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建立温度曲线
  2020-12-22      117

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作者:Ray Prasad, RAY PRASAD咨询集团公司

为电子组件建立一条回流温度曲线就像是尝试着计算出用来烘烤火鸡、小鸡和龙虾的时间和温度(烘烤温度曲线),在同一台烘烤炉中使用相同的时长和温度来烤火鸡、小鸡和虾,既不会没有把火鸡烤熟,也不会把虾给烤糊了。不过,这两者的区别在于,对于电子产品,使用一条糟糕的回流温度曲线产生的后果,远要比因为火鸡没有烤熟或把虾烤过头而来吃饭的客人大失所望,要严重得多。

建立一条好的温度曲线的基本思路是确保所有的焊点都达到最低温度,成为好的焊点,但又不会超过最高温度,防止组件或焊点被损坏。这不是一件容易做的事情,尤其是当电路板上使用了尺寸和热质量不一样的元件,这类元件包括:BGA、插座、细间距元件、BTC元件和0402/0201元件,跟上面举的例子差不多。

好消息是,我们有工具、技术和工艺来解决建立温度曲线的挑战。我打算在这篇文章和后续几篇专栏文章中提供具体的指导方法和规则针对每一种产品建立独特的温度曲线,避免对元件和线路板造成任何损害和翘曲,尽可能减少与温度曲线有关的缺陷。说得更具体些,我将尽力做到以下内容:

a. 从总体上介绍各种不同类型的热温度曲线,它们的用途、关键要求,以及在建立热温度曲线中会遇到的的各种挑战。

b. 解释热温度曲线中的各个焊接区(例如预热区、吸热区、回流区和冷却区)的重要性,以及它们对焊接质量的影响。

c. 讨论在不同的焊接区怎么连接和在哪些地方连接热电偶来达到期望的焊接温度的细节。

d. 强调液相线以上时间(TAL)和真正的TAL之间的区别和重要性,以及它们对焊点质量的影响,特别是对形成枕头效应缺陷的影响。

e. 对最常用的无铅焊锡(SAC和低温焊锡)、锡铅和混合合金的热温度曲线提供具体建议。

f. 讨论在同一块电路板上不同类型的封装和合金冲突的热要求,并提出一些与温度曲线有关的缺陷的例子。

什么是热温度曲线?

对每一块装满元器件的印刷线路板的组装(PWBA)而言,热温度曲线是一种独特的温度与时间关系图,把热电偶贴附在用高温焊接的焊点、铜或铝带上,连接选定的代表元件,当电路板以确定的传送带速度移动,通过回流炉或焊接系统各个温区。这句话包含的信息量很大,但值得关注的是我下面提到的一些事情。

例如,你必须使用一块装满元器件的电路板,绝对不是一块空白的电路板或者是另一种可能看起来像电路板的东西,但装满元件的电路板的热质量分布要尽可能地接近你要分析的产品的热质量分布。你使用的热电偶要用铜胶带或铝胶带黏贴到高温焊接的焊点上,而不能用许多人使用的Kapton胶带。黏贴的位置通常是焊点本身(除非你是使用低Tg的PCB,这时要专门监视其他的点,例如温度敏感的元件体或裸电路板本身)。甚至热电偶导线长度(大约一米)和它们的厚度(大约36 gauge)也非常重要,这样,你才不会得到不正确的温度。

还有,你必须为每一个产品各自单独建立一条独特的温度曲线。一条温度曲线无法满足所有产品的要求,即使它们看起来很相似。原因很简单。每一个PWBA的热质量都是独一无二的。不同的电路板拥有不同的热质量,因为它们的层数不一样,接地层和电源层的数量和位置可能也不一样,它们的元件类型肯定也不一样。即使是同一块电路板,如果它的两个面上都有元件,就必须有两条温度曲线。例如,单面电路板需要的温度和传送带速度设置和两面都有元件的电路板的是不一样的。把单面电路板看成小鸡的话,更重的双面电路板就是火鸡。小鸡和火鸡需要的温度曲线差别非常大,才能避免小鸡被烘糊或火鸡烘没烤熟的情况。印刷电路板也一样。

什么样的温度曲线会造成误导?

