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关于回流焊工艺发展的讨论(二)

来源:    作者:www.shenzheneta.com    发布时间:2013-07-24 15:34    浏览量:0

通孔

通孔回流焊(也称插入式或带引针式回流焊)工艺在最近一段时期内应用得越来越广泛,因为它可以少过波峰焊这个工序,或者混装板(SMTTHT)也会用到它。这样做最主要的好处是可以利用现有的SMT设备来组装通孔式的接插件,因为通孔式的接插件有较好的焊点机械强度。在许多的产品中,表面贴装式的接插件不能提供足够的机械强度。另外,在大面积的PCB上,由于平整度的关系,很难使表面贴装式的接插件的所有引脚都与焊盘有一个牢固的接触。

虽然好的工艺可以用来处理通孔回流焊,但仍有一些值得讨论的问题。首先是通孔回流焊的焊膏用量特别大,因此在助焊剂挥发后形成的残留物也很多,会造成对机器的污染,所以助焊剂挥发管理系统有尤为重要。另外一个问题是许多通孔元器件,尤其是接插件,并非设计成可以承受回流焊的高温。

  基于红外回流炉(IR)的经验,如果用在通孔回流焊上是错误的。因为它没有考虑到热传递效应对于大块元器件与几何形状复杂的元器件(比如有遮敞效应的元器件)的不同,现有混装经常使用SMDTHT元器件。但对于强制热风回流炉来说,它有着极高的热传递效率,并不依靠红外辐射的高温。因此在混装产品中,普遍使用强制热风回流工艺。为了得到一个满意的焊接效果,问题的关键是要确保通孔回流焊基板各部份的焊膏量都恰到好处,以及注意那些不能承受温度变化与遮蔽效应的元器件,这个工艺发展的主要方向还是在工艺的完善与器件的改良上。

 柔性基板

为了处理表面安装柔性基板的焊接问题,一种专用的回流炉也被设计出来了,和一般回流炉最大的不同是在于它特殊的处理柔性基板的导轨。但是,这种回流炉也必须同时满足已连续式的柔性PCB与分离式PCB的焊接需要。

在处理分离式PCB基板时,回流炉的工作连续性并不受前道工序的影响。在卷式柔性基板的生产中,由于柔性基板是整条贯穿生产线,所以生产线上任何一处造成的停机都会使柔性基板带停止传递。这样就会产生一个问题:停在炉内的柔性基板便会因高温而遭到破坏。因此,这种特殊的炉必须允许这样情况发生:可以处理停在炉内的基板,并且在传送带恢复正常后立刻重新恢复正常的焊接操作。

 无铅焊膏

虽然近几年要求使用无铅焊膏的压力不象以前那样大,但人们依然关心焊膏中的含铅量与它对环境的影响,虽然电子业的铅污染只占所有铅污染量的百分之一以下,但有观察家还是认为有关禁止用含铅焊膏的法律在今后几年中将出台。这样就只能努力去寻找一种可靠、经济的替代品。许多代用品的熔点都比锡一铅合金高大约40°C。这意味着回流炉需要工作在一个更高的温度环境中,这时使用氮气保护可以部份的消除高温所带来的PCB氧化与破坏的影响。但是在实现无铅生产前,工业界是必须走一段痛苦的学习过程来解决将会面临的问题。

目前大多数炉的设计工作温度都在300°C以下,但无铅锡膏、非低熔点锡膏,在用于BGA、双面板、混装板的生产时,常需要更高的温度。有一些工艺在回流区的温度需要350°C400°C左右,因此必须改进炉的设计方案以迎合这种需求。另一方面,进入高温炉的热敏感元件必须做改进,减少在进行高温操作时这些元件的受热量。

垂直烘炉

市场对产品小型化的要求使倒焊片与DCA(芯片直接焊装)的应用越发的广泛。倒焊片技术是将芯片倒装后用焊球将其与基板直接焊接,这样可以提高信号传输速度及减少尺寸。另一种是底部填充工艺,这是将填充材料灌注入芯片与基板之间的空隙中,这是因为芯片与基板材料之间膨胀系数不一致,而填充材料则能保护焊点不受这种应力的影响。还有是球状封顶以及围坝填充技术,这两种技术是用覆盖材料将已焊接的裸芯片加以封装的工艺。几乎所有这几种封装材料都需要很长的固化时间,所以用在线式连续生产的固化炉是不实际的,平时大家经常使用批次烘炉,但垂直烘炉的技术也趋于完善,尤其在加热曲线比回流炉简单时,垂直烘炉完全能够胜任。垂直烘炉使用一个垂直升降的传送系统作为缓冲与累加器,每一块PCB都必须通过这一道工序循环。这样的结果就是得到了足够长的固化时间,而同时减少了占地面积。

