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如何用bestemp炉温测试仪设定回流焊温度曲线?
发布时间:2017-07-03 08:35

                                           本文摘抄于网络平台(bestemp炉温测试仪原厂销售陈超)

创建回流焊温度曲线

     一开始,必须坦白讲一个事实:任何技术文献中都没有关于指定温度和时间参数的标准,即应用于任何给定PCB(印制电路板)的回流参数。我们也不可能期望这类标准在可预见的未来制定。

    由于电子PCB 的世界千变万化、繁纷复杂,因此不可能充分描绘元件和材料的所有特定需求。因此,需要由制造商根据他们自身的专业知识和技能去探索理想的回流参数。另一方面,因为拥有大量线索和指标以及过去的丰富经验,从而使优化变为可能。

    2004 年推出的说明手册DVS 2613 提供了创建回流焊温度曲线[1.1] 的简要说明。下面的文字便引自本手册:“合格回流焊接工艺的目标是在产品层面实现高质可靠的焊点。”除了需要实现可靠的焊点(应考虑温度、饰面层、合金等),过程控制还必须考虑零配件的规格以及生产要求。

    通过对所有要求进行整体观察,便能够获得创建包络曲线的基本温度和时间数据。表1.1 显示了PCB 的基本数据示例,PCB 上至少装有一个根据J-STD- 020D.1 [1.2] 分类的元件。扫一眼元件的数据表有助于确定基本数据。确定的结果应始终倾向于对热最敏感的元件。这可以是一个电路板– 复杂的PCB 设计通常对低应力焊接工艺的要求很高。

    为了确保可靠性,还必须考虑要制造的焊点的冶金方面。特别是,应考虑相形成和合金形成效应。因此,在实际生产实践中,对要处理的元件和材料的数据表中指定的需求描述经常相互冲突,使得回流焊接工艺看起来不可能。这些冲突只能根据相关技术经验以一种折衷的方法现场解决。

    以最严格谨慎的态度制定基本数据后,则可以在此基础上创建所谓的包络曲线,如图1.1 所示。

    如果未采用达到熔温的最长时间(上例中为tL/Max = 90 s),包络曲线会稍有改变(见图1.2)。请记住,绝对不能超过达到峰值温度-5 K 的最长时间(上例中为tP/Max = 30 s)。

    如果在元件和材料的数据表中找不到所需的所有参数,则可以使用常用标准。但是,切记这些标准的范围及其应用领域通常不以回流焊接为目标,它们可能包含不宜使用的矛盾参数。

   下面介绍了几种重要标准。DIN 32513-1 [1.3] 介绍辨别和测试软锡膏的一般要求;附录A 提供了无铅软锡膏(固相线温度高于200°C,例如SAC 焊料)的温度曲线窗口。这些锡膏的回流焊温度曲线可处于图1.3 中的包络曲线所表示范围内的任何位置。如果用这些包络曲线来描述要生产的PCB 的回流焊接,可能会出现两个问题。

   如果根据J-STD- 020D.1 标准将PCB 上的湿度敏感元件的最高峰值温度指定为TP/Max =245°C,在回流焊接工艺中,当上方的包络曲线接近峰值温度260°C 时,此元件可能会被损坏。对于根据J-STD-075 标准[1.4] 指定的直径大于10 毫米的铝质电容器,当回流焊接工艺运行到接近下方的绿色包络曲线时,液相线以上时间会超过10 秒钟。

     常用于PCB 回流焊接工艺的J-STD-020D.1 标准不适用于解决上述两个问题。其应用范围和应用领域同样不适用于PCB 焊接,但适用于对非热、湿度敏感的集成电路进行分类和建立MSL(镜像服务器链路)。根据J-STD-020D.1 标准创建的包络曲线如图1.4 所示。据此标

准,将允许液相线以上最长时间tL/Max 等于150 秒。但是,一般冶金经验要求中指出不应超过时间长度tL/Max = 120 秒,因为合金形成和相形成效应可能会影响所生成焊点的可靠性。一般来说,时间长度tL/Max = 90 秒被公认为液相线以上最长时间。同样是使用EN 60068-2-58

标准[1.5] 的情况,在焊接工艺中,为测试热稳定性而指定的焊接时间为60 至90 秒(见图1.6)。
     根据J-STD-020D.1 创建包络曲线可能出现的第二个问题是达到峰值允许的最长时间(tto Peak= 8 分钟)。这可能导致达到液相线前的最大热量梯度约为0.55 K/s,持续时间长度约为6.5分钟。非常冗长的驻留时间会破坏锡膏中助焊剂的活性成分,而这些成分对于在熔化过程中进行沾锡很重要。在回流焊接设备的预热区,通常建议达到液相线前的时间长度不超过4 分钟。同时也建议缩短驻留时间,以最大程度减小所有PCB 材料的应力,包括电路板自身。

