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針對無鉛回流焊接工藝的思考

點擊次數:  更新時間:2016/7/21 17:34:36 

  電子工業正在向無鉛組裝轉變。這一努力是由環保方面的考慮,政府的立法以及無鉛電子封裝的市場利益所驅動的。在無鉛組裝的執行中雖然需要做出許多的決定,但本文將只討論回流爐設備方面的因素及其對加工高質量無鉛產品能力的影響。

  焊膏
  一家公司實施無鉛的第一個步驟就是選擇焊膏。雖然目前有許多可用的類型,但最大的障礙仍是為當前使用的鉛材料找到一個平滑轉換的替代物。而面對焊膏和 回流爐的最具戲劇性的問題就是更高的熔點,這就使得鉛材料的平滑轉換的替代物很難被找到。到目前為止,最流行的無鉛焊膏配方包括了錫,銀,鉍和鋅。
  無鉛焊膏的選擇也成為了許多技術論文和廣泛研究的主題。這一研究提出最可行的焊膏應該具有217℃到220℃的熔點。這一溫度范圍相對傳統鉛錫共晶焊 膏的183℃熔點,呈現出了一個大的增加。由于器件的溫度問題,最大峰值溫度和最大加熱/冷卻斜率更收緊了回流焊接的工藝窗口。

  溫度曲線
  由于焊膏規范更嚴格的限制以及關系到在更高的過程溫度下器件的損壞,為了利用無鉛焊料,我們必須注意到不同的溫度曲線和設備的設置。兩種常見的溫度曲 線類型被使用在回流焊接工藝中,并且很具代表性地被稱為浸潤(the soak profile)和“帳篷”型(the tent profile)溫度曲線(圖1)。浸潤溫度曲線是這樣一種工藝,它使得裝配組件在正好低于焊料液化點以下的溫度上停留一段時間,以獲得一個一致的組件溫 度!皫づ瘛毙蜏囟惹是一個連續的溫度斜坡,從組件進入回流爐開始直到達到期望的峰值溫度。
  考慮到使用的焊膏類型以及組件的結構,實際的溫度曲線會有差別;诤父嗟幕瘜W成分,焊膏制造商會給出達到最佳性能的最合適溫度曲線的建議。

  無鉛回流焊溫度曲線
  由于無鉛焊料的高熔點,對溫度曲線的要求將會有一點改變,因此在回流設備的設置上也需要有一些變化。一個基本的改變,就是在回流期間需要一個更為平坦 的溫度曲線變化。由于更小的工藝窗口,峰值溫度和高于液化溫度的時間(TAL)的要求必須被達到,同時不能使組件或器件過熱。一個長的回流區域和對產品的 高效率熱傳導是必須的。
  針對回流需要使用兩個溫區或者在回流溫區采用相反峰值爬升的方法,這一問題可以被解決。采用這種方法時,使倒數第二個加熱區相對最后一個加熱區維持一個更高的溫度,從而更快地將熱量傳導到板子上。最后一個溫區則用來在組件上維持一個一致的溫度。

