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无铅焊接工艺的优化和监控

放大字体  缩小字体 发布日期:2010-12-01  浏览次数:549

如果您不采用较高成本的低温无铅合金,你的最低温度(约235oC),几乎已经是锡铅技术中的最高焊接温度了。而如果你采用美国NEMI的建议,也就是使用SAC305和焊接温度在245到255oC时,你的热-冷点温度窗口只有10oC,而在锡铅技术中这温度窗口有30oC之多。 
无铅器件的耐热标准,目前多认同确保在260oC最高温度上(注一),这距离推荐的SAC305合金的最高焊接温度只有5oC。如果我们考虑测量设置的系统误差(注二)的需要保留6oC,以及业界许多回流的波动性时,我们根本无法使用高达255oC的温度。
图一是典型无铅焊接的峰值温度(回流)部份。图中注明了和锡铅技术不同的地方。而这些差异,都增加了工艺调整的限制和难度。
在回流焊接工艺中,现在的主流设备是强制热风回流炉。炉子在整个焊接过程中只有一个速度(链速),炉子的温区数量和长度是固定的,而整个回流曲线中的5个阶段都有不同的要求,PCBA上的不同器件和焊点也都有不同的要求。加上在无铅技术中,我们发现焊接的冷却工艺参数对某些焊料比锡铅技术敏感而可能需要加以控制,又增加了一项需要考虑的参数和设备限制(冷却区的效率、尺寸等)。所以用户想很好的调整到满足所有焊点的一个设置其实是不容易的。
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回流焊接的工艺设置,就是通过炉子的各温区温度,以及传送链速度的设置来取得最适当的‘回流温度曲线’的工作。最适当的意思,表示没有单一的曲线是可以供所有用户使用的。而必须配合用户的材料选择,板的设计,锡膏的选择来决定。不论是锡铅技术还是无铅技术,其实工艺设置的方法都是一样的。所不同的是其最终的参数值。基本上,无铅由于前面提到的工艺窗口缩小的问题,使得工艺设置的工作难度较高。这需要更高的工艺能力,以及对技术的了解和掌握上做得更完整更细化。
工艺设置的首要条件,是用户必须知道所要焊接产品的温度时间要求。对于大多数用户来说,这就是回流曲线规范。为了方便技术管理,一般只制定了一个规范,规范中清楚的指出各参数的调整极限。在锡铅技术中,绝大多数用户的这个规范曲线都来自锡膏供应商的推荐。在工艺窗口较大的锡铅技术中,人们遇到的问题似乎不大(但绝非没有问题)。但进入无铅后,这做法未必可靠。原因是锡膏并非决定焊接温度曲线的唯一因素,以及供应商提供的曲线并不精确。例如温度的上升速度参数,除了考虑锡膏中焊剂的反应外,我们也必须照顾到所使用器件的耐热冲击特性。锡膏供应商不可能知道你将选择什么器件材料,所以更不可能在其推荐曲线中照顾到用户的具体情况。在掌握工艺技术较好的企业中,选择锡膏前都必须对锡膏等进行测试评估。这工作在无铅技术中是个必要而非可有可无的工作。只有当用户具体、清楚的了解锡膏等特性后才能有效的找出最好的曲线特性。
相信有小部份读者有以下的经历。在生产过程中某些器件因热受到损害。而当时所设置的炉温曲线符合锡膏供应商的指标,而器件的耐热性也高于所设的温度曲线。但经过调整较低温度或缩短焊接时间后问题就获得解决。从我的经验中,这有两个原因。最大的来自炉子的稳定性。这里我们不谈这设备的问题。另外一个问题是目前器件供应商们在谈论耐热这一特性时未精确完善的结果。事实上,当我们谈论器件的耐热性时有四个方面的特性。这些就是‘升温热冲击抗力’(还可分高温和低温),‘降温热冲击抗力’,‘绝对最高温度’,以及‘热量承受力’。而业界目前常用的方法是以一条焊接温度曲线来表示器件的耐热性能。因此缺乏精确。尤其是第二和第四个特性指标,业界更是缺乏讨论和标定。这种情况,将影响我们工艺的准确性。
 
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