没有正确建立的温度曲线是会造成误导。例如,使用空白电路板建立的温度曲线会造成误导。你必须使用装满元器件的电路板来建立温度曲线。如果没有实际的电路板和元件,或者负担不起相关的费用,使用废弃的裸电路板和模拟的元件或只要花很少的钱来模拟实际元件的热质量,也是一个好的开始。

用Kapton胶带黏贴热电偶得到的温度曲线会向你提供错误的温度,特别是他们在形成温度变化过程中很容易脱开。你必须使用高温焊锡或铜或铝胶带来黏贴热电偶。把热电偶黏贴到焊点上,而不是PCB的表面上,不然会你会得到造成误导的温度曲线。特别是要记住,建立热温度曲线是一种破坏性操作,但在整个产品的生命周期中只需要做一次。

建立温度曲线就和使用正确的DFM一样。你只需做一次(DFM和建立温度曲线)。但令人惊讶的是,工艺工程师们经常会抱怨DFM的各种问题,却不肯花哪怕是一个小时的时间,为各个产品建立一条独特的温度曲线。

热温度曲线的用途与类型

要为每个产品建立独一无二的温度曲线的原因是什么?使用正确的温度曲线只有一个目的:减少缺陷和生产出可接受的电子组件。确实,产生缺陷的原因有很多,正确的温度曲线并不是解决所有缺陷的灵丹妙药。在电子组件中,造成缺陷的原因很多,但是热温度曲线起到主要的作用。建立热温度曲线很重要而且非常简单,但很多人都不在这上面花时间。用来建立热温度曲线的办法有很多,但正确建立热温度曲线的方法只有一种,我前面有提到。

温度曲线的类型有两种:温度斜坡上升到峰值(RP)的温度曲线和温度斜坡上升到吸热区的峰值(RSP)的温度曲线。RSP温度曲线和RP温度曲线的关键区别在于RP温度曲线中没有吸热区。RSP温度曲线可以让整个PWBA的温度更均匀,这对有热质量差别比较大元件的PWBA达到温度均匀非常有用。RSP温度曲线还使PWBA更容易降低焊点中的空洞,特别是BGA。

RP温度曲线可能会增加焊点空洞的发生率,但他们可以最大限度地降低在BGA中的枕头效应缺陷,枕头效应是一种非常严重的缺陷。你要记住这一点。焊点中出现空洞对产品的可靠性来说不是一个严重的问题,但是枕头效应缺陷是一种开路缺陷,会导致电路板无法工作;因此,如果你的电路板有用到BGA,就要担心枕头效应缺陷,而不是空洞。出现枕头效应的原因有很多——要用几个专栏来讨论这个课题,但是,至少使用正确的温度曲线是最容易做的事情。

温度曲线中的各个温区

在建立温度曲线时,我们只要做好两件事:传送带的速度和每个温区的温度设置。此外,任何一条温度曲线都有四个温区:预热区、吸热区、回流区和冷却区。下面是每个温区的概要。

预热区

预热区的温度可以在30℃到175℃之间。元件供应商推荐的温度斜坡上升速率是2-4°C/秒,可以防止敏感元件受到热冲击。这个指南被认为是保守的,因为一些电容器在组装时是进行波峰焊,要从接近120°C的预热温度上升到波峰焊焊锡罐的260°C。高斜坡上升速率会增加形成焊锡球的可能性,因此,对于电路板上对温度敏感的元件,建议的斜坡上升速率要尽量保持在尽可能低的水平。

1.吸热区

吸热区把整块PWBA的温度提升到一个均匀的温度。建议吸热区的温度斜坡上升范围是:锡铅焊锡从100°C到180°C,SAC焊锡从140°C到220°C。吸热区同时也是锡膏中助焊剂的活化区。吸热区温度过高的后果可能包括:焊锡形成焊锡球、锡膏过度氧化引起焊锡飞溅、浪费助焊剂的活化能力(耗尽的助焊剂不能擦洗氧化的表面,这是它的主要功能)。此外,设置长吸热区的目的是尽量减少焊点中的空洞,尤其是在BGA和BTC中的空洞。

