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回流焊接——对流 vs 冷凝
来源: fbe-china.com作者: Kenny Fu时间:2019-11-20 10:44:15点击:10547

根据IPC的评估,目前已有超过50%电子产品在使用无铅焊料。无铅焊接已经从以往的先进技术转变成为当今的成熟工艺,而制造商现在更多地是从质量的角度关注如何优化装配工艺。

当前回流焊接所面对的最大问题是工艺窗口变窄。工艺窗口的底部是由所选择的无铅焊料的熔点所决定的。最受欢迎的无铅焊料的成分依然是锡银铜,银含量在3-4.7%之间,铜含量在0.5-3%之间,这种合金给出了216-217οC这么一个非常狭窄的溶融温度区间。根据IPC一份关于96.5Sn3.0Ag0.5Cu,95.5Sn3.8Ag0.7Cu和95.5Sn4.0Ag0.5Cu的研究显示,这类合金的成分的精确比例对形成可靠的焊点没有显著的影响。

主要影响工艺窗口温度上限的是由所使用的材料和器件的工艺限制所决定的。一些湿度敏感器件和电解电容在工艺上是非常关键的。IPC JEDEC J-STD-020D标准中给出了对温湿度敏感不密封器件的相关要求。在其他各种因素中,如封装方面,封装厚度≥2.5mm,封装面积≥350mm2,最高回流温度限制在245°C。其他限制因素还有,加热和冷却斜率(+3 K/s, -6 K/s) ,同时保证在熔融温度上驻留时间。图1所示为湿度敏感器件的工作窗口。有一点必须注意的是,这里的温度是指器件封装的温度,不是焊点的温度。这些温度曲线仅仅是为了认证湿度敏感器件做参考的,不是为了满足器件焊接的特别的质量要求。但是,焊接温度曲线还是必须满足这里提到的这些限制。除了湿度敏感器件,其他器件的限制必须也被考虑到(非IC电子器件)。比如说,在IPC JEDEC J-STD-075标准中大的铝电容(直径>10mm)封装的温度限制在230οC。

依据这个背景知识,正确的回流焊技术必须依据所使用的电路板焊接工艺来选择对流

犠?990年以来,热风对流系统占据了绝大部分的市场。热对流这个术语在这里被理解为热量通过流动的液体或气体来传递。当液体和气体被加热的时候,它们的密度降低并且流动,热循环和对流是因为这种流动形成的。热能自身是不会流动的,确切地说是正是因为有了介质,能量才能依次传导。热对流在对流式回流炉中是通过外置的风扇或风机来强制产生的,通常这种运作是在空气或氮气环境下进行的。

相对于气相系统,对流系统通常有多个工艺区(温区),每个区可以独立的调整,因此可以产生各种回流曲线。每个工艺区的温度和所用气体的流动率,以及PCB在炉中的传输速度都可以单独设置。图2展示了对流系统极大的灵活性,线型的曲线和台阶型的曲线可以非常容易地获得。对流热量的传递是通过气体的分子(空气或者氮气)接触较冷的PCB表面进行的。传递的热量Q是时间t、接触面积A、温度差ΔT,以及热传导系数α的一个函数,它代表了一个系统的特征。时间是由链速决定的,随着速度的增加,传递的热量减少,因此减缓了PCB达到最高温度的时间。同时,驻留时间和高于液相线温度的时间也相应地减少了,又导致ΔTM增加(PCB上不同区域的热容不同形成的温差)。因此,传输速度在对流焊接中是影响最大的参数。

由于热量传导的因子是由PCB在炉中滞留的时间和炉子与PCB之间的温度差所决定的,如果要达到同样的生产周期,那么相对于长的炉子,PCB在短的炉子中需要更高的气体温度。

实际上,炉子的气体温度总是要比PCB上达到的最高温度更高,这在有时候被引用为热对流系统的缺点,因为理论上这会导致过热。但是,这些担忧在实际生产中是没有依据的,因为现代的炉子系统装备有控制和监测装置,可以防止工艺温度和导轨速度产生偏差(图3)。现代对流炉监测系统,例如CCS(capability control system,工艺能力控制系统),也能够在生产中在线计算设备的能力系数。对流系统通常使用氮气,这可以显著的提高焊接润湿性,如图4所示。氮是一种惰性气体,它用来置换回流系统中的氧气,防止焊接部位氧化。冷凝

