遵从合适的温度与时间对应关系，预热区温度上升速度过快，达到平顶温度的时间过短，使焊膏内部的水分、溶剂未完全挥发出来，到达回流焊温区时，引起水分、溶剂沸腾，溅出焊锡球。实践证明，将预热区温度的上升速度控制在14C/s是较理想的。b)如果总在同一位置上出现焊球，也应检查非回流工艺因素设计。钢网的开孔形状及大小，印刷锡膏的质量是否轮廓清晰及厚度适中，有没有造成漏印或桥连或其它锡粉污染，因此应针对PCB焊盘的不同形状、大小和间距，使用合适的钢网模板，调整印刷机参数以保证锡膏的印刷质量。,c)如果PCB在锡膏印刷、贴片至进入回流焊前的时间过长，有可能令锡膏中焊料氧化，焊剂变质、活性降低，会导致焊膏回流能力降低，焊球则会产生。选用工作寿命长一些的焊膏，并尽量缩短单一产品的循环周期。d)另外，在锡膏印刷NG的PCB进行清洗时，由于清洗不充分，使锡膏残留于印制板表面及通孔中，这也是造成回流后小锡球产生的原因。应加强操作者操作规范要求。,立碑/侧立（曼哈顿现象）,矩形片式元件的一端焊接在焊盘上，而另一端则翘立的现象称为立碑。引起该现象主要原因是元件两端受热不均匀，锡膏熔化先后不对称所致。,原因分析及解决措施：元件贴装方向与受热温差的影响 片状元件以轴向方向进入回流焊时，由于元件两端引脚受热不均（可能是流入方向的先后、板材线路差异、热风对流差异等影响），元件的一端先进入回流状态，锡膏先熔化润湿，具有液态表面张力，而另一端未达到锡膏液相温度，只有焊剂的粘接力，该力小于再流焊焊膏的表面张力，而对于重量很轻的片状元件，该表面张力足以将元件拉起形成立碑，并保持在某一角度凝结冷却。通过提高预热区温度，使元件在进入回流前尽量保持较高热量，减少元件跨距的温度差异，使元件同步回流。在条件许可下也可以变换PCB的流水方向。,元件引脚润湿性的影响 若元件引脚存在氧化，则其润湿性将显著降低，在过回流焊中会出现润湿不良，严重时则会出现立碑现象，甚至对于重量较大的IC类元件，由于整排引脚的润湿不良，导致整个IC元件的一侧翘起。通过一定程度的提高回流焊工艺温度可以提高元件的润湿能力，但应注意高温界限。对于物料问题的定性需要审慎对待，因欠缺确切的检测手段，除非能明显判断，一般在排除其它工艺因素后才考虑物料因素。,焊盘设计质量的影响 若片式元件两端的焊盘大小不同或不对称，也会引起印刷的焊膏量不一致，焊盘对温度响应速度有差异焊膏熔化产生的表面张力也有差异，容易造成立碑现象。同时焊盘的宽度或间隙过大也可能会出现立碑现象。,元件贴装质量的影响 若片式元件贴装轴向偏移太大，元件两端覆盖焊盘大小严重不对称，一端引脚与焊盘接触太小而润湿不良，也容易造成立碑现象，对于润湿能力稍差的元件尤为明显。,桥接/短路/连锡,导致细间距元器件引脚桥接缺陷的主要因素有：印刷的锡膏成型轮廓不清晰，印刷偏位等；PCB上细间距元件贴装偏位；当锡球出现在细间距IC引脚也会诱发短路；不恰当的回流焊温度曲线设置等。因而应从丝印工艺、贴装工艺、回流焊工艺多方面的质量进行控制。,气孔/空洞,是指焊点中的氧体在硬化前未及时逸出所致，将使得焊点的强度不足，将衍生而致破裂。调整预热使尽量赶走锡膏中的气体；PCB在上线前进行烘烤处理；增加锡膏的粘度；增加锡膏中金属含量百分比。,冷焊（锡未熔）,原因分析：焊点发黑，焊膏未完全熔化。焊接温度太低，传送速度太快，印制板相隔太近。措施：严格按焊膏生产厂家提供的或经试验认可的的回流炉温度曲线焊接电路板；人工维修冷焊焊点或将电路板在正确的工艺下再回流一次。,多锡,焊点焊料过量原因分析：焊点焊料凸出，焊料高度超过了元件焊端厚度。焊膏印刷太厚。措施：改进焊膏印刷质量；人工去除焊点上多余的焊料。,润湿不良/虚焊,元件引脚未润湿原因分析：焊料能润湿焊盘，但不能润滑湿元件引脚，焊点表面没有弯月反射面，润湿角大于90度元件引脚氧化严重；元件引脚已被污染物污染。措施：保证元件可焊性；改善元件储运、使用条件，缩短储存时间；防止元件被异物污染；控制好元件入库质量；人工维修焊点。,少锡,少锡（芯吸）原因分析：焊点焊料不是集中在元件引线与焊盘接触的地方，而是集中在引线的上部，焊料没有润湿元件引线而引起的焊盘没有润湿。印制板可焊性差，焊盘和元件引线回流焊时温差大。措施：改善印制板可焊性；调整回流炉焊接工艺参数，充分预热印制板，缩小焊盘与元件引线之间的温差。,焊点或元件裂纹,原因分析：印制板变形、焊接热冲击元件；元件不良，耐热参数不符合要求。措施：印制板和元器件在贴装前进行干燥处理；避免印制板在运输、存放、安装中变形；防止元件在贴装中产生裂纹。,