在目前最先进的回流炉设计思想中,如何在增加产量的同时减少设备的维修量是一个关键的问题。随着免洗焊膏与低残留焊膏的大量使用。如何处理炉膏的助焊剂残留物这个问题也相应变得突出起来,因为这些焊膏内有大量的高沸点的溶剂来取代原来的松香,以获得理想的焊膏流变性。目前焊膏供应商正在研究性能更加优越的焊膏,但由于质量与工艺认证是一个费工费时的过程,所以它们的应用经常相对滞后。

同时,助焊剂造成的污染也成为回流炉的一个重要课题。从焊膏中挥发出来的物质重新凝结在机器冷却区表面形成污染物,这在充氮保护设备中表现得尤为突出,想要通过抽气口将挥发物抽走的方法在充氮炉中是不现实的。因为抽气口会带走大量有用的氮气。现在新型的助焊剂管理系统采用的方法是让气流在机内循环,经过一个凝结过滤装置,将助焊剂凝结在上面后除去,并将干净的气体(N2)放回炉内。这套系统大大减少了助焊在冷却区及其它地方的残留量,并且使维修和除去污染物的工作可以在不停机的情况下进行。

从助焊剂管理系统出来的冷气流重新回到冷却区,对于焊点的冷却与降低PCB出口温度都有额外的好处。另一方面,回流的冷气体进入炉内的其它地方还可以表现出另外一些好处,例如:分隔不同加热区的温度,或者扩大上下加热区的温差。但是不停机时间与费用是非常重要的,当公司的注意集中在运行费用上时,助焊剂管理系统就会显得非常重要。

回流炉如果使用周围的空气作为冷却介质,则可以采用大流量的方式冷却PCB,而且效率很高。在充氮炉中,因为气流量受到严格控制,所以这是另一种情况。热量必须从系统中被抽走,通常热交换采用的介质是气体或液体。冷却气体必须循环使用以降低氮气消耗。

在目前的冷却组件中,是通过一个鼓风机将气流循环应用,气流在热交换后被吹向PCB。这种冷却方式需要定期清理鼓风机与热交换系统上的助焊剂沉淀(虽然助焊剂管理系统已大大减少了助焊剂的沉积)。

Speedline集团现已开发了一种独特的NitroCool系统,它使用气流放大风刀来产生高速率的气流充当交换介质。循环气流是通过风刀而不是通过热交换器,以此来减少被阻塞的机率。在风刀上集成有自动清洁装置,使得气量在被阻塞物减弱之前就将助焊剂沉积物清除干净,因此,当其它设备的热交换器和鼓风机逐渐被助焊剂污染时,这套系统可以提供一个恒定不变的冷却速率。NitrCool系统还可以引导集中助焊剂管理系统里冷却的冷气流,进一步增强冷却的性能与效率。

额外的冷却组件使PCB出炉的温度控制在35°50°C之间。这样就允许将PCB直接输入下一工序而不需缓冲区间。另外,氮气保护同时也可以保护PCB的可焊性(而非用热空气来保护PCB的可焊性),这对于使用OSP的工艺尤为重要。

设备

制造费用是制造厂商最关心的一个问题,随着工厂地价的上涨,如何有效的利用空间也变得越来越重要,通常如果要增加产量就需加长加热区的长度。但自动宽度可调的双轨技术的应用则可以在很小的空间里完成同样的工作,这种双轨工艺技术,在印刷、点胶、贴片与回流都已开始应用,对于减少占地面积和节省资金都有巨大的潜力。

设备的可靠性与连续工作时间是非常值得研究的,因为许多工厂都采用三班倒与七天工作日的方式生产,极少有时间安排维修,还需处理临时的故障。对于回流炉的工艺及自动化操作的研究还有很长的路要走,使用复杂的软件可以进行多任务操作、通讯(通过GEM)、诊断、操作安全保护、以及在线显示与实时帮助。在将来,单位面积的产出量将大大增加,设备功能也大在加强,而且回流炉也越来越依靠软件与传感器来提高它的性能。

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