SMT混装时通孔回流焊接技术

在<<2002北京国际SMT技术交流会论文集>>中有一篇<>,此文章较详细地说明通孔回流焊接工艺的试验情况,但有些地方需要补充.因为此工艺已不在处于试验阶段,而是已应用于量产中.同时,笔者在与电子制造业的同行交流中发现,极少的人了解此工艺.借此机会,笔者愿将此工艺技术及经验与各位同行分享,探讨共同为PCBA焊接工艺技术提高而努力.

一. 概述.
通孔回流焊接技术起源于日本SONY公司,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.
通孔回流焊接技术采用的是点印刷及点回流的方式,所以又称为Spot Reflow Process,即点焊回流工艺.笔者所在的企业采用此工艺.主要用于CD,DVD激光机芯伺服板以及DVD-ROM伺服板的生产.取得了较好的效益.

二. 通孔回流焊接生产工艺流程.
它的生产工艺流程与SMT流程极其相似,即印刷锡浆à插入元件à回流焊接.无论对于单面混装板还是双面混装板,都是一样的流程,如下所示:
SMT机板

印刷锡浆 ：使用机器将锡浆印刷在线路板上。

手工插机 ：人工插件。

点焊回流炉 ：使用热风回流机器焊接。

结束

三. 通孔回流焊接工艺的特点.
1. 对某些如SMT元件多而穿孔元件较少的产品,这种工艺流程可取代波峰焊.
2. 与波峰焊相比的优点:
(1)焊接质量好,不良比率DPPM可低于20.
(2)虚焊,连锡等缺陷少,极少的返修率.
(3)PCB Layout 的设计无须象波峰焊工艺那样特别考虑.
(4)工艺流程简单,设备 *** 作简单.
(5)设备占地面积少.因其印刷机及回流炉都较小,故只需较小的面积.
(6)无锡渣的问题.
(7)机器为全封闭式,干净,生产车间里无异味.
(8)设备管理及保养简单.

3. 印刷工艺中采用了印刷模板,各焊接点及印刷的锡浆份量可根据需要调节。

4. 在回流时,采用特别模板,各焊接点的温度可根据需要调节。

5. 与波峰焊相比的缺点.
(1)此工艺由于采用了锡浆,焊料的价格成本相对波峰焊的锡条较高。
(2)须订制特别的专用模板,价格较贵.而且每个产品需各自的一套印刷模板及回流焊模板.
不适合多个不同的PCBA产品同时生产.
(3)回流炉可能会损坏不耐高温的元件。在选择元件时,特别注意塑胶元件,如电位器
等可能由于高温而损坏.根据我们的经验,一般的电解电容,连接器等都无问题.
根据我们测试的结果,实际使用回流炉时元件表面最高温度在120-150度.

四. 通孔回流焊接工艺设备。
1. 锡浆印刷机。
采用的机器：SS-MD(SONY锡浆印刷机)。需用特别的模板配合印刷机使用.

1.1基本原理。
以一定的压力及速度下，用塑胶刮刀将装在模板上的锡浆通过模板上的漏嘴漏印在线路板上相应位置。步骤为：送入线路板-->线路板机械定位--->印刷锡浆--->送出线路板

1.2锡浆印刷示意图：

刮刀: 采用赛钢材料.无特别的要求.刮刀与模板之间间距为0.1-0.3mm,角度为9度.
模板: 厚度为3mm,模板主要由铝板及许多漏嘴组成.
漏嘴: 漏嘴的作用是锡浆通过它漏到线路板上. 漏嘴的数量与元件脚的数量一样,漏嘴的位置与元件脚的位置一样,以保证锡浆正好漏在需要焊接的元件位置.漏嘴下端与PCB之间间距为0.3mm,目的是保证锡浆可以容易的漏印在PCB上.
漏嘴的尺寸可以选择,以满足不同焊锡量的要求.
印刷速度 : 可调节，印刷速度的快慢对印在PCB上锡浆的份量有较大的影响.

