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电子厂SMT贴片与THR通孔回流焊各种类型焊接工艺技术解析

2019-07-09 13:50:00
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回流焊 技术在电子制造领域并不陌生,大家智能手机内使用的各种PCBA板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的 SMT回流焊是通过熔化预先放置的焊料面形成焊点,在焊接过程中不再加任何额外焊料的一种焊接方法,通过设备内部的加热电路, 空气 氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板,让元件两侧的 锡膏焊料融化后与主板粘结, 这种工艺的优势是温度易于控制,焊接过程中还能避免氧化,制造成本也更容易控制


回流焊已成为SMT的主流工艺 大家常用的智能手机板卡上的元件大都是通过这种工艺焊接到线路板上的 ,  是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接;之所以叫" 回流焊 "是因为气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的。


回流焊接设备是SMT组装过程的关键设备,PCBA焊接的焊点质量完全取决于回流焊接设备的性能和温度曲线的设置。


回流焊接技术经历了板式辐射加热、石英红外管加热、红外热风加热、强制热风加热、强制热风加热加氮气保护等不同形式的发展过程。


SAC305无铅锡膏回流焊温度曲线图


回流焊接的冷却过程的要求提升,也对回流焊接设备冷却区的发展起到促进作用,冷却区由室温自然冷却、风冷到为适应无铅焊接而设计的水冷系统。

回流焊接设备因生产工艺对温度控制精确度、温区温度的均匀度、传送速度等要求的提升。而由最初的三温区发展出了五温区、六温区、七温区、八温区、十温区等不同的焊接系统。

高品质SMT回流焊更注重节能环保


        由于电子产品不断小型化的需要,出现了片状元件,传统的焊接方法已不能适应需要。首先在混合集成电路组装中采用了回流焊工艺,组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感,贴装型晶体管及二极管等。随着SMT整个技术发展日趋完善,多种贴片元件(SMC)和贴装器件(SMD)的出现,作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展,其应用日趋广泛,几乎在所有电子产品领域都已得到应用,而回流焊技术,围绕着设备的改进也经历以下发展阶段。


1。热板、推板式传导回流焊

这类 回流 炉依靠传送带或推板下的热源 加热 ,通过热传导的方式 加热基板 上的元件,用于采用陶瓷(Al2O3) 基板 厚膜电路的单面组装,陶瓷 基板 上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量,其结构简单,价格便宜。我国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类设备。 

2.红外辐射回流焊

此类 回流 炉也多为传送带式,但传送带仅起支托、传送 基板 的作用,其 加热 方式主要依红外线热源以辐射方式 加热 ,炉膛内的温度比前一种方式均匀,网孔较大,适于对双面组装的 基板 进行 回流 加热 。这类 回流 炉可以说是 回流 炉的基本型。在我国使用的很多,价格也比较便宜。 

3.红外加热风回流焊

这类 回流 炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更均匀,单纯使用红外辐射 加热 时,人们发现在同样的 加热环境 内,不同材料及颜色吸取热量是不同的,即(1)式中Q值是不同的,因而引起的温升ΔT也不同,例如 IC 等SMD的 封装 是黑色的酚醛或环氧,而引线是白色的金属,单纯 加热 时,引线的温度低于其黑色的SMD本体。加上热风后可使温度更均匀,而克服吸热差异及阴影不良情况,IR + Hot air的 回流 炉在国际上曾使用得很普遍。 

4.氮气回流焊

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 工艺和设备,改善了 回流 的质量和成品率,已成为 回流 的发展方向。氮气 回流 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,得到列好的焊接质量 
得到列好的焊接质量特别重要的是,可以使用更低活性 助焊剂 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,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。 
对于中 回流 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,大家却能从中收益。 
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。 

5。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 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 ,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 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 :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 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 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 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。 

