回流焊(Reflow Soldering)是现在SMT(表面贴装技术)生产线上的核心工艺,贴片好元件的PCB经过这条炉子走一圈,所有的贴片元件就焊上去了。回流焊的效果好不好,关键在于温度曲线——PCB在炉子里经历的温度变化过程。温度曲线调得好,焊出来的焊点饱满、无虚焊、无连锡,一次过检测;调不好,各种焊接缺陷层出不穷,返修成本高。
先了解一下回流焊炉的基本结构。现在主流的回流焊炉是热风无铅回流焊,按照温区数量分有4温区、6温区、8温区、10温区甚至更多温区的炉子,温区越多控制越精细。一个标准的回流焊温度曲线一般分为四个阶段:预热区、助焊剂活化区、回流区、冷却区。每个阶段的温度和时间都有严格的要求,直接影响焊接质量。
预热区是PCB进炉子的第一个阶段,温度从室温升到150°C到180°C之间。这个阶段的主要作用是让PCB和元件缓慢升温,避免热冲击,同时让焊膏里的助焊剂慢慢挥发。预热的升温速率不能太快,一般要求每秒不超过3°C,太快的话PCB可能变形,元件可能受热损坏(比如电解电容的电解液会沸腾溢出)。预热区的时间大概在60秒到120秒之间。
助焊剂活化区(也叫干燥区)温度保持在150°C到200°C之间,这个温度范围是助焊剂最活跃的区间。助焊剂的作用是清除焊盘和元件引脚上的氧化层,让焊锡在高温下能更好地润湿金属表面。活化时间太短,氧化层没清干净,容易出现虚焊;活化时间太长,助焊剂过度挥发,焊接时就没有足够的保护气氛,容易产生焊球和氧化。这个阶段一般保持60秒到90秒。
回流区是整个温度曲线的核心,温度从200°C升到峰值温度然后再降下来。锡膏的熔点一般在217°C左右(无铅焊料SAC305),所以峰值温度必须高于熔点至少10°C到20°C,一般设为230°C到250°C。这个阶段的升温速率和降温速率也很关键,要求升温和降温都比较平缓,不能太快,不然会产生应力导致PCB变形或元件引脚断裂。回流时间(温度高于熔点的时间)一般控制在30秒到60秒之间,太短焊锡没充分熔化,太长可能烧坏元件。
冷却区让PCB从回流峰值温度快速降下来。冷却越快越好,快速冷却能让焊点的金属间化合物(IMC)薄而均匀,焊点可靠性高。冷却后的PCB温度最好能降到100°C以下再出炉,避免操作员被烫伤,也避免刚出炉的热PCB被氧化。现在的回流焊炉一般带强制风冷功能,有的还用氮气保护,冷却效果更好。
调温度曲线不是凭空设定的,要根据三个因素来定:炉子的参数、PCB板的大小和厚度、元件的热容量。炉子的功率、温区长度、传送带速度都会影响温度曲线。大块PCB和小块PCB的热容量不一样,升温速度和峰值温度也需要分别设置。有大尺寸元件(比如大电解电容、连接器)的板,大元件的温度可能比焊盘低,要确保大元件也能达到足够的温度让焊锡熔化。
测温度曲线要用专门的测温仪,叫炉温测试仪(Temperature Profiler),常见的有KIC、Datapaq、SMTmax这些品牌。使用时把测温探头贴在PCB的几个关键位置(板中心、板四角、大元件引脚附近),随PCB一起进炉子,出来后就能看到这些点的实际温度曲线。理想情况下,不同位置的温度曲线应该尽量一致,温差越小越好。如果某个位置温度明显偏低或偏高,就要调整对应温区的温度设定。
常见的回流焊缺陷和对应的温度曲线问题:虚焊多半是回流温度不够或者助焊剂没起作用,可以适当提高峰值温度或延长活化区时间;连锡(桥接)多半是升温太快或助焊剂不够,可以降低预热升温速率、延长活化区时间或者降低峰值温度;焊珠多半是预热不充分或冷却太慢,焊锡还没凝固就被移动了,要改善预热和冷却;墓碑(元件一端立起来)多半是回流温度不均匀,一端先焊上了把元件拉起来了,要优化温度曲线让元件两端受热均匀。
无铅回流焊比有铅的温度要高10°C到20°C,对工艺控制的要求也更高。现在国内生产线基本都改成无铅了,用SAC305焊料(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)。无铅焊接的温度窗口比有铅的窄,助焊剂更容易失效,所以温度曲线的调优更重要,测温的频率也要更高,建议每生产几小时就测一次温度曲线,确保工艺稳定。
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