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            新聞 > 專(zhuān)業(yè)PCBA加工工廠(chǎng)_PCBA代工代料一站式服務(wù)_PCBA行業(yè)資訊 >小銘工業(yè)互聯(lián)網(wǎng): 5G萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代,保證PCBA高可靠焊接的各種類(lèi)型回流焊接工藝解析!

            5G萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代,保證PCBA高可靠焊接的各種類(lèi)型回流焊接工藝解析!

            來(lái)源:SMT行業(yè)頭條     時(shí)間:2022/12/12

            隨著(zhù)SMT電子元器件不斷向小型化發(fā)展,芯片集成度越來(lái)越高,無(wú)論是筆記本、智能手機還是醫療器械、汽車(chē)電子,軍工和航天產(chǎn)品,產(chǎn)品中的陣列封裝的BGA、CSP等器件應用越來(lái)越多,對產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越多。

            5G是2019年火熱的詞匯,而今5G時(shí)代揭開(kāi)序幕,從手機PCBA電路板內部來(lái)看,相比4G手機,5G手機的設計難點(diǎn)除了基帶芯片之外,主要集中在射頻、天線(xiàn)等處。由于5G比4G頻率至少高1倍、頻帶寬5倍、頻段高達29個(gè)、功率高5倍、速率高10倍、天線(xiàn)多幾十倍。這都需要我們不斷的提高工藝能力 ,增加高端設備,通過(guò)高質(zhì)量焊接保證高可靠性產(chǎn)品。

            PCBA高可靠焊接的各種工藝解析

            在高精密的電子制造工序中SMT生產(chǎn)設備有不少,主要自動(dòng)化設備有SMT自動(dòng)X(jué)-RAY點(diǎn)料機、SMT首件檢測儀、全自動(dòng)錫膏印刷機、在線(xiàn)3D-SPI錫膏印刷檢測儀、貼片機、回流焊、在線(xiàn)AOI光學(xué)檢測儀、在線(xiàn)PCBA全自動(dòng)銑刀分板機等。

            每種設備都有特定的功用和用途,回流焊爐是SMT生產(chǎn)線(xiàn)后道工序,負責將已經(jīng)貼裝好的PCB電路板和元器件的焊料融化后與主板粘結。

            回流焊已成為SMT的主流工藝,我們常用的智能手機板卡上的元件大都是通過(guò)這種工藝焊接到線(xiàn)路板上的 , 是靠熱氣流對焊點(diǎn)的作用,膠狀的焊劑在一定的高溫氣流下進(jìn)行物理反應達到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因為氣體在焊機內循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生高溫達到焊接目的;回流焊爐同樣有很多品種,比如熱風(fēng)回流焊、氮氣回流焊、氣相回流焊、真空回流焊等。

            SMT回流焊接,是電子板組裝作業(yè)中的重要工序,如果沒(méi)有較好的掌握它,不但會(huì )出現許多“臨時(shí)故障”還會(huì )直接影響焊點(diǎn)的壽命;下面SMT行業(yè)頭條小編收集了電子制造業(yè)當下流行的各類(lèi)SMT回流焊接工藝和大家分享,希望對SMT行業(yè)的精英小伙伴們工作有幫助 !

            SMT回流焊是SMT組裝過(guò)程的關(guān)鍵設備,PCBA焊接的焊點(diǎn)質(zhì)量完全取決于回流焊接設備的性能和溫度曲線(xiàn)的設置。

            回流焊接技術(shù)經(jīng)歷了板式輻射加熱、石英紅外管加熱、紅外熱風(fēng)加熱、強制熱風(fēng)加熱、強制熱風(fēng)加熱加氮氣保護等不同形式的發(fā)展過(guò)程。

            01

            熱板、推板式傳導回流焊

            這類(lèi)回流焊爐依靠傳送帶或推板下的熱源加熱,通過(guò)熱傳導的方式加熱基板上的元件,用于采用陶瓷(Al2O3)基板厚膜電路的單面組裝,陶瓷基板上只有貼放在傳送帶上才能得到足夠的熱量,其結構簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜。我國的一些厚膜電路廠(chǎng)在80年代初曾引進(jìn)過(guò)此類(lèi)設備。

            02

            紅外輻射回流焊

            此類(lèi)回流焊爐也多為傳送帶式,但傳送帶僅起支托、傳送基板的作用,其加熱方式主要依紅外線(xiàn)熱源以輻射方式加熱,爐膛內的溫度比前一種方式均勻,網(wǎng)孔較大,適于對雙面組裝的基板進(jìn)行回流焊接加熱。這類(lèi)回流焊爐可以說(shuō)是回流焊爐的基本型。在我國使用的很多,價(jià)格也比較便宜。

