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                  回流焊接——對流 vs 冷凝
                  來源: fbe-china.com作者: Kenny Fu時間:2019-11-20 10:44:15點擊:9952

                  根據IPC的評估,目前已有超過50%電子產品在使用無鉛焊料。無鉛焊接已經從以往的先進技術轉變成為當今的成熟工藝,而制造商現在更多地是從質量的角度關注如何優化裝配工藝。

                  當前回流焊接所面對的最大問題是工藝窗口變窄。工藝窗口的底部是由所選擇的無鉛焊料的熔點所決定的。最受歡迎的無鉛焊料的成分依然是錫銀銅,銀含量在3-4.7%之間,銅含量在0.5-3%之間,這種合金給出了216-217οC這么一個非常狹窄的溶融溫度區間。根據IPC一份關于96.5Sn3.0Ag0.5Cu,95.5Sn3.8Ag0.7Cu和95.5Sn4.0Ag0.5Cu的研究顯示,這類合金的成分的精確比例對形成可靠的焊點沒有顯著的影響。

                  主要影響工藝窗口溫度上限的是由所使用的材料和器件的工藝限制所決定的。一些濕度敏感器件和電解電容在工藝上是非常關鍵的。IPC JEDEC J-STD-020D標準中給出了對溫濕度敏感不密封器件的相關要求。在其他各種因素中,如封裝方面,封裝厚度≥2.5mm,封裝面積≥350mm2,最高回流溫度限制在245°C。其他限制因素還有,加熱和冷卻斜率(+3 K/s, -6 K/s) ,同時保證在熔融溫度上駐留時間。圖1所示為濕度敏感器件的工作窗口。有一點必須注意的是,這里的溫度是指器件封裝的溫度,不是焊點的溫度。這些溫度曲線僅僅是為了認證濕度敏感器件做參考的,不是為了滿足器件焊接的特別的質量要求。但是,焊接溫度曲線還是必須滿足這里提到的這些限制。除了濕度敏感器件,其他器件的限制必須也被考慮到(非IC電子器件)。比如說,在IPC JEDEC J-STD-075標準中大的鋁電容(直徑>10mm)封裝的溫度限制在230οC。

                  依據這個背景知識,正確的回流焊技術必須依據所使用的電路板焊接工藝來選擇對流

                  犠?990年以來,熱風對流系統占據了絕大部分的市場。熱對流這個術語在這里被理解為熱量通過流動的液體或氣體來傳遞。當液體和氣體被加熱的時候,它們的密度降低并且流動,熱循環和對流是因為這種流動形成的。熱能自身是不會流動的,確切地說是正是因為有了介質,能量才能依次傳導。熱對流在對流式回流爐中是通過外置的風扇或風機來強制產生的,通常這種運作是在空氣或氮氣環境下進行的。

                  相對于氣相系統,對流系統通常有多個工藝區(溫區),每個區可以獨立的調整,因此可以產生各種回流曲線。每個工藝區的溫度和所用氣體的流動率,以及PCB在爐中的傳輸速度都可以單獨設置。圖2展示了對流系統極大的靈活性,線型的曲線和臺階型的曲線可以非常容易地獲得。對流熱量的傳遞是通過氣體的分子(空氣或者氮氣)接觸較冷的PCB表面進行的。傳遞的熱量Q是時間t、接觸面積A、溫度差ΔT,以及熱傳導系數α的一個函數,它代表了一個系統的特征。時間是由鏈速決定的,隨著速度的增加,傳遞的熱量減少,因此減緩了PCB達到最高溫度的時間。同時,駐留時間和高于液相線溫度的時間也相應地減少了,又導致ΔTM增加(PCB上不同區域的熱容不同形成的溫差)。因此,傳輸速度在對流焊接中是影響最大的參數。

                  由于熱量傳導的因子是由PCB在爐中滯留的時間和爐子與PCB之間的溫度差所決定的,如果要達到同樣的生產周期,那么相對于長的爐子,PCB在短的爐子中需要更高的氣體溫度。

                  實際上,爐子的氣體溫度總是要比PCB上達到的最高溫度更高,這在有時候被引用為熱對流系統的缺點,因為理論上這會導致過熱。但是,這些擔憂在實際生產中是沒有依據的,因為現代的爐子系統裝備有控制和監測裝置,可以防止工藝溫度和導軌速度產生偏差(圖3)?,F代對流爐監測系統,例如CCS(capability control system,工藝能力控制系統),也能夠在生產中在線計算設備的能力系數。對流系統通常使用氮氣,這可以顯著的提高焊接潤濕性,如圖4所示。氮是一種惰性氣體,它用來置換回流系統中的氧氣,防止焊接部位氧化。冷凝

