SMT混裝時通孔回流焊接技術(shù)

在<<2002北京國際SMT技術(shù)交流會論文集>>中有一篇<>,此文章較詳細(xì)地說明通孔回流焊接工藝的試驗(yàn)情況,但有些地方需要補(bǔ)充.因?yàn)榇斯に囈巡辉谔幱谠囼?yàn)階段,而是已應(yīng)用于量產(chǎn)中.同時,筆者在與電子制造業(yè)的同行交流中發(fā)現(xiàn),極少的人了解此工藝.借此機(jī)會,筆者愿將此工藝技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)與各位同行分享,探討共同為PCBA焊接工藝技術(shù)提高而努力.

一. 概述.
通孔回流焊接技術(shù)起源于日本SONY公司,90年代初已開始應(yīng)用.但它主要應(yīng)用于SONY自己的產(chǎn)品上,如電視調(diào)諧器及CD Walkman.
通孔回流焊接技術(shù)采用的是點(diǎn)印刷及點(diǎn)回流的方式,所以又稱為Spot Reflow Process,即點(diǎn)焊回流工藝.筆者所在的企業(yè)采用此工藝.主要用于CD,DVD激光機(jī)芯伺服板以及DVD-ROM伺服板的生產(chǎn).取得了較好的效益.

二. 通孔回流焊接生產(chǎn)工藝流程.
它的生產(chǎn)工藝流程與SMT流程極其相似,即印刷錫漿à插入元件à回流焊接.無論對于單面混裝板還是雙面混裝板,都是一樣的流程,如下所示:
SMT機(jī)板

印刷錫漿 ：使用機(jī)器將錫漿印刷在線路板上。

手工插機(jī) ：人工插件。

點(diǎn)焊回流爐 ：使用熱風(fēng)回流機(jī)器焊接。

結(jié)束

三. 通孔回流焊接工藝的特點(diǎn).
1. 對某些如SMT元件多而穿孔元件較少的產(chǎn)品,這種工藝流程可取代波峰焊.
2. 與波峰焊相比的優(yōu)點(diǎn):
(1)焊接質(zhì)量好,不良比率DPPM可低于20.
(2)虛焊,連錫等缺陷少,極少的返修率.
(3)PCB Layout 的設(shè)計(jì)無須象波峰焊工藝那樣特別考慮.
(4)工藝流程簡單,設(shè)備操作簡單.
(5)設(shè)備占地面積少.因其印刷機(jī)及回流爐都較小,故只需較小的面積.
(6)無錫渣的問題.
(7)機(jī)器為全封閉式,干凈,生產(chǎn)車間里無異味.
(8)設(shè)備管理及保養(yǎng)簡單.

3. 印刷工藝中采用了印刷模板,各焊接點(diǎn)及印刷的錫漿份量可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

4. 在回流時,采用特別模板,各焊接點(diǎn)的溫度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

5. 與波峰焊相比的缺點(diǎn).
(1)此工藝由于采用了錫漿,焊料的價格成本相對波峰焊的錫條較高。
(2)須訂制特別的專用模板,價格較貴.而且每個產(chǎn)品需各自的一套印刷模板及回流焊模板.
不適合多個不同的PCBA產(chǎn)品同時生產(chǎn).
(3)回流爐可能會損壞不耐高溫的元件。在選擇元件時,特別注意塑膠元件,如電位器
等可能由于高溫而損壞.根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),一般的電解電容,連接器等都無問題.
根據(jù)我們測試的結(jié)果,實(shí)際使用回流爐時元件表面最高溫度在120-150度.

四. 通孔回流焊接工藝設(shè)備。
1. 錫漿印刷機(jī)。
采用的機(jī)器：SS-MD(SONY錫漿印刷機(jī))。需用特別的模板配合印刷機(jī)使用.

1.1基本原理。
以一定的壓力及速度下，用塑膠刮刀將裝在模板上的錫漿通過模板上的漏嘴漏印在線路板上相應(yīng)位置。步驟為：送入線路板-->線路板機(jī)械定位--->印刷錫漿--->送出線路板

1.2錫漿印刷示意圖：

刮刀: 采用賽鋼材料.無特別的要求.刮刀與模板之間間距為0.1-0.3mm,角度為9度.
模板: 厚度為3mm,模板主要由鋁板及許多漏嘴組成.
漏嘴: 漏嘴的作用是錫漿通過它漏到線路板上. 漏嘴的數(shù)量與元件腳的數(shù)量一樣,漏嘴的位置與元件腳的位置一樣,以保證錫漿正好漏在需要焊接的元件位置.漏嘴下端與PCB之間間距為0.3mm,目的是保證錫漿可以容易的漏印在PCB上.
漏嘴的尺寸可以選擇,以滿足不同焊錫量的要求.
印刷速度 : 可調(diào)節(jié)，印刷速度的快慢對印在PCB上錫漿的份量有較大的影響.