冷凝焊接,通常又称为气相焊接,是在这里讨论的两种回流焊接工艺中相对历史较早的一种。它在1975年由RCPfahl 和 HH Ammann申请专利。冷凝焊接是利用特定的介质来释放一种潜在的热量(一种特别的气态热函或者形态转变的热函dH),当这种特定的介质从气态转变为液态时,热量被释放出来,加热PCB来进行焊接。在介质转变形态的过程中(气液态转换)温度保持一个衡量,这保证了PCB的最高温度不会超过沸点——介质凝结的温度。这种最高温度的限制展示出冷凝焊接的一种显著的优势。在介质改变形态的时候大量的热量被释放,这导致了PCB上温度的快速上升。Bell et al. 设立的冷凝焊接热转化系数最高到300 W/m2K,但是冷凝焊接的典型值在20 - 50 W/m2K这个范围内(在空气或者氮气中)。

好处是,冷凝焊接更均衡的热量转化会使得PCB上大小不同的热容部分的温差更小(dT)。当我们比较焊接工艺的时候差别会非常清楚(图5)。同样的一块PCB在使用热风对流焊接时温差值ΔT是10K,在使用Galden LS230冷凝焊接时为3K。在冷凝焊接中,热量传递到PCB上主要是依靠凝结在PCB表面的介质的流量。如果有足够的气体产生,流量是一个常数,导致冷凝回流焊接曲线的特点是陡峭的上升。陡峭上升的温度可能在PCB回流焊接过程中产生一些器件的损伤,比如像爆裂和分层。除了湿度敏感SMD器件,还有电解电容和一些关键器件。在BC Components 和 Rehm进行的测试中显示,在有些试验中,冷凝焊接会比对流焊接使电容更易受损。

PCB可以获得的热能的多少可以通过在工艺槽内增加或减少气体的量来调节,也就是说加热斜率是可控的。这个工艺的概念——注入——使得它可以产生不同的回流曲线。如果在初始加热阶段后,气体在工艺槽内被抽空了,那么冷凝就不会产生并且温度曲线会像一个鞍型。

在焊接非常重的PCB时,冷凝要优于对流,因为它有非常大的热交换系数。图6阐述了对流系统没能将0.5克的质量在240°C温区内加热到最终希望的温度,但这个对冷凝系统来说没有任何问题。假设可获得的气体量保持不变,PCB的质量越大,加热斜率也就越平缓。通常,在冷凝系统中只使用一个凝结温度的一种工艺介质,这或多或少只能生成单一区间的回流焊系统。在这种系统中,PCB在工艺时间段内时是停止不动的(图7)。PCB的整体温度曲线必须服从这一工况。相关的生产周期因此就等于工艺时间(回流时间加上板的进出时间)除以工艺槽内的PCB块数。与此相反,对相同的PCB,对流系统生产周期可以达到小于30秒。如果考虑生产周期和灵活性,对流焊接系统要优于冷凝焊接系统。总结

表1总结了对流焊接系统和冷凝焊接系统的特性。应该选择一种可以满足PCB焊接要求的回流焊技术。热风对流系统适合于拥有最小的生产周期需求的灵活的生产。氮气在对流式炉子中保证了惰性气体环境的工艺要求,多温区使得PCB板上的温差可以降低。相比之下,在冷凝系统中回流温度曲线的灵活性受到限制,但是它们尤其对较重的PCB焊接要优于对流系统。所用介质的凝结温度限制了PCB可以达到的最高温度。高效率的、均衡的热传导使板上的温差最小。但是如果参数没有被正确设置,升温斜率极限会非常容易被超过。

关于作者:
Hans Bell博士是Rehm Thermal Systems的研发经理。可以通过h.bell@rehmgroup.com与其联系。

参考资料:
[1] Jennie S. Hwang, Environment-Friendly Electronics: Lead-Free-Technology,Electrochemical Publications, 2001, p. 232
燵2] IPC Round Robin Testing and Analysis of Lead Free Solder Pastes with Alloys ofTin, Silver and Copper — Final Report 2005
燵3] IPC/JEDEC J-STD-020D, Moisture/Reflow Sensitivity Classification forNonhermetic Solid State Surface Mount Devices, July 2007
燵4] Hans Bell, Reflowloten, Leuze Verlag 2005, pp. 116 ff
燵5] Robert C. Pfahl, Hans H. Ammann, Method for soldering, fusing or brazing,Western Electric Company, Bell Laboratories, US Patent 3,866,307, 1975
燵6] Hans Bell, Harry Berek, Heinz Herwig, Andreas Moschallski, MathiasNowottnick, Inline-Kondensationsloten, VTE 14(2002) booklet 2, p. 66
燵7] Franz Wieser, SMD Alu Elkos für bleifreie Prozesse, 8th EE-Kolleg, Sant Jordi,March 2005
燵8] IPC/JEDEC J-STD-075, Classification of Non-IC Electronic Components forAssembly Processes, August 2008[9] Dr.-Ing. H. Wohlrabe, Dr. H. Bell, Rehm, Dipl.-Ing. J. Trodler, Analyse von
Material- und Prozesseinflüssen auf die Reflowqualitat : part 1, PLUS 5, 2008

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