            03

            紅外加熱風(fēng)回流焊

            這類(lèi)回流焊爐是在IR爐的基礎上加上熱風(fēng)使爐內溫度較均勻,單純使用紅外輻射加熱時(shí),人們發(fā)現在同樣的加熱環(huán)境內,不同材料及顏色吸收熱量是不同的,即(1)式中Q值是不同的,因而引起的溫升ΔT也不同,例如IC等SMD的封裝是黑色的酚醛或環(huán)氧,而引線(xiàn)是白色的金屬,單純加熱時(shí),引線(xiàn)的溫度低于其黑色的SMD本體。加上熱風(fēng)后可使溫度更均勻,而克服吸熱差異及陰影不良情況,IR + Hot air的回流焊爐在國際上曾使用得較普遍。

            04

            氮氣回流焊

            隨著(zhù)組裝密度的提高,精細間距(Fine pitch)組裝技術(shù)的出現,產(chǎn)生了充氮回流焊工藝和設備,改善了回流焊的質(zhì)量和成品率,已成為回流焊的發(fā)展方向。

            氮氣回流焊有以下優(yōu)點(diǎn):

            (1) 防止減少氧化

            (2) 提高焊接潤濕力,加快潤濕速度

            (3) 減少錫球的產(chǎn)生,避免橋接,得到列好的焊接質(zhì)量

            得到列好的焊接質(zhì)量特別重要的是,可以使用低活性助焊劑的錫膏,同時(shí)也能提高焊點(diǎn)的性能,減少基材的變色,但是它的缺點(diǎn)是成本明顯的增加,這個(gè)增加的成本隨氮氣的用量而增加,當你需要爐內達到1000ppm含氧量與50ppm含氧量,對氮氣的需求是有天壤之別的?,F在的錫膏制造廠(chǎng)商都在致力于開(kāi)發(fā)在較高含氧量的氣氛中就能進(jìn)行良好的焊接的免洗焊膏,這樣就可以減少氮氣的消耗。

            對于中回流焊中引入氮氣,必須進(jìn)行成本收益分析,它的收益包括產(chǎn)品的良率,品質(zhì)的改善,返工或維修費的降低等等,完整無(wú)誤的分析往往會(huì )揭示氮氣引入并沒(méi)有增加最終成本,相反,我們卻能從中收益。

            在目前所使用的大多數爐子都是強制熱風(fēng)循環(huán)型的,在這種爐子中控制氮氣的消耗不是容易的事。有幾種方法來(lái)減少氮氣的消耗量,減少爐子進(jìn)出口的開(kāi)口面積,重要的一點(diǎn)就是要用隔板,卷簾或類(lèi)似的裝置來(lái)阻擋沒(méi)有用到的那部分進(jìn)出口的空間,另外一種方式是利用熱的氮氣層比空氣輕且不易混合的原理,在設計爐的時(shí)候就使得加熱腔比進(jìn)出口都高,這樣加熱腔內形成自然氮氣層,減少了氮氣的補償量并維護在要求的純度上。

            05

            通孔回流焊

            通孔回流焊有時(shí)也稱(chēng)作分類(lèi)元件回流焊,正在逐漸興起。它可以去除波峰焊環(huán)節,而成為PCB混裝技術(shù)中的一個(gè)工藝環(huán)節。一個(gè)好處就是可以在發(fā)揮表面貼裝制造工藝的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)使用通孔插件來(lái)得到較好的機械聯(lián)接強度。對于較大尺寸的PCB板的平整度不能夠使所有表面貼裝元器件的引腳都能和焊盤(pán)接觸,同時(shí),就算引腳和焊盤(pán)都能接觸上,它所提供的機械強度也往往是不夠大的,容易在產(chǎn)品的使用中脫開(kāi)而成為故障點(diǎn)。

            盡管通孔回流焊可發(fā)取得償還好處,但是在實(shí)際應用中仍有幾個(gè)缺點(diǎn),錫膏量大,這樣會(huì )增加因助焊劑的揮了冷卻而產(chǎn)生對機器污染的程度,需要一個(gè)有效的助焊劑殘留清除裝置。另外一點(diǎn)是許多連接器并 沒(méi)有設計成可以承受回流焊的溫度,早期基于直接紅外加熱的爐子已不能適用,這種爐子缺少有效的熱傳遞效率來(lái)處理一般表面貼裝元件與具有復雜幾何外觀(guān)的通孔連接器同在一塊PCB上的能力。只有大容量的具有高的熱傳遞的強制對流爐子,才有可能實(shí)現通孔回流,并且也得到實(shí)踐證明,剩下的問(wèn)題就是如何保證通孔中的錫膏與元件腳有一個(gè)適當的回流焊溫度曲線(xiàn)。隨著(zhù)工藝與元件的改進(jìn),通孔回流焊也會(huì )越來(lái)越多被應用。

