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表面组装(SMT)回流焊工艺的几点思考

发表时间：2021/5/20 来源：《基层建设》2020年第35期作者：张羽

[导读] 摘要：回流焊工艺是SMT 的核心技术，在整个工艺生产中，回流焊对整个生产的影响最为明显。

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        摘要：回流焊工艺是SMT 的核心技术，在整个工艺生产中，回流焊对整个生产的影响最为明显。在本次研究中，本文重点分析了SMT 回流焊工艺的相关内容，阐述了SMT 回流焊工艺的基本内容，并结合具体的生产试件，进一步研究了SMT 回流焊工艺的技术手段，希望能对相关人员工作有所帮助。
        关键词：SMT 回流焊工艺温度控制
        现代社会对电子产品的需求量不断增加，通过对电子产品生产工艺来看，回流焊技术是电子产品生产中的核心技术，其技术水平是影响电子产品生产质量的关键。有研究也指出，SMT 技术是现阶段电子行业中应用最为广泛的技术工艺，具有容易实现自动化、具备更高的组装密度等优点，在这种情况下，就需要进一步研究SMT 下回流焊工艺的内容，为进一步提高电子产品生产质量奠定基础。
        一、回流焊工艺分析
        回流焊工艺又被成为再流焊技术，通过重新融化预先分配到印制电路板焊盘上的软钎焊料，实现目标组间元器件之间更好的连接。在技术应用中，回流焊技术将无引线或者短引线的表面组装元器件直接粘贴在PCB 表面上，并以相应的技术手段进行焊接，其具体的生产工艺流程为：施加焊锡膏→贴装元器件→回流焊接→焊接质量检测→成品或者返修。通过对这一工艺流程进行分析后可以发现，在整个SMT 生产中，回流焊工艺发挥着重要的作用。
        通过对当前回流焊工艺的生产现状来看，很多SMT 工程都面临着较多的质量问题，例如在回流焊生产之后经常会发现元器件偏位、掉件等，这些现象严重影响了SMT 的整体生产质量，所以对SMT 回流焊工艺的研究具有必要性。
        二、回流焊工艺内容研究
        1、确定元件焊膏量
        在整个回流焊工艺中，确定元件焊膏量成为生产的关键指标，这是因为焊膏的体积影响固态金属焊点的质量，在理想的状态下，固态金属焊点是一个被完全填充的电镀通孔，并且在PCB 顶面、底面下存在焊接圆角。在回流焊工艺中，考虑到冶金方法、引脚条件等多种因素的影响，在SMT 回流焊接中很有可能无法确定焊接圆角的具体情况，所以为了能够更好的确定元件焊膏量，可以采用焊点简化形状来判断固态焊料的具体参数。在这个数据分析中，可以按照图1 的相关结构来进行判断，图1 将通孔元器件焊点假定为一个理想的焊接通孔环境。