正如前面提到的,通常的做法是不使用吸热区,而是在预热区斜坡把温度稳步升高到回流峰值温度。在温度稳步斜坡上升(RP温度曲线)到回流峰值温度时,空洞可能会增多。

2. 回流区

回流区中的峰值温度应足够高,以得到良好的润湿,形成牢固的冶金结合。但是,峰值温度不应过高,不能高到使元件或PWBA损坏或变色,或者,在最坏的情况下,使PWBA分层或碳化。另一方面,峰值温度过低可能会导致焊锡不够热,形成颗粒状焊点、未熔融的焊点或不良的金属间连接。一般地说,更高的峰值温度要比更低峰值温度更可取,防止开路或不润湿。

对于锡铅焊锡合金,推荐的峰值温度在210℃(最低205℃)到220℃之间;对于无铅焊锡合金,在235℃(最低230℃)到245℃之间。TAL应当在60秒到90秒,但比较接近60秒。延长在焊锡熔点之上或TAL之上的持续时间会损坏对温度敏感的元件。它还会导致金属间化合物过度生长,使焊点变脆,降低焊点的抗疲劳性能。

3. 冷却区

在冷却区的期间,不同的材料将以不同的速率冷却。BGA封装的冷却速率通常要比BGA焊点快,而且比裸电路板快很多。这种差异冷却可能会在互相连接中最薄弱的位置产生机械应力,这个位置是BGA焊盘下面的层压板,可能会导致焊盘出现凹陷。

较快的冷却速率降低晶粒尺寸,提高焊点的强度,但会加大焊盘的翘曲,还可能会形成凹陷。由于提高了SAC焊锡和无铅层压板的硬度,焊盘的凹陷缺陷变得更常见。焊盘凹陷的形成不只取决于冷却速率,还受到许多其他因素的制约,例如更硬的无铅焊锡和更硬的无铅层压板。作为实际问题,在大多数回流炉中,除了冷却区吹冷气的选项外,打开和关闭冷却风扇是控制冷却速率的唯一选项。

建立热温度曲线面临的挑战

在建立温度曲线时会遇到很多挑战。例如,所有焊点都必须达到最低焊接温度(比液相线高出15-20℃以上),才能湿润焊锡表面并形成金属间化合物,但焊接温度又不能超过最高峰值温度,防止损坏元件或电路板。不过,热质量不一样的元件(插座、BGA、芯片元件等)需要不同的热输入。最低焊接温度基本上是由最大的元件决定的,例如BGA,而最高焊接温度是由较小且对温度敏感来决定。

回流不同的产品时,必须根据它们的热质量输入不同量的热量,所有的产品必须在规定的时间(热温度曲线)里达到最低焊接温度(高于液相线温度),但又不能超过最高焊接温度(不损坏任何元件)。这是为每个产品建立独一无二的温度曲线的关键原因。建立良好的温度曲线是一种平衡,既要确保在较重的元件的焊点中形成金属间化合物,又不会造成较小元件因过热导致去润湿的情况。

后续专栏主题

在后续的专栏中,我将讨论在本文开头提到的建立回流温度曲线时的其他一些关键点。

作者简介:Ray Prasad是Ray Prasad咨询集团公司的主席,同时也是《表面安装技术:原则与实践》一书的作者。Prasad还入选IPC名人堂,这是电子行业的最高荣誉,他从事SMT数十年,对SMT的所有领域都有丰富的经验,包括在波音公司和Intel公司担任推行SMT的领导角色;帮助遍布全球的OEM和EMS客户建立强大的、内部的、自主的SMT架构;除此之外,他还提供现场的深度SMT课程教学。他的电子邮件:smtsolver@rayprasasd.com,最新的SMT培训班开课时间是2020年4月20日至22日和2020年7月20日至22日。要得到更多详细信息,请访问www.rayprasad.com。要阅读以前的专栏内容或联系Prasad,请点击这里。

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