1.3工艺窗口:
印刷速度:在机器设置完成后,只有印刷速度可通过电子调节.要达到好的印刷品质,必须具备以下几点:
1. 漏嘴的大小合适,太大引起锡浆过多而短路；太小引起锡浆过少而少锡.
2. 模板平面度好，无变形.
3. 各参数设置正确(机械设置):
(1)漏嘴下端与PCB之间间距为0.3mm.
(2)刮刀与模板之间间距为0.1-0.3mm,角度为9度.

2. 插入元件。
采用人工的方法将电子元件插入线路板中，如电容，电阻，排插，开关等。
元件在插入前线脚已经剪切。在焊接后无须再剪切线脚.而波峰焊是在焊接后才进行元件线脚剪切.

3. 点焊回流炉.
采用的机器：SONY点焊回流炉MSR-M201。需用特别的模板配合回流炉使用.

3.1原理 :
热风气流通过特制的模板上喷嘴,在一定的温度曲线下,将印刷在PCB上元件孔位处的锡浆熔化,然后冷却,形成焊点,将通孔元件焊接与线路板上.

3.2 回流炉的结构:
共有四个温区: 两个预热区,一个回流区,一个冷却区.只有下部才有加热区,而上方则没有加热区,不象SMT回流炉上下都有加热区.这样的设计可以尽量较少温度对元件本体的损坏.
两个预热区和一个回流区的温度可以独立进行控制,冷却区则为风冷.
回流区为最关键的温区,它需要特殊的回流模板.

3.3点焊回流炉回流区工作示意图:
模板: 厚度为15mm,模板主要由耐高温金属板及许多喷嘴组成.
喷嘴: 喷嘴的作用是热风通过它吹到线路板锡浆上. 喷嘴的数量与元件脚的数量一样, 喷嘴的位置与元件脚的位置一样,以保证热风正好吹在需要焊接的元件位置,提供足够的热量.
**喷嘴上端与PCB之间间距为3mm.
**喷嘴的尺寸可以选择,以满足不同元件不同位置的热量需求.

3.4. 回流炉的设置:
根据PCB上焊接点的多少,来决定温度设置.以下是笔者所用的温度设置:

设置温度 实际温度
预热温区1温度: 380OC 380 OC+/-10 OC
预热温区2温度: 430OC 430OC+/- 10OC
回流温区温度: 440OC 440OC+/- 10OC

回流时间: 27 Sec
热风气流: 250 NL/Min
传送带速度: 0.74 米/分

** 注意: 此回流时间是指PCB在回流区停留的时间,而不是回流曲线中的”回流时间”.
在此温区,PCB被迅速加热直到最高温度,当回流时间结束时,PCB被迅速送出并冷却.

五. 锡浆.
采用含有金属Bi的锡浆,成分为46Sn/46Pb/8Bi.
由于含有Bi, 熔点为178度,比63Sn/37Pb的183度低5度,目的是降低回流的温度,避免SMT元件再熔而跌落.SMT采用的是63Sn/37Pb.
采用的锡浆要求流动性好,以满足印刷的要求.
锡浆可在常温下放置较长时间,最长为7天。

金属组成部分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%
熔点 163OC固相线, 178OC液相线

六. 温度曲线.　
由于通孔回流焊的锡浆,元件性质完全不同于SMT回流,故温度曲线也截然不同.

温度 预热区 回流区 冷却区

温度曲线分为三个区域:
A. 预热区.
将线路板由常温加热到100OC-140OC左右,目的是线路板及锡浆预热,避免线路板及锡浆在熔焊区受到热冲击。如果板上有不耐高温的元件,则可以将此温区的温度降低,以免损坏元件.

B. 回流区.(主加热区)
温度上升到锡浆熔点,且保持一定的时间.使锡浆完全熔化。最高温度在200-230OC.
在178OC以上的时间为30-40秒.

C. 冷却区.
借助冷却风扇,降低锡浆温度，形成锡点，并将线路板冷却至常温。

本人从事SMT及PCBA制造工程已有10年，积累了丰富的经验，由于格式原因，未能将图片附上。如有兴趣的同行，可以通过以下地址联系我，我将完整地将资料电邮给你。
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