焊接工艺技术论文
对焊接工艺进行深入研究，并据此开发出合理的焊接温度曲线是保证SMT产品质量的非常重要的一个环节。下面是小编为大家整理的焊接工艺技术论文，希望你们喜欢。
焊接工艺技术论文篇一
回流焊接工艺技术研究
摘要：随着SMT工艺技术的发展，对焊接的要求越来越高，这使得回流焊接尤其是充氮回流焊接越来越受到人们的重视，很多从事SMT技术的人都把很大的精力投入到回流焊接的研究上，本文主要从炉温曲线的设定及焊接缺陷方面对回流焊接工艺进行较为详细的介绍。
关键词：SMT工艺技术 回流焊接 炉温曲线 焊接缺陷
回流焊接是SMT特有的工艺环节，焊接质量的优劣不仅影响正常生产，也影响最终产品的质量和可靠性。因此对回流焊接工艺进行深入研究，并据此开发出合理的焊接温度曲线是保证SMT产品质量的非常重要的一个环节。回流焊接不同与一般的金属焊接，它是一种高效的、自动的焊接方式。焊接操作者只需要事前通过电脑显示屏设置好各个加热区的温度，待焊接的PCB通过回流焊炉内的轨道在输送过程中便完成了焊接作业。回流焊接是SMT工艺中复杂而关键的一环，它涉及到自动控制、热传递、材料、流体力学和冶金等多种知识，要想获得优良的焊接质量，必须深入研究这些方方面面。
1. 回流焊接设备简介
目前应用较广焊接设备是全热风强制对流回流焊炉，它是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风扇来迫使气流循环，待焊接表面通过吸收热风传递的热量实现焊接。早期的回流焊加热主要采用加热氟油，由氟油蒸汽对待焊接件进行热量传递的加热方式，所以PCB和元器件内部的温度接近于给定的加热温区内气体的温度。由于高温蒸汽“无孔不入”的渗透性，故待焊件受热一致，比较容易实现焊接温度的均匀性。但由于氟油气体不符合环保要求，所以逐渐被淘汰。90年代初期先后流行的热板传导式、红外辐射式隧道加热炉，也由于难于控制，遮蔽效应，受热不均匀等局限性难以适应日益发展的SMT小型化、高密度、微间距要求，而只能用于SMT初级产品的生产。在全热风回流焊接设备中，循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体作用于印制板的任一区域，气流必须具有足够快的速度。但如果速度过高则易造成PCB的抖动和元器件移位，因此一般将热风扇马达的转速设定为500—1000转/分。采用此种加热方式耗电较多，此外如果是氮气保护的话，还要注意氮气的外泄。这种方式更适合于免清洗工艺。目前我公司采用的就是这种工艺，没加氮气保护效果也比较好。
2. 温度曲线的设定及分析
温度曲线是指PCB通过回流焊炉时，PCB上某一焊点的温度随时间变化的曲线。温度曲线提供了一种直观的方法来分析某个焊点在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性，避免由于过热造成元器件损坏，以及保证焊接质量都是非常有用的。
对于Sn/Pb焊膏一个典型的温度曲线分为预热区、保温区、回流区、冷却区四个阶段，如下图所示：以下对这四个区进行简要分析。
预热区：该区段的作用是把室温的PCB尽快加热，以达到第二个设定目标，但升温速率要控制在适当范围内，如果过快会产生热冲击，PCB和元器件易受损;过慢则助焊剂活性作用影响焊接质量。由于该区加热速度较快，在温区的后段元器件间的温差较大。为防止热冲击对元件造成损伤，一般规定最大升温速率为4度/秒。通常上升速率设定为1—3度/秒。我公司设定的升温速率控制在1.5—3度/秒。
保温区：是指温度从120℃升温至160℃的区域。该区段的主要目的是使PCB上各元件的温度趋于均匀，尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证锡膏中助焊剂活性成份充分作用溶剂得到充分挥发。到保温区结束时，焊盘、锡膏球及元件引脚上氧化物应被除去，整个印制板的温度达到均衡。应注意的PCB上所有元件在这一区段结束时应具有相同的温度，否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象，所以应控制好这一区的时间，经过多次实验我们设定该区的时间范围为60—100秒。
回流区：在这一区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度。在回流段其焊接峰值温度视所有锡膏的不同而不同，一般推荐为锡膏的熔点温度加20—40℃。对于熔点为183℃的63Sn/37Pb锡膏，峰值温度一般为210—230℃，回流时间不要过长，以防止对PCB造成不良影响。理想的温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的体积最小且左右对称，一般情况下超过200℃的时间范围为30秒，但这要视具体情况而定，如果有其它如虚焊、冷焊等缺陷时，也可以适当延长。