    当然,应始终基于“最弱的链路”定义工艺窗口,即,焊接工艺中热稳定性最差的元件。图1.5中的示例显示出了困难程度。大小型铝电解电容器的最高过程温度标记在带有大小型封装的湿度敏感元件的温度旁边。此处描述的峰值仅有少量重叠区域– 我们应从以下事实中汲取教

训:不采用折衷方法将不可能实现高度自动的表面贴装技术。

    SMD 对焊接热的抵抗力可根据EC 60068-2-58 标准进行测试;数据表中应给出了相应注释。图1.6 显示了根据此标准的规定对无铅焊料合金进行试验1 和2 的熔化温度曲线。有时,两个包络曲线之间没有任何相关性,也就是说,此处显示的曲线实际上并不是包络曲线,应将其视为两条独立的极限曲线。因此,将最高温度分别限制为255°C 和250°C。

     此外,IEC 60068-2-58 中还提供有关创建合适回流焊温度曲线的有价值信息。例如,它列出了用于测试熔湿结果的参数规格。

     最高试验温度235°C 可用作进行PCB 焊接得出的回流焊温度曲线中的最低峰值温度TP/Min。支持的逻辑:如果无铅焊料合金(SAC) 的熔湿试验温度为235°C,在PCB 制造过程中,在低于该值的温度下将不能实现良好的熔湿效果。图1.7 描述了对SMD(带SAC 焊料)进行熔湿试验得出的熔化温度曲线。

    此外,在IEC TR 60068-2-580 技术报告[1.6] 中,建议对最冷的SAC 焊点设定230°C 的温度且至少维持20 秒,因此对所选元件测量的最高温度将达到233°C 且维持1 秒钟。图1.8 中的回流焊温度曲线描述了对峰值范围的测量结果。附加的积分公式
用于根据液相线(217°C) 以上的回流焊温度曲线计算热当量。

    对混合技术焊点进行测试时,如果我们将此热当量与Grossmann [1.7] 得出的结果进行比较,则会发现550 Ks 已处于图1.9 所示曲线的饱和范围内。富铅相(采用的SnPb 锡膏中的铅;无铅锡球由SAC 焊料制成)均匀分布在整个焊点中,它们的平均尺寸尚未进一步减小。根据这些检验,大于350 Ks 的热当量应足以形成均质的焊点。观察引入焊点的热量似乎比较明智,因为以线性方式既不会出现温度影响相形成也不会出现时间影响相形成。在其他研究人员中,Pan [1.8] 检验了峰值温度和液相线以上时间对涂有有机保焊剂(OSP) 的SAC 焊点的金属间相的影响。然而,230°C 时的时间影响却没有意义,虽然升温(240°C > 250°C)的影响被降低,但在处于更高的焊接温度时,时间影响仍会大大增加(见图1.10)。

    液相线以上时间的影响不可低估! 基于上述结果,图1.11 中提供的图表有助于您创建理想的回流焊温度曲线。它表示要产生具有足够热量(热当量> 350 Ks)的SAC 焊点应采用的液相线以上温度和时间。在横坐标上输入高于熔点217°C 的温度,在纵坐标上输入热当量。例如,要在液相线以上焊接时间30 秒内将足够热量引入焊点,需要最低过热温度达到15 K (217+ 15°C)。当温度达到235°C 时,始终会有足够的热量引入,甚至短暂的焊接时间会超过20 秒。

    如果读者在按照国际文献中作者的讨论执行操作时仍存在困难,那么下面的图1.12 以及对其进行解释说明的表1.2 提供了各个要点的总结并建议使用最先进的SAC 回流包络曲线,据此可以实现良好的回流焊接效果。

测量回流焊温度曲线

出于以下原因,需在回流焊接设备中测量温度曲线:

1. 对实际生产的PCB 进行测量,是为了设置、优化或复检所需的目标回流焊温度曲线。为此,需将热电偶置于PCB 上的所选位置,即重要元件上或元件中。

2. 借助测量标准(经校准的测量板)进行测量,是为了定期(例如,按照质量管理体系的要求)检查焊接设备的目标回流焊温度曲线。

3. 借助测量标准(经校准的测量板)进行测量,是为了确定回流焊接设备的具体性能特征。例如,如果要比较不同的回流焊接设备(确定基准)或为了进一步开发某些设备元件,则可能需要进行此类测量。