            在傳統的電子組裝工藝中,對于安裝有過(guò)孔插裝元件(THD)印制板組件的焊接一般采用波峰焊接技術(shù)。但波峰焊接有許多不足之處:不適合高密度、細間距元件焊接;橋接、漏焊較多;需噴涂助焊劑;印制板受到較大熱沖擊翹曲變形。因此波峰焊接在許多方面不能適應電子組裝技術(shù)的發(fā)展。

            為了適應表面組裝技術(shù)的發(fā)展,解決以上焊接難點(diǎn)的措施是采用通孔回流焊接技術(shù)(THR,Through-hole Reflow),又稱(chēng)為穿孔回流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。該技術(shù)原理是在印制板完成貼片后,使用一種安裝有許多針管的特殊模板,調整模板位置使針管與插裝元件的過(guò)孔焊盤(pán)對齊,使用刮刀將模板上的錫膏漏印到焊盤(pán)上,然后安裝插裝元件,最后插裝元件與貼片元件同時(shí)通過(guò)回流焊完成焊接。

            從中可以看出穿孔回流焊相對于傳統工藝的優(yōu)越性:首先是減少了工序,省去了波峰焊這道工序,節省了費用,同時(shí)也減少了所需的工作人員,在效率上也得到了提高;其次回流焊相對于波峰焊,產(chǎn)生橋接的可能性要小的多,這樣就提高了一次通過(guò)率。穿孔回流焊相對傳統工藝在經(jīng)濟性、先進(jìn)性上都有較大優(yōu)勢。

            通孔回流焊接技術(shù)起源于日本SONY公司,20世紀90年代初已開(kāi)始應用,但它主要應用于SONY自己的產(chǎn)品上,如電視調諧器及CD Walkman。我國在20世紀90年代中期從日本引進(jìn)這種技術(shù),當時(shí)國內無(wú)錫無(wú)線(xiàn)電六廠(chǎng)、上海金陵無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)、成都8800廠(chǎng)、重慶測試儀器廠(chǎng)、深圳東莞調諧器廠(chǎng)等幾個(gè)調諧器生產(chǎn)廠(chǎng)應用了此技術(shù),獲得了較好的收益,目前在CD、DVD激光機芯伺服板及DVD-ROM伺服板、筆記本電腦主板等領(lǐng)域都有了廣泛的應用。

            (1)可靠性高,焊接質(zhì)量好,不良比率DPPM可低于20。

            (2)虛焊、橋接等焊接缺陷少,修板的工作量減少。

            (3)PCB面干凈,外觀(guān)明顯比波峰焊好。

            (4)簡(jiǎn)化了工序。由于省去了點(diǎn)(或印刷)貼片膠工序、波峰焊工序、清洗工序,使操作和管理都簡(jiǎn)單化。因同一產(chǎn)品中使用的材料和設備越少越容易管理。而且再流焊爐的操作比波峰焊機的操作簡(jiǎn)便得多,無(wú)錫渣的問(wèn)題,勞動(dòng)強度低。

            (5)降低成本,增加效益。采用此工藝后,免去了波峰焊設備和清洗設備、波峰焊和清洗廠(chǎng)房、波峰焊和清洗工作人員,以及大量的波峰焊材料和清洗劑材料。雖然免清洗焊膏的價(jià)格略高于非免清洗焊膏的價(jià)格,但總體來(lái)看可大大降低成本,增加效益。

            通孔回流焊接生產(chǎn)工藝流程 :

            生產(chǎn)工藝流程與SMT流程極其相似,即印刷焊膏一插入元件一回流焊接,無(wú)論對于單面混裝板還是雙面混裝板,流程相同。

            錫膏印刷工藝 :

            焊膏的選擇 , 通孔回流所用的焊膏黏度較低,流動(dòng)性好,便于流入通孔內。一般在SMT工藝以后進(jìn)行通孔回流,若SMT采用的焊膏合金成分為63Sn37Pb,那么為了保證通孔回流時(shí)SMT元件不會(huì )再次熔化而掉落,焊膏中焊錫合金的成分可采用熔點(diǎn)稍低的46Sn46Pb8Bi(178℃),焊料顆粒尺寸25μm以下<10%,25~50μm>89%,50μm以上<1%。

