投稿指南 投放广告 新版公测
热门: 5G 汽车电子 物联网
技术前沿
论SMT回流焊温度的标准测量方法
录入时间:2020/1/7 11:18:44
董法武  彭西密 
(东莞新技电子有限公司, 广东东莞  523533 ) 
摘要:SMT 制造技术,是 PCBA制造行业最为重要的龙头技术,SMT的主体的工程分为印刷、贴片、回流焊接、自动插入等,其中回流焊接工程与印刷工程并称为 SMT 最重要的关键工程,而回流焊接温度测量,是回流焊工程的核心部分,本文结合回流炉的结构、测量用的热电偶线工作原理分析,对影响温度测量的因素进行研究、验证,最终得出温度测量的标准方法。 
关键词:回流炉、测温板、热电偶线、测量接点、BGA 元件 
PCBA 制造行业的技术日新月异,PCB板由最早的单层板变成多层板,且电路线的也变成超细、超密的布板结构,由此带来电子元器件的变革,由前期的体积大、结构简单,演变成微体积、集成性结构的高精密元件,对焊接环境的要求也越来越严。特别是细间距的BGA封装及 QPN封装的底部焊接元器件,对焊接温度的敏感性较高。因此,作为 PCBA 制造业的重要的源头工艺之一的SMT 回流焊接工艺,温度采集的真实有效性,将直接影响产品的可靠性。 
1 SMT制造工艺流程及回流焊的作用 
1.1 制造工艺 
SMT 的制造工艺根据产品的结构及难易度,分有多种工艺,但都是围绕基本的制造工艺展开,基本的 SMT 制造工艺,主要是从 PCB 裸板投入开始,通过锡膏将电子元器件与 PCB 的 PAD(PCB 上留有沉铜或镀锡的裸铜部分,俗称焊盘)连接,实现产品功能,如下图1:
图 1:基本 SMT 制造工艺
1.2 回流焊的作用 
回流焊也称再流焊,其作用就是回流炉所产生的热量,通过回流上下温区的风机,将热量对向传导(专业术语称热风回流),并作用于锡膏,当温度达到锡膏溶点后,锡膏溶化,将电子元器件与 PAD 焊接在一起。因此,回流焊的温度控制,是直接影响产品品质及可靠性的主要因素之一。
2 回流焊工程问题描述 
回流焊作为 SMT产品品质主要的控制点,其管制重点,就是如何能正确、有效采集到目标元件的真实温度,以评估产品焊接是否符合品质要求,目前常见问题: 
1) 测温板的测量点部位没有标准,采集温度不够全面
2) 热电偶线接点没有标准,接点较为随意,影响温度采集的真实性;
由于结构复杂、元件精密的产品对温度特别敏感,当测温标本的接点有问题,造成温度不真实,产品回流焊接将受到影响,带来极大的品质隐患!
3 测温板的测量点选取 
测温板的测量点选取标准,主要包括测量部位与测量的元器件: 
3.1 测量部位选取 
根据回流炉的结构,即热风分布情况来决定选取,一般来说,靠回流炉的两侧边温度较低,中间部位相对较高,为了能客观地测量到产品各个部位温度的真实情况,选点一般选四周加中央部位,如下图 2:
图 2:温度测量标本测量点位置分布图
3.2  测温板的测量元件选择优先原则:
1) BGA、QFN等重要元件---底部焊接元件,对温度需求敏感;
2) 弱耐热元件(如电解电容表面等等)---温度超过耐热值会损坏元件
3) 吸热量大元件(大电感等等)---温度不足会出现冷焊现象
4) 吸热量大元件周边元件---可能会受吸热量大的元件的影响
4.热电偶线的工作原理及接点方法
4.1  热电偶线的工作原理 
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,即由热能转换成电能。
图3:热电偶工作原理图
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿 端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。 
图 4:测温仪、热电偶线与测温板的工作组合
4.2  热电偶线的构成 
由于热电偶线的两根导体的材料不同,恒定条件下,会存在温度差,因此,影响温度测量的因素与长度、大小无关,只与导体材料本身及两端温差有关!
图 5:热电偶线是由两根不同材质的导体构成 
4.3  热电偶线的类型 
标准化热电偶中国从 1988 年 1 月 1 日起,热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、 J、T 七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。 
图 6:热电偶线类型 
4.4  热电偶线的选用标准 
使用温度在1300~1800℃,要求精度又比较高时,一般选用B型热电偶;要求精度不高,气氛又允许可用钨铼热电偶,高于1800℃一般选用钨铼热电偶;使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶;在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶,低于400℃一般用E型热电偶;250℃下以及负温测量一般用T型电偶,在低温时T型热电偶稳定而且精度高。 
目前PCBA行业,一般都先择K型或N型热电偶线。 
4.5  热电偶线的接点误区 
根据热电偶线工作原理,即通过测量工作端(闭合点)采集到的热量,因此,测试时,闭合点必须无限接近被测目标物体。 但通常作业人员在接测量点时,会犯如下错误:
图 7:热电偶线闭合点的外延端过长,而实际测量的点是闭合点,温度失真 
造成接点错误的原因,主要是热电偶线的闭合接触点的形成,接触点的外延部分太长,实际上温度采集的点是闭合点,所以温度会失真。而对于作业员业讲,外延部分越长,则有利于与目标物体连接,在没有标准要求的情况下,当然以便利作业为优先。 
而这也不能让作业员负担责任,因为在此之前,没有明确的标准及要求,热电偶线与目标物体连接好就可以的误区一直都存在,这就是为什么要建立标准的原因,要让全员规范化作业的重要性!
4.6  热电偶线的工作端(闭合点)的标准 
考虑到闭合点的形成时,要牢固、导线不分开,因此,接触点外延部分的存在是避不可少,只能要求接近闭合部位,以减小温差。 
要求标准是:紧密缠绕 3 圈以内:
图 8:热电偶线闭合点标准 
4.7  热电偶线的正确接点方法 
测温板的测温部位,根据不同元件封装,选定的部位与接点的方法有所不同,主要分三种形式:表面接点、底部接点、电极部(元件引脚)接点。 
1)元件表面接法:
一般主要是针对异型封装、表面弱耐热的元件,要求测试点紧贴元件表面,之后用胶固定(一般采用 SMT贴片红胶),牢固、不脱离即可。
图 9:元件表面接法
2)元件底部标准接法:
一般主要是针对 BGA、QFN 等封装元件,要求测试点接触到底部焊球或焊盘,之后采用灌胶填充的方式固定测量点,要求测量点与被测目标充分接触,牢固、不松动、不脱离。
图 10:元件底部接法
3)元件电极部接法:
针对翼型引脚及 CHIP 元件封装,要求测试点紧贴元件电极部分,用锡线连接后,用胶固定(一般采用 SMT 贴片红胶),要求贴电极部位,牢固、不脱离即可。
图 11:元件电极部接法
5.实验验证 
为了进一步证明失效的接点与标准接点之间存在温度差异,特进行实验验证。特别说明,因元件表面接点较为简单,影响较小,且没有直接作用于锡膏焊接,故未纳入此次实验。
5.1  失效的定义:闭合点未有效连接测量目标 
元件底部失效接法:
图 12:元件底部失效接法
元件电极部失效接法:
图 13:元件电极部失效接法
5.2  实验方法及条件:
1) 几种元件类型的正确接点方法与错误接点方法对比
2) BGA 封装同一元件有效接点与无效接点方式接点对比
3) 实验接点选取:BGA 封装、翼型封装CN 元件、热容量大 L 元件
4) 同一实验温度设定条件一致
5) 所有实验接点同一人操作
6) 所有实验用的温度测试仪用同一台(设备编号:Q-S-2646)
5.3  元件底部接法实验结果
图 14:元件底部接法实验结果
图 15:元件底部接法实验结果对比
结论:
1) 热电偶线的闭合点才是真正的温度采集点
2) 有效点与失效点之间温差在 3 ℃左右,对于精密、复杂产品有影响焊接质量的隐患,可能会带来假焊、焊点寿命等焊接可靠性问题。
5.4  元件电极部接法实验结果
图 16:正常接点实验结果
图 17:异常接点实验结果
图 18:元件电极部失效接法对比
图 19:实验结果温度差异
结论:实际验结果证明,异常接点对热容量大的元件,温度采集影响较大,由此可能会带来如冷焊、焊接点异常等不良 
实验结果汇总:
图 20:实验结论及风险
 