图1.13 显示了合理排列的热电偶的示意图,表1.3 中将进行解释说明。

    PCB 所有可能温度曲线的特征均包含在两条极限曲线中,即,最小热质量和最大热质量的温度曲线。术语“最小热质量”绝不能理解为实际质量或重量– 实际上,它是指PCB 上升温和降温最快的位置。

    相应地,“最大热质量”是指PCB 上升温和降温最慢的位置。这些位置可以是某些元件或元件接头,也可能是未安装任何元件的PCB 上的某些区域。如果允许均匀升温的PCB 降温,而且同时使用热成像摄像机监控它,则可以轻松定位具有最小和最大热质量的位置。如果没有热成像摄像机可用,则需要通过试验确定这些位置。为此,应将存在问题的PCB 用锡膏打印出来并插入其元件,然后通过加热的回流焊接设备对其升级,起初的传输速度会非常快。最初,不应熔化任何焊点。熔化第一个焊点后,传输速度会减慢。这便是具有最小热质量的位置。传输速度会越来越慢,直到最后一个焊点熔化,这便是具有最大热质量的位置。

    正确测量点的实验测定非常重要,因为人眼看到的通常不准确,我们可能会将大量大型元件错看成大的热质量。PCB 内层中铜的隐式质量可以是最大热质量的位置,在此我们只能看到0402 片状元件。

    优化回流焊温度曲线的目标是将最大和最小热质量(TSolder1、2)的温度曲线置于所选回流焊温度曲线之间(如图1.12 示)。必须对所有热敏感元件测量封装体温TP。热电偶必须固定在湿度敏感元件(已根据IPC/JEDEC J-STD-020D.1 分类)的封装中间。最高温度TP/Max 必须低于或等于此类元件的分类温度T0 (TP ≤ T0)。由于电路板本身通常是整个模块中最昂贵的元件,因此也必须测量它的温度(TPCB)。

    由于大范围变化的铜层分布以及相关联的内部导热,而且有些情况下回流焊接设备在PCB 顶部和底部的供热不同,因此建议对顶面和底面均执行测量。图1.13 描述了热电偶(位于PCB层次上方约6 毫米处)的其他应用。该热电偶用于测量PCB 层次上方的大气温度TAtmo。不过,其主要作用除了测量温度以外,还能确定位置。由于热电偶能够凭借其最小热质量非常快速地测量大气温度变化,因此可以配准回流焊接设备中从一个加热区到下一个加热区的过渡。这非常有利于我们根据测量结果为各种加热区段指定温度曲线,如图1.14 中的图表所示。大气廓线很清晰地反映了VX734 回流焊接设备中包含的7 个预热区、3 个高温区和4 个冷却区。除了确定位置,热电偶还能向我们提供有关回流焊接设备与PCB 之间进行热交换的少量信息。

    图1.15 显示了高温区1 和2 中SOT23 的大气和焊点温度曲线的摘录。两个高温区之间的大气温度稍有下降,但焊点的温度几乎保持恒定。

    热传递一般发生在体表。在此吸收热量后通过热传导流入PCB 和各个元件。

    PCB 层次上方6 毫米处的大气温度反映了此热传递。测量的大气温度TAtmo 始终低于加热区的设定点温度。温度较低的PCB 不断吸收其周围的热量,以此提升自身温度。在上述示例中,元件上的焊点达到了高温区1 的末端温度188°C。为了进一步提升自身温度,PCB只能从高温区之间的区域吸收少量附加热量,因为此过渡区不能主动加热。一方面,它用来调节某些机械元件(例如,调整输送机械的模块),另一方面,它以热方式分离了两个相邻的加热区。

    因此,元件的温度保持恒定,但是大气温度(TAtmo) (例子中为3 K 以下)的降温会使元件从大气中摄取极少热量。

    只要存在PCB(在本例中,存在时间为3.5 秒),未加热过渡区中的温度也会稍有下降。PCB移到下一个区域后,温度会攀升回到之前的水平。这反映了回流焊接设备的热稳定性。

    热电偶的排列方式还有助于优化回流焊接工艺,如图1.16 所示。在此情况下,假设需要观察的任何峰值体温(TP) 始终低于或等于焊点的TSolder 1,2。焊点温度(TSolder 1 - TSolder 2) 之间的差值ΔTM 通常用制造行业术语“Delta T”表示。选择要接触的焊点时,应再次考虑大小热质量,0.5 kg,具有多层,厚度为2.5 毫米)装有大量BGA(球栅阵列)。BGA 的作用是优化回流焊温度曲线,以使众多BGA 焊点中出现极少量ΔTM 值,而生成的值(约4 K)远超出期望效果。

