许多旧式的炉倾向于以不同速率来加热一个装配上的不同零件,取决于回流焊接的零件和线路板层的颜色和质地。一个装配上的某些区域可以达到比其它区域高得多的温度,这个温度变化叫做装配的D T。如果D T大,装配的有些区域可能吸收过多热量,而另一些区域则热量不够。这可能引起许多焊接缺陷,包括焊锡球、不熔湿、损坏元件、空洞和烧焦的残留物。
为什么和什么时候保温
保温区的唯一目的是减少或消除大的D T。保温应该在装配达到焊锡回流温度之前,把装配上所有零件的温度达到均衡,使得所有的零件同时回流。由于保温区是没有必要的,因此温度曲线可以改成线性的升温-到-回流(RTS)的回流温度曲线。
应该注意到,保温区一般是不需要用来激化锡膏中的助焊剂化学成分。这是工业中的一个普遍的错误概念,应予纠正。当使用线性的RTS温度曲线时,大多数锡膏的化学成分都显示充分的湿润活性。事实上,使用
RTS温度曲线一般都会改善湿润。
升温-保温-回流
升温-保温-回流(RSS)温度曲线可用于RMA或免洗化学成分,但一般不推荐用于水溶化学成分,因为RSS保温区可能过早地破坏锡膏活性剂,造成不充分的湿润。使用RSS温度曲线的唯一目的是消除或减少D T。
RSS温度曲线开始以一个陡坡温升,在90秒的目标时间内大约150°C,最大速率可达2~3°C。随后,在150~170°C之间,将装配板保温90秒钟;装配板在保温区结束时应该达到温度均衡。保温区之后,装配板进入回流区,在183°C以上回流时间为60(±15)秒钟。
整个温度曲线应该从45°C到峰值温度215(±5)°C持续3.5~4分钟。冷却速率应控制在每秒4°C。一般,较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊接点。可是,超过每秒4°C会造成温度冲击。
RTS温度曲线可用于任何化学成分或合金,为水溶锡膏和难于焊接的合金与零件所首选。
RTS温度曲线比RSS有几个优点。RTS一般得到更光亮的焊点,可焊性问题很少,因为在RTS温度曲线下回流的锡膏在预热阶段保持住其助焊剂载体。这也将更好地提高湿润性,因此,RTS应该用于难于湿润的合金和零件。
因为RTS曲线的升温速率是如此受控的,所以很少机会造成焊接缺陷或温度冲击。另外,RTS曲线更经济,因为减少了炉前半部分的加热能量。此外,排除RTS的故障相对比较简单,有排除RSS曲线故障经验的操作员应该没有困难来调节RTS曲线,以达到优化的温度曲线效果。
RTS曲线简单地说就是一条从室温到回流峰值温度的温度渐升曲线,RTS曲线温升区其作用是装配的预热区,这里助焊剂被激化,挥发物被挥发,装配准备回流,并防止温度冲击。RTS曲线典型的升温速率为每秒0.6~1.8°C。升温的最初90秒钟应该尽可能保持线性。
设定RTS温度曲线
RTS曲线的升温基本原则是,曲线的三分之二在150°C以下。在这个温度后,大多数锡膏内的活性系统开始很快失效。因此,保持曲线的前段冷一些将活性剂保持时间长一些,其结果是良好的湿润和光亮的焊接点。
RTS曲线回流区是装配达到焊锡回流温度的阶段。在达到150°C之后,峰值温度应尽快地达到,峰值温度应控制在215(±5)°C,液化居留时间为60(±15)秒钟。液化之上的这个时间将减少助焊剂受夹和空洞,增加拉伸强度。和RSS一样,RTS曲线长度也应该是从室温到峰值温度最大3.5~4分钟,冷却速率控制在每秒4°C。
排除RSS和RTS曲线的故障,原则是相同的:按需要,调节温度和曲线温度的时间,以达到优化的结果。时常,这要求试验和出错,略增加或减少温度,观察结果。以下是使用RTS曲线遇见的普遍回流问题,以及解决办法。
焊锡球
许多细小的焊锡球镶陷在回流后助焊剂残留的周边上。在RTS曲线上,这个通常是升温速率太慢的结果,由于助焊剂载体在回流之前烧完,发生金属氧化。这个问题一般可通过曲线温升速率略微提高达到解决。焊锡球也可能是温升速率太快的结果,但是,这对RTS曲线不大可能,因为其相对较慢、较平稳的温升。
经常与焊锡球混淆,焊锡珠是一颗或一些大的焊锡球,通常落在片状电容和电阻周围。虽然这常常是丝印时锡膏过量堆积的结果,但有时可以调节温度曲线解决。和焊锡球一样,在RTS曲线上产生的焊锡珠通常是升温速率太慢的结果。这种情况下,慢的升温速率引起毛细管作用,将未回流的锡膏从焊锡堆积处吸到元件下面。回流期间,这些锡膏形成锡珠,由于焊锡表面张力将元件拉向机板,而被挤出到元件边。和焊锡球一样,焊锡珠的解决办法也是提高升温速率,直到问题解决。
熔湿性差