6.通孔回流焊

通孔 回流 有时也称作分类元件 回流 ,正在逐渐兴起。它可以去除 波峰焊 环节,而成为 PCB 混装技术中的一个工艺环节。一个最大的好处就是可以在发挥 表面贴装 制造工艺的优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械联接强度。对于较大尺寸的 PCB 板的平整度不能够使所有 表面贴装 元器件的引脚都能和焊盘接触,同时,就算引脚和焊盘都能接触上,它所提供的机械强度也往往是不够大的,很容易在产品的使用中脱开而成为故障点。 
尽管通孔 回流 可发取得偿还好处,但是在实际应用中仍有几个缺点, 锡膏 量大,这样会增加因 助焊剂 的挥了冷却而产生对机器污染的程度,需要一个有效的 助焊剂 残留清除装置。另外一点是许多连接器并 没有设计成可以承受 回流 的温度,早期基于直接红外 加热 的炉子已不能适用,这种炉子缺少有效的热传递效率来处理一般 表面贴装 元件与具有复杂几何外观的通孔连接器同在一块 PCB 上的能力。只有大容量的具有高的热传递的强制对流炉子,才有可能实现通孔 回流 ,并且也得到实践证明,剩下的问题就是如何保证通孔中的 锡膏 与元件脚有一个适当的 回流 温度曲线。随着工艺与元件的改进,通孔 回流 也会越来越多被应用。 

在传统的电子组装工艺中,对于安装有过孔插装元件(THD)印制板组件的焊接一般采用波峰焊接技术。但波峰焊接有许多不足之处:不适合高密度、细间距元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;印制板受到较大热冲击翘曲变形。因此波峰焊接在许多方面不能适应电子组装技术的发展。

为了适应表面组装技术的发展,解决以上焊接难点的措施是采用通孔回流焊接技术(THR,Through-hole Reflow),又称为穿孔回流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。该技术原理是在印制板完成贴片后,使用一种安装有许多针管的特殊模板,调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐,使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上,然后安装插装元件,最后插装元件与贴片元件同时通过回流焊完成焊接。

从中可以看出穿孔回流焊相对于传统工艺的优越性:首先是减少了工序,省去了波峰焊这道工序,节省了费用,同时也减少了所需的工作人员,在效率上也得到了提高;其次回流焊相对于波峰焊,产生桥接的可能性要小的多,这样就提高了一次通过率。穿孔回流焊相对传统工艺在经济性、先进性上都有很大优势。

通孔回流焊接技术起源于日本SONY企业,20世纪90年代初已开始应用,但它主要应用于SONY自己的产品上,如电视调谐器及CD Walkman。 我国在20世纪90年代中期从日本引进这种技术,当时国内无锡无线电六厂、上海金陵无线电厂、成都8800厂、重庆测试仪器厂、深圳东莞调谐器厂等几个调谐器生产厂应用了此技术,获得了很好的收益,目前在CD、DVD激光机芯伺服板及DVD-ROM伺服板、笔记本电脑主板等领域都有了广泛的应用。

(1)可靠性高,焊接质量好,不良比率DPPM可低于20.

(2)虚焊、桥接等焊接缺陷少,修板的工作量减少。

(3)PCB面干净,外观明显比波峰焊好。

(4)简化了工序。由于省去了点(或印刷)贴片胶工序、波峰焊工序、清洗工序,使操作和管理都简单化。因同一产品中使用的材料和设备越少越容易管理。而且再流焊炉的操作比波峰焊机的操作简便得多,无锡渣的问题,劳动强度低。

(5)降低成本,增加效益。采用此工艺后,免去了波峰焊设备和清洗设备、波峰焊和清洗厂房、波峰焊和清洗工作人员,以及大量的波峰焊材料和清洗剂材料。虽然免清洗焊膏的价格略高于非免清洗焊膏的价格,但总体来看可大大降低成本,增加效益。


通孔回流焊接生产工艺流程 :

生产工艺流程与SMT流程极其相似,即印刷焊膏一插入元件一回流焊接,无论对于单面混装板还是双面混装板,流程相同。

锡膏印刷 工艺  :

焊膏的选择 ,  通孔回流所用的焊膏黏度较低,流动性好,便于流入通孔内。一般在SMT工艺以后进行通孔回流,若SMT采用的焊膏合金成分为63Sn37Pb,那么为了保证通孔回流时SMT元件不会再次熔化而掉落,焊膏中焊锡合金的成分可采用熔点稍低的46Sn46Pb8Bi(178℃),焊料颗粒尺寸25μm以下<10%,25~50μm>89%,50μm以上<1%。


由于电子产品越来越重视小型化、多功能,使电路板上的元件密度越来越高,许多单面和双面板都以表面贴装元器件为主。但是,由于连接强度、可靠性和适用性等因素,某些通孔元件仍无法片式化,特别是周边连接器。在传统SMT混装工艺中,通孔插装元件大多采用波峰焊、选择性波峰焊、焊锡机器人、手工焊,这些传统方法,尤其是波峰焊和手工焊接质量远不如再流焊的质量;目前很多电子产品通孔元件的比例只占元件总数的10%-5%甚至更少,采用波峰焊、选择性波峰焊、自动焊锡机器人、手工焊及压接等方法的组装费用远远超过该比例,单个焊点的费用很高。因此,通孔元件再流焊技术日渐流行,通孔插装元件采用再流焊替代波峰焊(即纯再流焊工艺)已成为当前SMT工艺技术发展动态之一。