     附加的热电偶直接置于PCB 表面,在运动方向可以一览整个前缘宽度。这些热电偶中的每一个均对应图1.13 中的热电偶TPCB,但是必须特别注意,类似行排列的热点偶下方的PCB的成分为均质。如果可以,PCB 上该区的基材中不应含有任何铜,以最大程度减少导热。从回流焊接设备引入PCB 的热流的均匀性可通过类似行的排列进行检查,即,所谓的回流焊接设备横剖面。以行排列的热电偶之间的最大温差TW 表现了各个回流焊接设备的质量特性。TW 越小,绘制回流焊温度曲线考虑的容差度越小。良好回流焊接设备的横剖面的TW 值应小于或等于3 K,如图1.17 所示。

    应借助可进行校准的测试板定期(例如,按照质量管理体系的要求)检查回流焊接设备的目标回流焊温度曲线。由FR4 基材(或其他普通的PCB 材料)制成的实际测试板不适合重复使用。如果PCB 频繁穿过回流焊接设备,一方面,基材会脱层,另一方面,焊点会分离且热电偶附着在上面。为此,建议使用坚固耐用的测试板,例如由玻璃纤维增强塑料或金属制成的测试板。图1.19 显示的PTP(专业温度剖面测量仪)测试板适用于各种宽度且完全符合这些要求;根据TechnoLab [1.9] 之类的标准进行了校准。

    PTP 上安装了各种热电偶,用于生成横剖面(ΔTW)、测量各种热质量、确定大气温度(TAtmo) 和PCB 温度(TPCB) 以及测量元件封装温度。

    作为进一步选择,还可以使用金属材质的坚固测试板。图1.20 显示了厚度为1.5 毫米的不锈钢测试板,每一个被激光切割成两对不同大小的测量域。每一对中的其中一个测量域是毛面,另一个是黑面。测试板上装有用于测量大气温度的热电偶。使用此类金属制测试板,可以生成各种测量表面,还可以进行校准。

    毛面和黑面使我们能够轻松确定热辐射对回流焊温度曲线的影响。通过图1.20 中显示的测量方式确定测试板(如图1.21 所示)上黑色测量表面和毛面之间的温差为3 K。具有黑面的表体能够吸收和放射更多热能。因此,黑面能够达到更高的最高峰值温度,而且当其温度低于毛面时,还会达到更低的温度。

    因此,电子PCB 上元件的各种表面颜色的自然吸热特性也导致了可测量温度的不同。在本例中,从测量表面的辐射测量的热能部分约为总热能的2%。

    使用可校准的坚固测试板进行测量时,无需考虑热电偶是否足够结实地固定在各自的测量表面上。

    如果要将热电偶连接到实际生产的PCB 上并确保接触良好,情况则完全不同。对此,您需要特别注意,而且还应考虑测量点常见的热力学状况。当然,热电偶(电线)的直径应远远小于要测量元件的直径。否则,热电偶会因其自身的质量和形状改变测量点。例如,直径为1 毫米的热电偶不能用于测量0210 片状元件上的焊点。可通过多种方法(例如,使用粘合带机械连接、使用SMD 粘合剂粘接或使用熔点较高的焊料进行焊接)将热电偶固定在测试点上,但不管用哪种方式,均应始终确保在测量期间热电偶与测量点之间具有良好的导热性。

    有关热电偶特性和连接的更多知识,请参阅手册“Reflowlöten”[1.10]。根据我们自己的经验,建议使用通过SMD 粘合剂连接的矿物质绝缘金属护套热电偶。图1.22 描述了PCB 上的测量设置,一种情况是精心设置,另一种是不良设置。两种测试结果将大相径庭!

    采用不良设置得出的ΔTM 值为24 K(见图1.23),而采用精心设置得出的温差降至ΔTM =12.5 K(见图1.24)。通过对两种测试结果进行比较,会很清楚发现精心设置所得结果的温度曲线更平滑。

    显然,固定不佳的热电偶不能始终与其各自的测量点保持良好接触,使得热电偶仍需要从大气中吸收热量。不规则曲线一般表明与热质量的接触不良。因此,图1.23 中显示的测量结果反映的并不是PCB 上的实际热状态,而是对空气测量和PCB 测量的不明确混合状态。设置测试板时投入一些精力是值得的– 欲速则不达!