        图 1 通孔器件焊点结构示意图
        根据图1 的结构，计算通孔焊点所需要的焊膏量的计算
        公式为：V=（V1+V2+V3-V4）/S
        在上述公式中，V1 代表圆锥体1 顶面的焊点体积；V2 代表圆锥体2 的地面焊点体积情况；V3 代表圆柱体2 通孔体积；V4 代表圆柱体1 通孔中原件引脚体积；S 代表焊膏回流后的体积收缩因素情况。
        2、焊膏印刷
        根据回流焊工艺的基本内容，在焊膏印刷过程中所需要确定的参数水平主要是刮刀压力、刮刀速度、脱模速度三个因素。其中，刮刀压力与刮刀速度已经成为影响印刷质量的重要因素，并且脱模速度会直接决定焊膏边沿的清晰度水平。根据一般的SMT 回流焊生产工艺而言，可将刮刀压力控制为50N，脱模速度为1.0-1.2mm/s、刮刀速度为20-25mm/s，在参数标准下，保证焊盘上的焊膏能够沿着规定的形状做安装，直到安装面的焊膏能够满足安装要求。
        3、元件安装
        在组装通孔元件前，需要先保证通孔元件成型，再插装。在正常的生产条件下，需将引脚成型的插装器件（主要指电阻、电容等）按照排列工序安装；在引脚成型后，对器件本体与PCB 之间预留一定的间隙，将引脚伸出到PCB 焊接面之外，伸出的长度为1.5-2.0mm。成型结束后，采用贴片机贴片工艺手段，将孔元件安装在试件上。
        4、回流焊接
        选用无铅BGA，其他均为铅类制品器件，选择OL-107E 有铅焊料。焊接回流生产中，先确定回流焊接曲线，采用“下有铅、无铅混装”的生产工艺；之后控制焊接回流温度，当温度达到230℃ -235℃水平后，发现液相线上的温度时间大于50s，在这种约束条件下进行回流焊接。多数实验证明，这种条件下能够让无铅焊料得到充分回流，并且能够避免过热温度直接冲击有铅器件，获得更理想的回流效果。
        5、焊接质量检测
        在回流焊接结束后，首先要观察试件的外观情况，在观察到试件表面元件的焊接点饱满并且具有良好的润湿性之后，才能确定焊接质量。除此之外，还应该观察通孔插装元件的焊接点情况，观察到焊接点的表面圆润、无拉尖，并且外观形状完全符合SJ20882-2003 的标准要求后，才能确认回流焊接的生产工艺达到预期水平。
        三、回流焊接常见质量缺陷及改进方法
        在生产过程中，由于回流焊传输速度的快慢、各温区的温度变化、印刷机印刷质量、贴片机贴装的精准度等因素，回流焊接经常会出现一些缺陷，常见的回流焊缺陷有锡珠、锡桥、立碑等现象。
        1、锡珠
        锡珠类似于焊球，只是体积小很多，锡珠一般是在焊接前锡膏因为各种原因而超出焊盘外，而焊接后独立出现在焊盘与引脚外面，未能与锡膏融合，从而形成锡珠，锡珠经常出现在元器件两侧或细间距引脚之间，容易造成电路板短路。
        （1）锡珠形成的原因
        ①回流焊机升温区温度设置不当，若预热时间短不充分，助焊剂活性较低不能去除焊盘和焊料颗粒表面的氧化膜，容易产生锡珠；若预热温度升温过快，锡膏中水汽和溶剂气化膨胀也容易产生锡珠。②钢网开口尺寸腐蚀精度达不到要求，容易造成钢网开口尺寸有毛刺，印刷后锡膏成型不佳，有毛刺或缺口；钢网太厚或者印刷压力过大，容易造成焊锡膏堆积太厚，从而影响锡膏印刷质量，当经过回流焊接时，这些毛刺或过多的锡膏就容易凝结成锡珠。③印刷电路板清洁不干净，残留有焊锡膏，经过回流焊高温后，由于残留的焊锡膏分布在焊盘周围，靠近焊盘和元器件焊端的锡膏被拉回焊接位置形成焊点，而远离焊盘和元器件焊端的锡膏逐渐向元器件中间收缩，在元器件的周围或者侧面产生锡珠。
        （2）锡珠的工艺改进方法
        根据以上原因分析，制定如下工艺改进方法：①将预热区预热温度控制在120-150℃，温度上升速度为1-4℃/s，时间保持90s 左右，其次合理优化回流焊接曲线，随着温度的不断升高，锡膏的润湿性明显改善，减少了锡珠的产生，但回流焊温度过高，容易损伤元器件、电路板和焊盘，因此选择合适的焊接温度，回流温度控制在220-245℃之间。②重新优化焊盘图案的形状和中心距离，选择合适的钢网材料和钢网工艺，调整印刷机的印刷参数，合理设置印刷压力，从而改善锡膏印刷质量，能有效降低锡珠的形成。③二次印刷的电路板，需用酒精清洗干净，并用气枪吹扫，去除电路板上残留的焊锡膏，同时严格遵照生产工艺要求进行生产，规范操作流程。
        2、锡桥
        锡桥是指两个或者多个焊点出现搭桥或连锡现象，使得电路出现短路，对电路板的功能造成严重影响，有时会因为短路二而烧坏电路板或仪器。一般钢网的开孔尺寸偏大、印刷时连锡、焊料过多，焊锡膏在熔化时，多余的焊料不能拉回到焊盘位置，在相邻引脚之间形成锡桥
        四、结论
        在表面组装生产过程中，回流焊工艺已经成为影响SMT 质量的重要因素。在本次研究中，本文介绍了一种SMT 回流焊工艺的工艺内容，从相关技术的应用情况来看，本文所介绍的回流焊工艺具有可行性，能满足多种情况下的生产要求，且适应性强，所以值得在更多地区做进一步推广。
        参考文献：
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