            由于電子產(chǎn)品越來(lái)越重視小型化、多功能,使電路板上的元件密度越來(lái)越高,許多單面和雙面板都以表面貼裝元器件為主。但是,由于連接強度、可靠性和適用性等因素,某些通孔元件仍無(wú)法片式化,特別是周邊連接器。在傳統SMT混裝工藝中,通孔插裝元件大多采用波峰焊、選擇性波峰焊、焊錫機器人、手工焊,這些傳統方法,尤其是波峰焊和手工焊接質(zhì)量遠不如再流焊的質(zhì)量;目前許多電子產(chǎn)品通孔元件的比例只占元件總數的10%-5%甚至更少,采用波峰焊、選擇性波峰焊、自動(dòng)焊錫機器人、手工焊及壓接等方法的組裝費用遠遠超過(guò)該比例,單個(gè)焊點(diǎn)的費用很高。因此,通孔元件再流焊技術(shù)日漸流行,通孔插裝元件采用再流焊替代波峰焊(即純再流焊工藝)已成為當前SMT工藝技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)之一。

            06

            垂直固化回流焊

            5G 的普及,高可靠性高質(zhì)量終端產(chǎn)品的點(diǎn)膠固化工藝首選垂直加固化爐! 幾乎所有點(diǎn)膠封裝材料都需要較長(cháng)的固化時(shí)間,所以用在線(xiàn)式連續生產(chǎn)的固化爐是不實(shí)際的,平時(shí)大家經(jīng)常使用“批次烘爐”,但垂直烘爐的技術(shù)也趨于完善,尤其在加熱曲線(xiàn)比回流爐簡(jiǎn)單時(shí),垂直烘爐完全能夠勝任。

            芯片底部填充&元件精密包封點(diǎn)膠工藝

            垂直烘爐使用一個(gè)垂直升降的傳送系統作為“緩沖與累加器”,每一塊PCB都必須通過(guò)這一道工序循環(huán)。這樣的結果就是得到了足夠長(cháng)的固化時(shí)間,而同時(shí)減少了占地面積。

            市場(chǎng)對于縮小體積的需求,使CSP(如FLIP CHIP)得到較多應用,這樣元件貼裝后具有較小的占地面積和較高的信號傳遞速率。填充或灌膠被用來(lái)加強焊點(diǎn)結構使其能抵受住由于硅片與PCB材料的熱膨脹系數不一致而產(chǎn)生的應力,一般常會(huì )采用上滴或圍填法來(lái)把晶片用膠封起來(lái)。

            許多這樣的封裝膠都需要較長(cháng)的固化時(shí)間,對于在線(xiàn)生產(chǎn)的爐子來(lái)講是不現實(shí)的,通常會(huì )使用成批處理的烘爐,但是垂直烘爐已經(jīng)被證明可以成功地進(jìn)行固化過(guò)程,并且其溫度曲線(xiàn)比普通回流爐較簡(jiǎn)單,垂直烘爐使用一個(gè)PCB傳輸系統來(lái)扮演緩沖區/堆積區的作用,這樣就延長(cháng)了PCB板在一個(gè)小占地面積的烘爐中駐留的時(shí)間。

            垂直固化爐工作原理簡(jiǎn)圖

            全自動(dòng)垂直回流爐主要用于高端制造業(yè)中的汽車(chē)電子,5G通訊產(chǎn)品制造業(yè)的芯片粘接,底部填充,元件封裝,點(diǎn)膠密封,精密包封,底部填充+銀漿/散熱膠,高精密非接觸噴射底部填充點(diǎn)膠等組裝作業(yè)需要熱固化的生產(chǎn)環(huán)節。應用行業(yè)遍布 SMT/EMS、家電、太陽(yáng)能、汽車(chē)電子、軍工、半導體、醫療器械等。

            07

            真空回流焊

            在5G的爆發(fā)下,許多行業(yè)正在產(chǎn)生重大技術(shù)改革,如汽車(chē)智能駕駛領(lǐng)域,智能家居,醫療遠程智能手術(shù)領(lǐng)域……而這些領(lǐng)域都需要高品質(zhì)高可靠性焊接。5G通訊由于數據傳輸量遠遠大于商業(yè)4G通訊,對焊接的可靠性要求會(huì )比較高。由于氣泡空洞不利于散熱和高頻頻率衰減,因此必須有效地控制半導體元器件自身空洞率,5G通訊基站板焊接過(guò)程的空洞率,以及5G手機主板焊接的空洞率等。