  設備的考慮
  熱傳導
  有一種假設,對無鉛而言高溫回流爐是必須的,但實際情況并不總是如此。更重要的是設備將能量傳導到組件上的效率。
  一些回流系統通過將產品“包裹”在均勻混合的加熱氣體中的方法,來增強熱傳導的能力。一個帶加熱的進風口設計可允許對三個獨立進風區域的氣體加熱和混 合。中央進風口采用了帶鰭狀物的柱型加熱單元,將熱量由加熱器傳遞到氣體中。這種方法可以減少加熱器的瓦特數,也就是減少了能量的消耗。這種加熱設計相對 傳統的回流解決方案,最大可減少50%的能源消耗。
  被加熱后的氣體,通過送風單元進行混合,并且在壓力板后面產生一個適度的負壓。這一適度的壓力可以產生一個均勻覆蓋的同心圓氣流,這一氣流能達到將熱 量傳遞到產品所要求的工藝平面上。這一設計的另一好處就是能做到溫區和溫區之間的隔離,從而能更好地控制被加工產品的溫度曲線。
  冷卻產品在回流焊中和加熱一樣重要。過長的液態時間和極端的峰值溫度會引起產品和元器件的損壞。因此,系統必須被設計成帶有可程序設定控制的冷卻參數。
  在使用氮氣系統的情況下,要將氣體冷卻以將熱量從產品上去除,一個冷卻媒介,比如水,就是一個的好選擇。這種采用水冷卻系統,在設計中也應該很容易實 現。舉個例子,里面有冷卻水通過被垂直安裝的熱交換器,使得助焊劑的殘留物可以通過重力自然地排入助焊劑收集罐中。冷卻水的連接是通過無需工具即可實現拆 裝的連接點(快速接頭)來獲得的。
  氮氣
  在回流環境中,氮氣提供了幾個用途。氮氣的使用可在通過多次回流焊時可保護板子的表面,防止焊盤和引腳的氧化,可以獲得更好的引腳焊錫爬升和產生光亮的焊點。
  這些結果在無鉛工藝中更加明顯。對氧化過程而言,更高的無鉛焊接溫度扮演了一個催化劑的角色。氮氣將會幫助抵抗氧化。雖然無鉛工藝沒有要求,但是氮氣可以提供更寬的工藝窗口。它也能減少表面的氧化和獲得更好的焊點潤濕。
  當考慮一個加熱系統時,帶有空氣和惰性氣體選擇配置的回流系統是一個好的選擇。在加熱區內平衡的氣流就意味著在爐內部亂流的減少和低的氮氣消耗量。時 間應該被用在熱量傳遞的設計上,以及制造商考慮氣流平衡性的概念上。將閉環送風控制和變速送風機的組合并入回流系統的設計中,增強了系統的性能和減少了氮 氣的消耗。
  然而,氮氣的使用可能有一個下降趨勢,其中原因包括了最初的設備成本,氮氣成本,以及由于助焊劑揮發物被限制在設備內而引起的額外設備維護成本。當評估回流系統和氮氣的使用時,一個高效率的系統設計應該被考慮進來。
  揮發物處理
  另一個需要考慮的因素是助焊劑揮發物的處理;亓鳡t應該能做到在外部的腔室里將負載有助焊劑的氣體凈化,并且將干凈氣體送回加熱區中。舉一個例子,最 近發展的系統包括了一個兩段過濾/分離系統和一體化的自清潔功能,從而減少了維護的需求。第一段過濾利用了網孔型的濾網,它包含在一個箱體內。在進入箱體 過程中,助焊劑蒸氣經歷了一個膨脹過程,增加了壓力并且產生了小液滴,如果液滴足夠大,那么就會從氣流中落下來。
  剩下的蒸汽通過濾網,濾網會將大的、重的顆粒從蒸汽中分離出來。這些顆粒主要由被卷入的金屬、樹脂和松香構成,并且它們保持粘附在濾網的外面。這一部分幫助消除了高粘度并且很難清除的殘留物向下進入到系統里這一狀況的發生。
  濾網的清潔是通過一個附加的馬達定期旋轉濾網而完成的。施加在顆粒上的離心力克服了將它們粘在濾網上的附著力,并且被向著箱體的墻壁甩出去。由于它沒 有和主動冷卻系統合并在一起,所以在箱體內氣體通過時,系統保持了一定的溫度,這使得粘在箱體壁上的較重的液體可以向下滴到位于箱體底部的排出罐里。
  第二段過濾由包含在一個箱體里的充滿了不銹鋼球的填充物構成。主要由酒精和溶劑構成的,小的、輕質量的顆粒,包含在蒸汽中通過了第一層的過濾,將再次經受膨脹,從而增大了液滴的尺寸。然后,蒸汽通過填充層,和鋼球產生多次的碰撞。
  由于包含在蒸汽中的液體會在鋼球的表面蔓延開來,且這些球被確定是可浸潤的。因此,在顆粒和球的最初碰撞中,產生了不同種類的晶核,并且球被一層液體 薄膜所覆蓋。一旦球完全被薄膜所覆蓋,包含在蒸汽中的顆粒就會和這層液體薄膜碰撞。由于這些是相似的物質,不同種類的晶核產生,同時液體也增大了,形成液 滴,流進助焊劑收集罐中,等待清理。
  能量效率
  在電子制造環境中,回流焊爐引出了一個對能源消耗問題的關注。這一關注是可以理解的,由于很自然地需要向組件傳遞熱量,然后對于冷卻環節再要花費能量 將熱量去除。為了獲得有鉛和無鉛工藝所需的正確的回流曲線,高效率的熱傳導技術必須被考慮到。但是在能量消耗的考慮方面,高效率的熱傳導也同樣很重要。
  使用新的回流系統的設計,通過改進熱傳導能力和改善氣流,在熱效率和減少能量消耗方面,一個巨大的改善已經產生了。經測試,早先的回流系統在閑置狀態 時,運行一條有鉛回流曲線的平均每小時消耗21kW。比較最近推出的回流系統,使用新的系統設計,能源消耗從21kW每小時降到了12.2kW每小時。對 于相似的曲線性能,這一結果在能量消耗方面有了41%的減少。

  傳送系統的考慮
  傳送導軌系統是將需裝配的組件傳送通過回流系統的非常流行的方法。伴隨著無鉛工藝更高的操作溫度,傳送導軌必須要能維持足夠的強度。暴露在外的支撐軸和小的導軌剖面,在更高的操作溫度和大質量的組件下,可能會承受更重的負載。
  合格的導軌系統設計,應該允許熱膨脹,并且仍能維持導軌的平行,以減少PCBA掉落或被卡住的機率。在設計中,導軌的推出成型應該考慮具有多個角度的結合,以減小在熱膨脹過程中導軌彎曲的機率。
  由于無鉛回流中更高的溫度,組件更傾向于產生翹曲和掉落問題。更高的溫度更接近板子分層的轉變點,并且結合來自器件的更大的質量,可以導致生產線問題更進一步惡化。
  中央板支撐(CBS)傳送系統可以解決這個問題。CBS在更高的無鉛回流溫度下將提供更好的支撐,克服板翹曲和掉落問題。

  總結
  在做出無鉛回流焊接結論之前,需要先詳細的來看一下一臺回流爐的全部特性。當考慮向無鉛材料轉變時,需要先決定材料和溫度曲線的需求。一旦這些被選定 了,就咨詢回流爐制造商,幫助你為產品開發出一個期望的溫度曲線。伴隨著一些調查工作,這條理想的溫度曲線可能是通過“帳篷”型或“反向爬升”型的溫度曲 線來實現的。
  回流系統的選項也是重要的考慮對象。氮氣加工環境的采用,冷卻的考慮,傳送系統以及整個系統的操作成本,都應該和回流設備的供應商進行討論。

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