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从温度曲线分析无铅回流焊特点与对策

2022-03-23 分类: 产品知识 作者: 广晟德 阅读量: 294

早期回流焊的焊料都是用含铅的材料。随着环保思想的深入,人们越来越重视无铅技术(即现如今的无铅回流焊接)。在材料上,尤其是焊料上的变化最大。而在工艺方面,影响最大的是焊接工艺。广晟德这里分享从温度曲线分析无铅回流焊接的特点与对策。

无铅回流焊属于回流焊的一种。早期回流焊的焊料都是用含铅的材料。随着环保思想的深入,人们越来越重视无铅技术(即现如今的无铅回流焊接)。在材料上,尤其是焊料上的变化最大。而在工艺方面,影响最大的是焊接工艺。广晟德这里分享从温度曲线分析无铅回流焊接的特点与对策。

L8无铅回流焊.jpg


一、在回流焊升温区


有铅焊接从25℃升到100℃sec只需要60-90sec;而无铅焊接从25℃升到110℃需要100-200 sec,其升温时间比有铅要延长一倍,当多层板、大板以及有大热容量元器件的复杂印制电路板时,为了使整个PCB温度均匀,减小PCB及大小元器件的温差Δt,无铅焊接需要缓慢升温。由此可以看出无铅焊接要求焊接设备升温、预热区长度要加长。


二、在回流焊快速升温区,(助焊剂浸润区)


有铅焊接从150℃升到183℃,升温33℃,可允许在30-60sec之间完成,其升温速率为0.55-1℃/sec;而无铅焊接从150℃升到217℃,升温67℃,只允许在50-70sec之间完成,其升温速率为0.96-1.34℃/sec,要求升温速率比有铅高30%左右,温度越高升温越困难,如果升温速率提不上去,长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应,严重时会PCB焊盘,元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良。为了提高助焊剂浸润区的升温斜率,应增加回流区的数目或提高加热功率。由于高温和浸润性差,要求提高焊膏中助焊剂的活动化温度和活性。

八温区无铅回流焊温度曲线参考.png


三、再看回流焊回流区


有铅的峰值温度为210-230℃,无铅的峰值温度为235-245℃,由于FR-4基材PCB的极限温度为240℃,由此可以看出有铅焊接时,允许有30℃的波动范围,工艺窗口比较宽松;而无铅焊接时,只允许有5℃的波动范围,工艺窗口非常窄。如果PCB表面温度是均匀的,那么实际工艺允许有5℃的误差。假若PCB表面有温度误差Δt>5℃,那么PCB某处已超过FR-4基材PCB的极限温度240℃,会损坏PCB。这个例子仅仅适合简单产品,对于有大热容量的复杂产品。可能需要260℃才能焊好。因此FR-4基材PCB就不能满足要求了。


在实际回流焊中,在同一块PCB上,由于不同位置铜的分布面积不同,不同位置上元器件的大小、元器件密集程度不同,因此PCB表面的温度是不均匀的。回流焊时如果最小峰值温度为235℃,最大峰值温度取决于板面的温差Δt,它取决于板的尺寸、厚度、层数、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和热容量。拥有大而复杂元件(如CBGA、CCGA等)的大、厚印制板,典型Δt高达20-25℃。为了减小PCB表面的Δt,满足微小的无铅工艺窗口。回流焊炉的热容量和横向温差也是保证无铅焊接质量很重要的因素。一般要求回流焊炉横向温差<2℃,为了减小炉子横向温差Δt,除了采取更好的炉体保温措施,还可采用对导轨加热的方法。因为导轨容易散热,一般在靠近导轨处的温度箭微低一些。由于无铅比有铅的熔点高34℃,因此要求无铅焊接设备耐高温,抗腐蚀。对于大尺寸的PCB要求设备的导轨增加中间支撑。


四、在回流焊冷却区


由于回流区的峰值温度高,为了防止由于焊点冷却凝固时间长,造成焊点结晶颗粒长大;另外,加速冷却可以防止产生偏析,避免枝状结晶的形成,因此要求焊接设备增加冷却装置,使焊点快速降温。


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