            SMT貼片PCBA在回流焊接之后,焊點(diǎn)里通常都會(huì )殘留有部分空洞,焊點(diǎn)面積越大,空洞的面積也會(huì )越大;其原因是由于在熔融的焊料冷卻凝固時(shí),焊料中產(chǎn)生的氣體沒(méi)有逃逸出去,而被“凍結”下來(lái)形成空洞。影響空洞產(chǎn)生的因素是多方面的,與焊膏選擇、器件封裝形式、焊盤(pán)設計、 PCB 焊盤(pán)表面處理方式、網(wǎng)板開(kāi)孔方式、回流曲線(xiàn)設置等都有關(guān)系。

            真空回流焊接工藝是在回流焊接過(guò)程中引入真空環(huán)境的一種回流焊接技術(shù),相對于傳統的回流焊,真空回流焊在產(chǎn)品進(jìn)入回流區的后段,制造一個(gè)真空環(huán)境,大氣壓力可以降到 5mbar(500pa)以下,并保持一定的時(shí)間,從而實(shí)現真空與回流焊接的結合,此時(shí)焊點(diǎn)仍處于熔融狀態(tài),而焊點(diǎn)外部環(huán)境則接近真空,由于焊點(diǎn)內外壓力差的作用,使得焊點(diǎn)內的氣泡容易從中溢出,焊點(diǎn)空洞率大幅降低。

            非真空與真空條件下回流焊接空洞形成對比示意圖

            業(yè)內專(zhuān)業(yè)人士分析,譬如傳統的焊接氣泡空洞率是20%~25%以?xún)?,空洞率IPC標準也是制定在25%,但功率器件的空洞標準現在要求≤5%(有些器件要求在≤3%),PCB&銅基板&鋁基板焊接空洞率要求≤10~15%。

            真空爐就是為了解決這個(gè)氣泡和空洞問(wèn)題的武器,通過(guò)高品質(zhì)、高穩定性和節能高效的焊接設備,在幫助電子企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),減少了其日常電能和氮氣成本,以及企業(yè)的停線(xiàn)和保養成本。

            真空回流爐示意圖

            真空回流焊,也可稱(chēng)作真空/可控氣氛共晶爐,它熱容量大,PCB表面溫差小,已廣泛應用于歐美航空、航天、軍工電子等領(lǐng)域。它采用紅外輻射加熱原理,具有溫度均勻一致、超低溫安全焊接、無(wú)溫差、無(wú)過(guò)熱、工藝參數可靠穩定、無(wú)需復雜工藝試驗、環(huán)保成本運行低等特點(diǎn),滿(mǎn)足軍品多品種、小批量、高可靠焊接需要。

            BGA焊點(diǎn)非真空和真空焊接氣泡對比

            真空回流焊的焊接系統是在相對密閉同時(shí)有真空輔助的條件下進(jìn)行焊接的,而這種焊接系統恰恰對產(chǎn)品質(zhì)量有較好的優(yōu)勢,在此條件下真空回流焊能夠通過(guò)高效排出焊料中助焊劑揮發(fā)時(shí)產(chǎn)生的氣泡,使產(chǎn)品焊接面的空洞率有效降低,從而有效地提高了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

            大面積焊點(diǎn)非真空和真空焊點(diǎn)對比

            隨著(zhù)電子行業(yè)的發(fā)展,越來(lái)越多的客戶(hù)對產(chǎn)品可靠性的要求越來(lái)越高。為了有效的降低空洞率,促使我們使用更新的設備完成這一要求,但是新設備的使用必然要對我們現有的模式和工藝窗口進(jìn)行調整,也會(huì )出現許多的新問(wèn)題,這需要我們去深入的探討和發(fā)現。

            以上我們介紹了圍繞著(zhù)設備改進(jìn)、回流焊裝備的發(fā)展沿革。實(shí)事上回流焊工藝的發(fā)展收到以下兩方面的推動(dòng):

            (1)電子產(chǎn)品向短、小、輕、薄化發(fā)展。組裝高密度化,SMC/SMD微細間距化,SMC/SMD品種規格系列化,特別是異型元件與機電元件日益增多,這諸多的新發(fā)展迫使作為SMT中的重要工藝回流焊工藝亦面臨著(zhù)挑戰,需要不斷地發(fā)展和完善以提高焊接質(zhì)量和成品率。

            (2)人類(lèi)文明發(fā)展到今天,控制三廢(廢氣、廢料、廢水)保護環(huán)境已成為共識。傳統的錫膏中含有助焊劑,其焊接后的殘留物需要用氟里昂(CFC)及丙酮等溶劑來(lái)清洗,而這些溶劑都會(huì )對環(huán)境造成污染,為了避免污染相應出現了水清洗工藝和免清洗工藝還有新型焊錫膏。

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