6.总结与建议 
综上所述,回流测温板的接点不效性,对热容量大元件及 BGA 等精密底部焊接元件的温度真实性影响大,因此,测温板作成时,要充分考虑回流炉的热风对流特征,结合发热温区的结构,选定测温点的位置、选取正确的测温目标元件。同时,要掌握热电偶线的工作原理及类型,正确选用,重中之重是管控热电偶线闭合点,与测量目标点的连接是否处于有效部位。这些要点都考虑到,并确实执行到位,才能确保测量的温度是真实有效的,才能确保产品的焊接可靠性! 
 
参考文献: 
[1]袁媛,浅谈热电偶的基本原理,江苏现代计量,2014 年 07 期
作者简介: 
董法武(1980—),男,工程师,专科,主要从PCBA 制造工作。 

上一篇:SMT静电放电(ESD)的制程控... 下一篇:焊接中的缺陷与可靠性

《SMT China 表面组装技术》官方微信服务号

SbSTC服务号

actSMTC订阅号
版权声明:
《SMT China 表面组装技术》网站的一切内容及解释权皆归《SMT China 表面组装技术》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《SMT China 表面组装技术》杂志社。

        

2019 LEAP Expo 视频专访


 
 
 
 
友情链接

SMT China

洁净室

激光世界

微波杂志

视觉系统设计

化合物半导体

工业激光应用

半导体芯科技

  首页 | 关于我们 | 联络我们
Copyright© 2020: 《SMT China 表面组装技术》; All Rights Reserved.
请用 Microsoft Internet Explorer 6.0 或以上版本。
Please use Microsoft Internet Explorer 6.0 or higher version.
备案序号:粤ICP备12025165号