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回流焊原理

作者:浙江大彩GKC | 阅读次数: 19次

回流焊是英文Reflow是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料,实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。回流焊是将元器件焊接到PCB板材上,回流焊是对表面帖装器件的。回流焊是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因为气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的。


一、回流焊原理


回流焊炉的温区主要分为四大块:预热区,保温区,回流焊接区和冷却区。


第一预热区的工作原理


预热是为了使焊膏活性化,及避免浸锡时进行急剧高温加热引起部品不良所进行的加热行为。该区域的目标是把室温的PCB尽快加热,但升温速率要控制在适当范围以内,如果过快,会产生热冲击,电路板和元件都可能受损,过慢,则溶剂挥发不充分,影响焊接质量。由于加热速度较快,在温区的后段回流焊炉膛内的温差较大。为防止热冲击对元件的损伤,一般规定最大升温速度为4℃/S,通常上升速率设定为1~3℃/S。


第二保温区的工作原理


保温阶段的主要目的是使回流焊炉膛内各元件的温度趋于稳定,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,并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到保温段结束,焊盘,焊料球及元件引脚上的氧化物在助焊剂的作用下被除去,整个电路板的温度也达到平衡。应注意的是SMA上所有元件在这一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。


第三回流焊接区的工作原理


当PCB进入回流区时,温度迅速上升使焊膏达到熔化状态。有铅焊膏63sn37pb的熔点是183℃,无铅焊膏96.5Sn3Ag0.5Cu的熔点是217℃。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。再流焊曲线的峰值温度通常是由焊锡的熔点温度、组装基板和元件的耐热温度决定的。在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同,一般无铅最高温度在230~250℃,有铅在210~230℃。峰值温度过低易产生冷接点及润湿不够;过高则环氧树脂基板和塑胶部分焦化和脱层易发生,而且过量的共晶金属化合物将形成,并导致脆的焊接点,影响焊接强度。在回流焊接区要特别注意再流时间不要过长,以防对回流焊炉膛有损伤也可能会对电子元器件照成功能不良或造成线路板被烤焦等不良影响。


第三冷却区工作原理


在此阶段,温度冷却到固相温度以下,使焊点凝固。冷却速率将对焊点的强度产生影响。冷却速率过慢,将导致过量共晶金属化合物产生,以及在焊接点处易发生大的晶粒结构,使焊接点强度变低,冷却区降温速率一般在4℃/S左右,冷却至75℃即可。


二、影响回流焊品质因素


1、焊锡膏的影响


SMT贴片中回流焊的品质受诸多因素的影响,最重要的因素是回流焊炉的温度曲线及焊锡膏的成分参数。现在常用的高性能再流焊炉,已能比较方便地精确控制、调整温度曲线.相比之下,在高密度与小型化的趋势中,焊锡膏的印刷就成了再流焊质量的关键。


焊锡膏合金粉末的颗粒形状与窄间距器件的焊接质量有关,焊锡膏的粘度与成分也必须选用适当。另外,焊锡膏一般冷藏储存,取用时待恢复到室温后,才能开盖,要特别注意避免因温差使焊锡膏混入水汽,需要时用搅拌机搅匀焊锡膏。


2、回流焊工艺的影响


在排除了焊锡膏印刷工艺与贴片工艺的品质异常之后,回流焊工艺本身也会导致以下品质异常:


1)、冷焊通常是再流焊温度偏低或再流区的时间不足;


2)、连锡电路板或元器件受潮,含水分过多易引起锡爆产生连锡;


3)、锡珠预热区温度爬升速度过快(一般要求,温度上升的斜率小于3度每秒);


4)、裂纹一般是降温区温度下降过快(一般有铅焊接的温度下降斜率小于4度每秒);


3、焊接设备的影响


有时候回流焊设备本身的传送带震动过大也是影响焊接质量的因素之一。


三、回流焊的种类


1、根据技术分类


1.1、热风回流焊


通过利用其中的加热器和风扇来进行加热,从而让内部温度不断提升再进行循环,以这种方式来进行焊接,此类回流焊的特点是通过热风层流流动来传递焊接时需要的热量;优点是在焊接的时候热能始终保持在一定的温度范围内,不会出现忽热忽冷的情况,这样焊接起来就更加的容易,成功率也就更加的高。


1.2、热气回流焊


热气回流焊特点利用热气进行焊接,这种焊接的方式需要根据焊接的大小不同不断的调整焊接的接头,这样就大大的降低了焊接的效率。


1.3、热丝回流焊


利用加热金属进行直接的焊接,经常使用在电缆上,它的接头具有一定的柔性,那么通过加热不需要锡膏的方法,从而来进行焊接,因为其属于比较高难的焊接技术,那么就导致了焊接的速度比较慢,这样就减缓了工作效率。


1.4、感应回流焊


利用电感涡流的一种原理,这种产品不需要接触机械,这样就减少了一个载体,从而就大大的提升了加热速度,但是也因为缺少载体就不好控制温度,技术不到家的话就容易出现错误。


1.5、激光回流焊


通过激光加热回流焊进行焊接,因为激光有着很好的方向性和特定性,使用激光进行焊接能很好的对需要焊接一个点进行加工,这样焊接产品能很好的控制从而减少跑偏。


1.6、红外(IR)回流焊炉


此类回流焊炉也多为传送带式,但传送带仅起支托、传送基板的作用,其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热,炉膛内的温度比前一种方式均匀,网孔较大,适于对双面组装的基板进行回流焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在中国使用的很多,价格也比较便宜。


1.7、气相回流焊接


气相回流焊接又称气相焊(VaporPhaseSoldering,VPS),亦名凝热焊接(condensationsoldering)。加热碳氟化物(早期用FC-70氟氯烷系溶剂),熔点约215℃,沸腾产生饱和蒸气,炉子上方与左右都有冷凝管,将蒸气限制在炉膛内,遇到温度低的待焊PCB组件时放出汽化潜热,使焊锡膏融化后焊接元器件与焊盘。美国最初将其用于厚膜集成电路(IC)的焊接,气柏潜热释放对SMA的物理结构和几何形状不敏感,可使组件均匀加热到焊接温度,焊接温度保持一定,无需采用温控手段来满足不同温度焊接的需要,VPS的气相中是饱和蒸气,含氧量低,热转化率高,但溶剂成本高,且是典型臭氧层损耗物质,因此应用上受到极大的限制,国际社会现今基本不再使用这种有损环境的方法。


2、根据形状分类


2.1、台式回流焊炉


台式设备适合中小批量的PCB组装生产,性能稳定、价格经济(大约在4-8万人民币之间),国内私营企业及部分国营单位用的较多。


2.2、立式回流焊炉


立式设备型号较多,适合各种不同需求用户的PCB组装生产。设备高中低档都有,性能也相差较多,价格也高低不等(大约在8-80万人民币之间)。国内研究所、外企、知名企业用的较多。


3、根据温区分类


回流焊炉的温区长度一般为45cm~50cm,温区数量可以有3、4、5、6、7、8、9、10、12、15甚至更多温区,从焊接的角度,回流焊至少有3个温区,即预热区、焊接区和冷却区,很多炉子在计算温区时通常将冷却区排除在外,即只计算升温区、保温区和焊接区。

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