7.无铅回流焊

出于对环保的考虑,铅在21世纪将会被严格限用。虽然电子工业中用铅较极小,不到全部用量1%,但也属于禁用之列,在未来的几年中将会被逐步淘汰。现在正在开发可靠而又经济的无铅焊料。目前开发出多种替代品一般都具有比锡铅合金高40C左右的熔点温度,这就意味着 回流 必须在更高的温度下进行。氮气保护可以部分消附除因温度提高而增加的氧化和对 PCB 本身的损伤。不过工业界大概必须经这一个痛苦的学习期来解决所遇到的问题,工尽快应用该制程,时间已经所省不多,现在所使用的许多炉子被设计成高不超出3000C的作业温度,对于无铅焊料或非共溶点 焊锡 (用于 BGA ,双面板等)来讲,则需要更高的炉子温度,这些新的制程通常要求 回流 区中的温度达到3500C~4000C,炉子的设计必须更改以满足这样的要求,机器中的热敏感部件必须被修改,或者要采取措施防止热量向这些部件传递。  

8.连续柔性板回流焊

特殊的炉子已经被开发出来处理贴装有 SMT 元件的连续柔性板。与普通 回流 炉最大不同点是这种炉子需要特制的轨道来传递柔性板。当然,这种炉子也需要能处理连续板的问题。对于分离的 PCB 板来讲,炉中的流量与前几段工位的状况无依赖关系,但是对于成卷连续的柔性板,柔性板在整条线上是连续的,线上任何一个特殊问题,停顿就意味着全线必须停顿,这样就产生一个特殊问题,停顿在炉子中的部分会因过热而损坏,因此,这样的炉子必须具备应变随机停顿的能力,继续处理完该段柔性板,并在全线恢复连续运转时回到正常工作状态。 

9.垂直真空回流焊

市场对于缩小体积的需求,使CSP(如FLIP CHIP)得到较多应用,这样元件贴装后具有更小的占地面积和更高的信号传递速率。填充或灌胶被用来加强焊点结构使其能抵受住由于 硅片 PCB 材料的热膨胀系数不一致而产生的应力,一般常会采用上滴或围填法来把晶片用胶封起来。许多这样的 封装 胶都需要很长的固化时间,对于在线生产的炉子来讲是不现实的,通常会使用成批处理的 烘炉 ,但是垂直 烘炉 已经被证明可以成功地进行固化过程,并且其温度曲线比普通 回流 炉更为简单,垂直 烘炉 使用一个 PCB 传输系统来扮演缓冲区/堆积区的作用,这样就延长了 PCB 板在一个小占地面积的 烘炉 中驻留的时间

市场对产品小型化的要求使倒焊片与DCA(倒装芯片技术)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。


底部填充包封材料起初应用于提高早期氧化铝(Al2O3)基材的倒装芯片的可靠性。在芯片最外围的焊点易疲劳而导致芯片功能失效。相对较小的硅片和基材间的热膨胀差异是芯片在经受热循环时产生这种问题的根源。这样,热循环的温度范围及循环的次数就决定了芯片的使用寿命。在芯片和基板间填充可固化的包封材料,可以很好地把热膨胀差异带来的集中于焊点周围的应力分散到整个芯片所覆盖的范围。


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。

以上大家先容了围绕着设备改进、 回流 装备的发展沿革。实事上 回流 工艺的发展收到以下两方面的推动: 
1. 电子产品向短、小、轻、薄化发展。组装高密度化,SMC/SMD微细间距化,SMC/SMD品种规格系列化,特别是异型元件与机电元件日益增多,这诸多的新发展迫使作为 SMT 中的重要工艺 回流 工艺亦面临着挑战,需要不断地发展和完善以提高焊接质量和成品率。 

2. 人类文明发展到今天,控制三废(废气、废料、废水)保护环境已成为共识。传统的锡膏中含有助焊剂,其焊接后的残留物需要用氟里昂(CFC)及丙酮等溶剂来清洗,而这些溶剂都会对环境造成污染,为了避免污染相应出现了水清洗工艺和免清洗工艺还有新型焊锡膏。


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