                  冷凝焊接,通常又稱為氣相焊接,是在這里討論的兩種回流焊接工藝中相對歷史較早的一種。它在1975年由RCPfahl 和 HH Ammann申請專利。冷凝焊接是利用特定的介質來釋放一種潛在的熱量(一種特別的氣態熱函或者形態轉變的熱函dH),當這種特定的介質從氣態轉變為液態時,熱量被釋放出來,加熱PCB來進行焊接。在介質轉變形態的過程中(氣液態轉換)溫度保持一個衡量,這保證了PCB的最高溫度不會超過沸點——介質凝結的溫度。這種最高溫度的限制展示出冷凝焊接的一種顯著的優勢。在介質改變形態的時候大量的熱量被釋放,這導致了PCB上溫度的快速上升。Bell et al. 設立的冷凝焊接熱轉化系數最高到300 W/m2K,但是冷凝焊接的典型值在20 - 50 W/m2K這個范圍內(在空氣或者氮氣中)。

                  好處是,冷凝焊接更均衡的熱量轉化會使得PCB上大小不同的熱容部分的溫差更?。╠T)。當我們比較焊接工藝的時候差別會非常清楚(圖5)。同樣的一塊PCB在使用熱風對流焊接時溫差值ΔT是10K,在使用Galden LS230冷凝焊接時為3K。在冷凝焊接中,熱量傳遞到PCB上主要是依靠凝結在PCB表面的介質的流量。如果有足夠的氣體產生,流量是一個常數,導致冷凝回流焊接曲線的特點是陡峭的上升。陡峭上升的溫度可能在PCB回流焊接過程中產生一些器件的損傷,比如像爆裂和分層。除了濕度敏感SMD器件,還有電解電容和一些關鍵器件。在BC Components 和 Rehm進行的測試中顯示,在有些試驗中,冷凝焊接會比對流焊接使電容更易受損。

                  PCB可以獲得的熱能的多少可以通過在工藝槽內增加或減少氣體的量來調節,也就是說加熱斜率是可控的。這個工藝的概念——注入——使得它可以產生不同的回流曲線。如果在初始加熱階段后,氣體在工藝槽內被抽空了,那么冷凝就不會產生并且溫度曲線會像一個鞍型。

                  在焊接非常重的PCB時,冷凝要優于對流,因為它有非常大的熱交換系數。圖6闡述了對流系統沒能將0.5克的質量在240°C溫區內加熱到最終希望的溫度,但這個對冷凝系統來說沒有任何問題。假設可獲得的氣體量保持不變,PCB的質量越大,加熱斜率也就越平緩。通常,在冷凝系統中只使用一個凝結溫度的一種工藝介質,這或多或少只能生成單一區間的回流焊系統。在這種系統中,PCB在工藝時間段內時是停止不動的(圖7)。PCB的整體溫度曲線必須服從這一工況。相關的生產周期因此就等于工藝時間(回流時間加上板的進出時間)除以工藝槽內的PCB塊數。與此相反,對相同的PCB,對流系統生產周期可以達到小于30秒。如果考慮生產周期和靈活性,對流焊接系統要優于冷凝焊接系統??偨Y

                  表1總結了對流焊接系統和冷凝焊接系統的特性。應該選擇一種可以滿足PCB焊接要求的回流焊技術。熱風對流系統適合于擁有最小的生產周期需求的靈活的生產。氮氣在對流式爐子中保證了惰性氣體環境的工藝要求,多溫區使得PCB板上的溫差可以降低。相比之下,在冷凝系統中回流溫度曲線的靈活性受到限制,但是它們尤其對較重的PCB焊接要優于對流系統。所用介質的凝結溫度限制了PCB可以達到的最高溫度。高效率的、均衡的熱傳導使板上的溫差最小。但是如果參數沒有被正確設置,升溫斜率極限會非常容易被超過。

                  關于作者:
                  Hans Bell博士是Rehm Thermal Systems的研發經理??梢酝ㄟ^h.bell@rehmgroup.com與其聯系。

                  參考資料:
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                  Material- und Prozesseinflüssen auf die Reflowqualitat : part 1, PLUS 5, 2008

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