1.3工藝窗口:
印刷速度:在機(jī)器設(shè)置完成后,只有印刷速度可通過電子調(diào)節(jié).要達(dá)到好的印刷品質(zhì),必須具備以下幾點(diǎn):
1. 漏嘴的大小合適,太大引起錫漿過多而短路；太小引起錫漿過少而少錫.
2. 模板平面度好，無變形.
3. 各參數(shù)設(shè)置正確(機(jī)械設(shè)置):
(1)漏嘴下端與PCB之間間距為0.3mm.
(2)刮刀與模板之間間距為0.1-0.3mm,角度為9度.

2. 插入元件。
采用人工的方法將電子元件插入線路板中，如電容，電阻，排插，開關(guān)等。
元件在插入前線腳已經(jīng)剪切。在焊接后無須再剪切線腳.而波峰焊是在焊接后才進(jìn)行元件線腳剪切.

3. 點(diǎn)焊回流爐.
采用的機(jī)器：SONY點(diǎn)焊回流爐MSR-M201。需用特別的模板配合回流爐使用.

3.1原理 :
熱風(fēng)氣流通過特制的模板上噴嘴,在一定的溫度曲線下,將印刷在PCB上元件孔位處的錫漿熔化,然后冷卻,形成焊點(diǎn),將通孔元件焊接與線路板上.

3.2 回流爐的結(jié)構(gòu):
共有四個溫區(qū): 兩個預(yù)熱區(qū),一個回流區(qū),一個冷卻區(qū).只有下部才有加熱區(qū),而上方則沒有加熱區(qū),不象SMT回流爐上下都有加熱區(qū).這樣的設(shè)計(jì)可以盡量較少溫度對元件本體的損壞.
兩個預(yù)熱區(qū)和一個回流區(qū)的溫度可以獨(dú)立進(jìn)行控制,冷卻區(qū)則為風(fēng)冷.
回流區(qū)為最關(guān)鍵的溫區(qū),它需要特殊的回流模板.

3.3點(diǎn)焊回流爐回流區(qū)工作示意圖:
模板: 厚度為15mm,模板主要由耐高溫金屬板及許多噴嘴組成.
噴嘴: 噴嘴的作用是熱風(fēng)通過它吹到線路板錫漿上. 噴嘴的數(shù)量與元件腳的數(shù)量一樣, 噴嘴的位置與元件腳的位置一樣,以保證熱風(fēng)正好吹在需要焊接的元件位置,提供足夠的熱量.
**噴嘴上端與PCB之間間距為3mm.
**噴嘴的尺寸可以選擇,以滿足不同元件不同位置的熱量需求.

3.4. 回流爐的設(shè)置:
根據(jù)PCB上焊接點(diǎn)的多少,來決定溫度設(shè)置.以下是筆者所用的溫度設(shè)置:

設(shè)置溫度 實(shí)際溫度
預(yù)熱溫區(qū)1溫度: 380OC 380 OC+/-10 OC
預(yù)熱溫區(qū)2溫度: 430OC 430OC+/- 10OC
回流溫區(qū)溫度: 440OC 440OC+/- 10OC

回流時間: 27 Sec
熱風(fēng)氣流: 250 NL/Min
傳送帶速度: 0.74 米/分

** 注意: 此回流時間是指PCB在回流區(qū)停留的時間,而不是回流曲線中的”回流時間”.
在此溫區(qū),PCB被迅速加熱直到最高溫度,當(dāng)回流時間結(jié)束時,PCB被迅速送出并冷卻.

五. 錫漿.
采用含有金屬Bi的錫漿,成分為46Sn/46Pb/8Bi.
由于含有Bi, 熔點(diǎn)為178度,比63Sn/37Pb的183度低5度,目的是降低回流的溫度,避免SMT元件再熔而跌落.SMT采用的是63Sn/37Pb.
采用的錫漿要求流動性好,以滿足印刷的要求.
錫漿可在常溫下放置較長時間,最長為7天。

金屬組成部分Sn : 46+/-1%,Bi : 8+/-1%,Pb: 剩余部分;松香含量(重量)9.5 +/-0.5%
粘度 240+/-30 Pa.S
粉末尺寸 25um以下,<10% 25-50 um,> 89% 50um以上,<1%
熔點(diǎn) 163OC固相線, 178OC液相線

六. 溫度曲線.　
由于通孔回流焊的錫漿,元件性質(zhì)完全不同于SMT回流,故溫度曲線也截然不同.

溫度 預(yù)熱區(qū) 回流區(qū) 冷卻區(qū)

溫度曲線分為三個區(qū)域:
A. 預(yù)熱區(qū).
將線路板由常溫加熱到100OC-140OC左右,目的是線路板及錫漿預(yù)熱,避免線路板及錫漿在熔焊區(qū)受到熱沖擊。如果板上有不耐高溫的元件,則可以將此溫區(qū)的溫度降低,以免損壞元件.

B. 回流區(qū).(主加熱區(qū))
溫度上升到錫漿熔點(diǎn),且保持一定的時間.使錫漿完全熔化。最高溫度在200-230OC.
在178OC以上的時間為30-40秒.

C. 冷卻區(qū).
借助冷卻風(fēng)扇,降低錫漿溫度，形成錫點(diǎn)，并將線路板冷卻至常溫。