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浅谈SMT制氮机在回流焊工艺中的应用

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2019/08/03 13:19
电子行业回流焊的基本原理比较简单,它首先对PCB板的表面贴装元件(SMD)焊盘印刷锡膏,然后通过自动贴片机把SMD贴放到预先印制好锡膏的焊盘上。最后,通过回流焊接炉,在回流焊炉中逐渐加热,把锡膏融化,称为回流(Reflow),接着,把PCB板冷却,焊锡凝固,把元件和焊盘牢固地焊接到一起。在回流焊中,焊盘和元件管脚都不融化。这是回流焊(Reflow Soldering)与金属融焊(Welding)的不同。 
 
   深入的了解回流焊就必须从焊锡膏的作用原理和焊接过程中发生的物理化学变化入手。锡膏的成分主要锡铅合金的粉末和助焊剂混合而成。在受热的条件下,融化的焊锡材料中的锡原子和焊盘或焊接元件(主要成分是铜原子)的接触界面原子相互扩散,形成金属间化合物(IMC),首先形成的Cu6Sn5,称n-phase,它是形成焊接力的关键连接层, 只有形成了 n-phase,才表示有真正的可靠焊接。随着时间的推移,在n-phase和铜层之间中会继续生成Cu3Sn,称为∈-phase,它将减弱焊接力量和减低长期可靠性。在焊点剖面的金相图中,可以清楚地看到这个结构。 电子扫描显微镜(SEM)显示的Cu-Sn IMC
 
   金属间化合物是焊点强度的关键因素,因此许多人员专门研究金属间化合物的变化对焊点的长期可靠性带来的影响。为了保护焊盘或元件管脚的可焊性,一般它们表面都镀有锡铅合金层或有机保护层。对非铜的金属材料的管脚一般在管脚镀层和金属之间加有镀镍层作为阻断层防止金属扩散。这个镍镀层还用来阻挡与焊锡不可焊或不相容的金属与焊锡层的接触。另一个有关镀层的问题是关于镀金层的问题,有文章指出如果焊点中金的成分达到3~4%以上,焊点有潜在的脆性增大的危险。
氮气回流焊是采用SMT制氮机制出的高纯度氮气充入回流焊炉膛内,从而阻断回流焊炉内空气的进入,防止回流焊接中的元件脚氧化。氮气回流焊的使用主要是为了增强焊接质量,使焊接发生在氧含量极少(100PPM)以下的环境下,可避免元件的氧化问题。因此氮气回流焊的主要问题是保证氧气含量越低越好。
  随着组装密度的提高,精细间距(Fine pitch)组装技术的出现,产生了充氮回流焊工艺和设备,改善了回流焊的质量和成品率,已成为回流焊的发展方向。SMT制氮机氮气回流焊有以下优点:
  (1)防止减少氧化
  (2)提高焊接润湿力,加快润湿速度
  (3)减少锡球的产生,避免桥接,得到较好的焊接质量
  特别重要的是,可以使用更低活性助焊剂的锡膏,同时也能提高焊点的性能,减少基材的变色,但是它的缺点是成本明显的增加,这个增加的成本随氮气的用量而增加,当你需要炉内达到1000ppm含氧量与50ppm含氧量,一般氮气含量测试是由配套的在线式氧含量分析仪,氧含量测试原理是由氧含量分析仪先连接通过氮气回流焊的采集点,再采集气体,经过含氧量分析仪测验分析出含氧量数值得出氮气含量纯度范围。
  氮气回流焊气体采集点至少有一个,高端的氮气回流焊气体采集点有三个以上,焊接产品的要求不同对氮气的需求是有天壤之别的。现在的锡膏制造厂商都在致力于开发在较高含氧量的气氛中就能进行良好的焊接的免洗焊膏,这样就可以减少氮气的消耗。
  对于回流焊中引入氮气,必须进行成本收益分析,它的收益包括产品的良率,品质的改善,返工或维修费的降低等等,完整无误的分析往往会揭示氮气引入并没有增加最终成本,相反,我们却能从中收益,目前常见的有液氮,还有制氮机,氮气选择也比较灵活了。
  SMT制氮机中氧含量到底多少PPM合适?
  查过有关文献1000PPM以下浸润性会很好,表示的1000-2000PPM是最常用的,可是实际使用过程中大部分使用99.99%即100PPM的氮气,甚至有99.999%即10PPM,而有的客户竟然在用98%的氮气即20000PPM。
  另一说法OSP制程,双面焊,有PTH 时应在500PPM以下,同时表示立碑增多,是印刷精度不高,造成的。
  在目前所使用的大多数炉子都是强制热风循环型的,在这种炉子中控制氮气的消耗不是容易的事。有几种方法来减少氮气的消耗量,减少炉子进出口的开口面积,很重要的一点就是要用隔板,卷帘或类似的装置来阻挡没有用到的那部分进出口的空间,另外一种方式是利用热的氮气层比空气轻且不易混合的原理,在设计炉的时候就使得加热腔比进出口都高,这样加热腔内形成自然氮气层,减少了氮气的补偿量并维护在要求的纯度上。
  双面回流焊双面PCB已经相当普及,并在逐渐变得复那时起来,它得以如此普及,主要原因是它给设计者提供了极为良好的弹性空间,从而设计出更为小巧,紧凑的低成本的产品。到今天为止,双面板一般都有通过回流焊接上面(元件面),然后通过波峰焊来焊接下面(引脚面)。
  目前的一个趋势倾向于双面回流焊,但是这个工艺制程仍存在一些问题。大板的底部元件可能会在第二次回流焊过程中掉落,或者底部焊接点的部分熔融而造成焊点的可靠性问题。已经发现有几种方法来实现双面回流焊:一种是用胶来粘住第一面元件,那当它被翻过来第二次进入回流焊时元件就会固定在位置上而不会掉落,这个方法很常用,但是需要额外的设备和操作步骤,也就增加了成本。第二种是应用不同熔点的焊锡合金,在做第一面是用较高熔点的合金而在做第二面时用低熔点的合金,这种方法的问题是低熔点合金选择可能受到最终产品的工作温度的限制,而高熔点的合金则势必要提高回流焊的温度,那就可能会对元件与PCB本身造成损伤。
  对于大多数元件,熔接点熔锡表面张力足够抓住底部元件话形成高可靠性的焊点,元件重量与引脚面积之比是用来衡量是否能进行这种成功焊接一个标准,通常在设计时会使用30g/in2这个标准,第三种是在炉子低部吹冷风的方法,这样可以维持PCB底部焊点温度在第二次回流焊中低于熔点。但是潜在的问题是由于上下面温差的产生,造成内应力产生,需要用有效的手段和过程来消除应力,提高可靠性。以上这些制程问题都不是很简单的。但是它们正在被成功解决之中。勿容置疑,在未来的几年,双面板会断续在数量上和复杂性性上有很大发展。
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