熔湿性差经常是时间与温度比率的结果。锡膏内的活性剂由有机酸组成,随时间和温度而退化。如果曲线太长,焊接点的熔湿可能受损害。因为使用RTS曲线,锡膏活性剂通常维持时间较长,因此熔湿性差比RSS较不易发生。如果RTS还出现熔湿性差,应采取步骤以保证曲线的前面三分之二发生在150°C之下。这将延长锡膏活性剂的寿命,结果改善熔湿性。
焊锡不足
焊锡不足通常是不均匀加热或过快加热的结果,使得元件引脚太热,焊锡吸上引脚。回流后引脚看到去锡变厚,焊盘上将出现少锡。减低加热速率或保证装配的均匀受热将有助于防止该缺陷。
墓碑
墓碑通常是不相等的熔湿力的结果,使得回流后元件在一端上站起来。一般,加热越慢,板越平稳,越少发生。降低装配通过183°C的温升速率将有助于校正这个缺陷。空洞
空洞是锡点的X光或截面检查通常所发现的缺陷。空洞是锡点内的微小“气泡” ,可能是被夹住的空气或助焊剂。空洞一般由三个曲线错误所引起:不够峰值温度;回流时间不够;升温阶段温度过高。由于RTS曲线升温速率是严密控制的,空洞通常是第一或第二个错误的结果,造成没挥发的助焊剂被夹住在锡点内。这种情况下,为了避免空洞的产生,应在空洞发生的点测量温度曲线,适当调整直到问题解决。
无光泽、颗粒状焊点
一个相对普遍的回流焊缺陷是无光泽、颗粒状焊点。这个缺陷可能只是美观上的,但也可能是不牢固焊点的征兆。在RTS曲线内改正这个缺陷,应该将回流前两个区的温度减少5°C;峰值温度提高5°C。如果这样还不行,那么,应继续这样调节温度直到达到希望的结果。这些调节将延长锡膏活性剂寿命,减少锡膏的氧化暴露,改善熔湿能力。烧焦的残留物
烧焦的残留物,虽然不一定是功能缺陷,但可能在使用RTS温度曲线时遇见。为了纠正该缺陷,回流区的时间和温度要减少,通常5°C。
结论
RTS温度曲线不是适于每一个回流焊接问题的万灵药,也不能用于所有的炉或所有的装配。可是,采用RTS温度曲线可以减少能源成本、增加效率、减少焊接缺陷、改善熔湿性能和简化回流工序。这并不是说RSS温度曲线已变得过时,或者RTS曲线不能用于旧式的炉。无论如何,工程师应该知道还有更好的回流温度曲线可以利用。
注:所有温度曲线都是使用Sn63/Pb37合金,183°C的共晶熔点。
群焊的温度曲线
作温度曲线是一个很好的直观化方法,保持对回流焊接或波峰焊接工艺过程的跟踪。通过绘制当印刷电路装配(PCA)穿过炉子时的时间温度曲线,可以计算在任何给定时间所吸收的热量。只有当所有涉及的零件在正确的时间暴露给正确的热量时,才可以使群焊达到完善。这不是一个容易达到的目标,因为零件经常有不同的热容量,并在不同的时间达到所希望的温度。
经常我们看到在一个PCA上不只一种大小的焊点,同一个温度曲线要熔化不同数量的焊锡。需要考虑PCA的定位与方向、热源位置与设备内均匀的空气循环,以给焊接点输送正确的热量。许多人从经验中了解到,大型元件底部与PCA其它位置的温度差别是不容忽视的。
为什么得到正确的热量是如此重要呢?当焊接点不得到足够的热量,助焊剂可能不完全激化,焊接合金可能未完全熔化。在最终产品检查中,可能观察到冷焊点(cold solder)、元件竖立(tomb-stoning)、不湿润(non-wetting)、锡球/飞溅(solder ball/ splash)等结果。另一方面,如果吸收太多热量,元件或板可能被损坏。最终结果可能是元件爆裂或PCB翘曲,同时不能经受对长期的产品可靠性的影响。
对于波峰焊接,装配已经部分地安装了回流焊接的表面贴装元件。已回流的焊接点可能回到一个液化阶段,降低固态焊点的位置精度。
除了热的数量之外,加热时间也是重要的。PCA温度必须以预先决定的速率从室温提高到液化温度,而不能给装配带来严重的温度冲击。这个预热,或升温阶段也将在助焊剂完全被激化之前让其中的溶剂蒸发。重要的是要保证,装配上的所有零件在上升到焊接合金液化温度之前,以最大的预热温度达到温度平衡。这个预热有时叫作“驻留时间”或“保温时间”。
对于蒸发锡膏内的挥发性成分和激化助焊剂是重要的。在达到液化温度之后,装配应该有足够的时间停留在该温度之上,以保证装配的所有区域都达到液化温度,适当地形成焊接点。如果在装配中有表面贴装胶要固化,固化时间和温度必须与焊接温度曲线协调。
在焊接点形成之后,装配必须从液化温度冷却超过150°C到室温。同样,这必须一预先确定的速度来完成,以避免温度冲击。稳定的降温将给足够的时间让熔化的焊锡固化。这也将避免由于元件与PCB之间的温度膨胀系数(CTE)不同所产生的力对新形成的焊接点损坏。