冷却区：这一区段熔融状焊料已充分润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度进行冷却，有助于得到明亮的焊点并饱满的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致PAD的更多分解物进入锡中，从而产生灰暗毛糙焊点。在极端的情形下，它能引起沾锡不良和弱焊点结合力。冷却段降温速率一般为3—10℃/秒，冷却至75℃即可，一般情况下都要用离子风扇进行强制冷却。
3. 回焊炉温区的设置
目前的回焊炉主要有四温区、五温区、八温区等几种类型。我公司的回焊炉一台是五温区、一台为八温区。温区越多温度曲线越容易调节，而且调节的也越细腻。但随着温区的增多设备的价格及能耗也会相应的增加，所以现在最多为八温区的回焊炉。温度曲线大体有两种形式，一种是渐升式的，其主要特点是有一个较为平坦的保温区，这种曲线只有较多温区的回焊炉才能调出来，这种曲线也是将来的发展趋势;另一种是三角式的温度曲线，这种曲线一般是波峰焊或较少温区的回焊炉所用的，因为这些设备没有足够的温区可以调出渐升式的曲线。本文仅对渐升式温度曲线进行分析研究，渐升式温度曲线回焊炉各温区的设置如下：
序号 曲线区段 温度范围 必要温区数
1 预热区 室温—120℃ 1—2
2 保温区 120—160℃ 2—3
3 回流区 183℃以上 2—3
4 冷却区 160℃ 对于有风、水两级
4. 温度曲线的测试
测量回流焊接温度曲线测试仪(以下简称测温仪)，其主体是扁平金属盒子，一端插座接着几个带有细导线的微型热电偶探头。测量时可用高温焊锡或高温胶带等固定在测试点上，打开测温仪上开关，测温仪随同被测印制板一起进入炉腔，自动按内编时间程序进行采样记录。测试记录完毕，将测试仪与电脑连接将数据下载至电脑并经打印机打印出来。测温仪作为SMT工艺人员的眼睛与工具，在国内外SMT行业中已相当普遍地使用。在使用测温仪时，应注意以下几点： ①测定时，必须使用已完全装配完毕的成品板，首先对印制板元器件进行热特性分析，由于印制板受热性能不同，元器件体积大小及材料差异等原因，各点实际受热升温不相同，找出最热点、最冷点，分别设置热电偶便可测量出最高温度与最低温度。②尽可能多设置热电偶测试点，以求全面反映印制板各部分真实受热状态。③热电偶探头用高温焊锡或胶带固定在测试位置，否则受一些热松动，偏离预定测试点引起测试误差。④测试温度曲线的影响，有负载与空载时的测量结果是不同的，温度曲线的调整要考虑在空载、负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。负载因子定义为：LF=L/(L+S);其中L=组装基板的长度，S=组装基板的间隔。回流焊接工艺要得到重复性好的结果，负载因子愈大愈困难。通常最大负载因子的范围为0.5—0.9。
5. 焊接缺陷的原因分析
短路：锡膏在加热过程中会产生塌边，这个情况主要出现在预热和回流两个区段，在预热区作为锡膏中成分之一的阻焊剂就会降低粘度而流出，同时将锡膏颗粒挤到焊盘外，在熔融时锡膏如不能返回到焊盘内，就会形成锡珠严重的会造成短路。元件引脚是否平整良好，电路线路板布线设计是否规范，锡膏的黏度、锡膏印刷和贴片的精度都是造成短路的原因。
墓碑：片式元件在回流过程中由于两端电极受力不均衡而致使一端发生翘立的现象称为墓碑。产生的原因有两个：一个是由于置件偏移或chip元件两端电极大小不对称而使得元件在回流过程中两端受力不均;而另一个原因是由于元件在急热过程中两端存在着温度差，电极两端一边的锡膏完全熔融后获得良好的润湿，而另一边的锡膏由于没有完全熔融而引起润湿不良，这样促进了元件的翘立。因此加热时要使与元件平行方向的加热形成均衡的温度分布，避免有较大温差的产生。
润湿不良：润湿不良是指焊接过程中锡膏与PCB焊盘(铜箔)或元件的电极，经浸润后不生成相互间的熔合，而发生虚焊的现象。其中原因大多是焊盘表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。锡膏的吸湿作用使活化程度降低，也会发生润湿不良。因此焊盘表面和元件表面都要做好防污措施，选择合适的锡膏，并设定合理的焊接温度曲线。
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张红(1964—)，女，工程师，陕西长岭纺织机电科技有限公司技术部，主要从事无线电装配工及SMT工艺技术研究。