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回流焊接

2018-07-26 10:33:52     所属分类:电子工程
回流焊接的热解析示意图。

回流焊接是指利用焊膏(由焊料和助焊剂混合而成的混合物)将一或多个电子元件连接到接触垫上之后,透过控制加温来熔化焊料以达到永久接合,可以用回焊炉、红外加热灯或热风枪等不同加温方式来进行焊接。

回流焊接是表面黏着技术(SMT)将电子元件黏接至印刷电路板上最常使用的方法,另一种方式则是透过通孔插装(THT)来连接电子元件。通孔插装为将电路板上既有的孔洞填入焊膏,将接脚插入焊膏并把电子元件嵌至板上进行软钎焊。由于波焊接Wave soldering)较便宜且简单,所以回流焊接基本上不会运用在通孔插装的电路板上。当运用于同时包含SMT和THT元件的电路板时,通孔回流焊接(Through-hole reflow)能取代波焊接,并可有效降低组装成本。

回流焊接的程序目的在于逐步熔化焊料与缓慢加热连接界面,避免急速加热而导致电子元件的损坏。在传统的回流焊接过程中,通常分为四个阶段,称为“区(Zone)”,每一个区都拥有各自的温度曲线:“预热”、“浸热”、“回流”与“冷却”。

目录

  • 1 预热区
  • 2 浸热区
  • 3 回焊区
  • 4 冷却区
  • 5 词源
  • 6 相关条目
  • 7 参考文献
  • 8 外部链接

预热区

预热是回流焊接的第一个阶段,整块元件组板的温度爬昇至目标的浸热温度。主要是为使元件组板能够安全并逐步的达到浸热的工作温度(预回流温度),也能够使焊膏中的挥发性溶剂汽化和挥发离去。电路板的加热必须是稳定且线性的,一个重要的指标就是观察温度提升的速率,或者温度对时间的上升斜率,单位为摄氏温度每秒(℃/s)。许多变因会影响到该斜率,包括设定的加热时间、焊膏的挥发性与考量电子元件的高温承受度。所有条件都有相当的重要性,但一般而言,电子元件对高温的承受度考量往往是最为重要的。

若温度变化太快,许多电子元件会出现内部裂痕,可容许的最大温度变化率是依据对于热变化最敏感的电子元件或材料所能承受之最大加温斜率而定义。 然而,假如组板无热敏感元件且提高生产率为主要考量时,可容许并采用更高的加温斜率以缩短制程时间。基于此原因,许多制造商的机台能力可达到业界最大的允许斜率“每秒3.0℃”。 反之,如果使用的焊膏内含挥发性高的溶剂时,加热太快则容易造成失控,例如挥发性溶剂的汽化过于剧烈而造成焊料喷溅至电路板上,过激汽化也可能会造成焊料额外化为球状。

一旦电子组板的温度爬升到一定程度时,制程即进入浸热(预回流)阶段。

浸热区

第二区为浸热,通常为60至120秒的受热,用于去除焊膏中的挥发性物质和激活助焊剂,助焊剂会开始在元件导线和焊垫上进行氧化还原反应。过高的温度可能导致焊料喷溅、产生焊球或焊膏氧化;温度过低则可能导致助焊剂激活不足。在浸热区的结尾,也就是进入回焊区的前一刻,理想状况为整块元件组已达到均衡的热平衡。最佳的浸热区加温曲线应能降低各电子元件间的温差,也应能降低不同面积阵列封装之间的空隙[1]

回焊区

第三区为回焊,亦是整个过程中达到温度最高的阶段。最重要的即是峰值温度,也就是整个过程中所允许之最大温度。常见的峰值温度为高于焊料液化温度的20至40℃以上[1]。此一限制是由组件之中,高温耐受度最低的电子元件而定(最容易受到热破坏的元件)。标准的原则是以该温度容忍值减去5℃。温度的监控相当重要,超过峰值温度可能会造成元件内部的金属晶粒损坏,并可能造成金属互化物的产生;过低的温度可能会造成焊膏冷焊与回流不良。

商业用回焊炉[2]

“液态以上时间”(Time Above Liquids;TAL)或称“回流以上时间”,指的是焊料化为液态的区间。助焊剂可降低接合处的表面张力,并让各别焊球在融熔时结合。如果配热的时间超过制造商的设定,可能使助焊剂过早激活或者内含之溶剂过度消耗,过度干燥的焊膏会导致焊接点无法成型。

加温时间或温度不足会导致助焊剂清洗效果下降,导致润湿不足、溶剂与助焊剂去除的不充分,甚至可能造成连接点的缺陷。专家通常建议TAL越短越好,不过大多数的焊膏要求TAL最短至少需30秒。虽然没有具体的理由显示如何定义此30秒,但推测在不同设计之电路板上会存在某些温度未测区域的死角,因此设定最低允许时间为30秒可降低某些未测区域无法达到回流峰值温度的可能性。

定义出一个最低回流时间上限也可成为因烤箱温度不稳定而造成峰值温度波动的安全界线,液化时间的理想状况应保持液态60秒以下,额外的液化时间可能会催生出过多金属互化物,导致连接点的脆化。电路板与元件也可能在过长的液化时间下受到破坏,大多数的组件都会提供明确定义的可承受温度与其曝温时间。过低的液化时间可能造成溶剂与助焊剂未释出,而造成潜在的连接点冷焊钝化以及焊接空隙。

冷却区

最后一区是冷却,处理过后的元件组板逐渐冷却而与焊接点固化。适当的冷却能够抑制金属互化物的生成或避免元件遭受热冲击。典型的冷却区设定温度为30到100℃之间,快速冷却能够产生良好的晶粒结构并达到较理想的结构强度[1]。与加温斜率不同,降温斜率往往不被严格规范,然而任何元件所能容许的最大昇温或降温斜率都应该被明确定义和顾及。一般的建冷却速率为每秒4℃。

词源

“回流”一词是用来指若冷却至低于特定温度,焊料合金为固态;当温度高于焊料的熔点时,该焊料始熔化并恢复流动,因此称为“回流”。

现代电路组装技术所运用的回流焊接并不一定需要让焊料流动,而是让焊膏中的焊料颗粒受热超过熔点并融熔即可。

相关条目

  • 焊料
  • 助焊剂
  • 通孔插装技术
  • 表面黏着技术
  • 印刷电路板

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Profiling Basics – Reflow Phases
  2. ^ Girouard, Roland. Mark5 Reflow Oven. Heller Industries Website. Heller Industries Inc. [28 September 2012]. 

外部链接

  • T.Bazouni: Reflow Soldering (Reflow Ovens). [2008-04-11]. (原始内容存档于2008-06-18). 

* Guide to Pin In Hole Intrusive Reflow, Design and Assembly Ebook - Bob Willis

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