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SMT无铅制程工艺要求及问题解决方案

一、锡膏丝印工艺要求
      1、解冻、搅拌
      首先从冷藏库中取出锡膏解冻至少4小时,然后进行搅拌,搅拌时间为机械2分钟,人手3分钟,搅拌是为了使存放于库中的锡膏产生物理分离或因使用回收造成金属含量偏高使之还原,目前无铅锡膏Sn/Ag3.0/Cu0.5代替合金,比重为7.3,Sn63/Pb37合金比重为8.5因此无铅锡膏搅拌分离时间可以比含铅锡膏短。
      2、模板
     不锈钢激光开口,厚度80-150目(0.1-0.25mm)、铜及电铸Ni模析均可使用。
      3、刮刀
      硬质橡胶(聚胺甲酸酯刮刀)及不锈钢金属刮刀。
      4、刮刀速度\角度
      每秒2cm-12cm。(视PCB元器件大小和密度确定);角度:35-65℃。
      5、刮刀压力(图一)
      1.0-2Kg/cm2 。

      6、回流方式
      适用于压缩空气、红外线以及气相回流等各种回流设备。
      7、工艺要求
      锡膏丝印工艺包括4个主要工序,分别为对位、充填、整平和释放。要把整个工作做好,在基板上有一定的要求。基板需够平,焊盘间尺寸准确和稳定,焊盘的设计应该配合丝印钢网,并有良好的基准点设计来协助自动定位对中,此外基板上的标签油印不能影响丝印部分,基板的设计必需方便丝印机的自动上下板,外型和厚度不能影响丝印时所需要的平整度等。
      8、回流焊接工艺
      回流焊接工艺是目前最常用的焊接技术,回流焊接工艺的关键在于调较设置温度曲线。温度曲线必需配合所采用的不同厂家的锡膏产品要求。

      二、回流焊温度曲线
      本文推荐的无铅回流焊优化工艺曲线说明(如图二):推荐的工艺曲线上的四个重要点:
      1、预热区升温速度尽量慢一些(选择数值2-3℃/s),以便控制由锡膏的塌边而造成的焊点桥接、焊球等。
      2、活性区要求必须在(45-90sec、120-160℃)范围内,以便控制PCB基板的温差及焊剂性能变化等因数而发生回流焊时的不良。
      3、焊接的最高温度在230℃以上保持20-30sec,以保证焊接的湿润性。
      4、冷却速度选择在-4℃/s。

      回流温度曲线如下:(图二)


图二中红色曲线推荐对焊点亮度要求的客户

      回流曲线湿度变化说明:
      1、焊锡膏的焊剂在湿度升至100℃时开始熔化(开始进入活性时期),焊锡膏在活化区的主要作用是将被焊物表面的氧化层去掉,如果活性区的时间过长,焊剂会蒸发挥过快,也会造成焊点表面不光滑,有颗粒状。锡膏在熔点湿度以上(进入回流区)完全熔融的时间大约30-45秒,视该PCB厚度、元器件大小、密度来决定是否延长时间。
      2、活性区的温度也可帮助PCB的元器件缓和吸收,使之大小元器件的温差变小,减少功能坏机产生。
      3、进入回流炉的大小元器件的温差大约为11.4℃,所以,我们要减少它们差也是从活性区开始控制,最大限度可将温差减少到5-8℃。
      4、无铅焊锡膏因考虑到其由多元合金组成,金属的冷却收缩时间不同,为了使焊点能够光亮,除了有其它方法外,快速降温是最有效的方法。

      三、在回流焊中出现的缺陷及其解决方
      1、焊接缺陷分为主要缺陷、次要缺陷和表面缺陷:
      a.主要缺陷导致产品的SMA功能失效。
      b.次要缺陷是指焊点之间润湿尚好,SMA功能正常,但会影响产品的寿命。
      c.表面缺陷是不影响产品的寿命和功能(通常以生产工艺、外观、来签别)。
      2、问题形成及处理方案:
      A.锡珠
      原因:
      在元器件贴装过和中,焊膏被置放于片式元件的引脚与焊盘之间,如果焊盘和元件引脚润湿不良(可焊性差),液态焊料会收缩而使焊缝不充分,所有焊料颗粒不能聚合成一个焊点。部分液态焊料会从焊缝流出,形成锡珠。
      a.在印刷工艺中由于模板与焊盘对中偏移导致焊膏流到焊盘外。
      b.贴片过程中Z轴的压力过太瞬间将锡膏挤压到焊盘外。
      c.加热速度过快,时间过短焊膏内部水分和溶剂未能完全挥发出来,到达回流焊接区时引起溶剂、水分沸腾,溅出锡珠。
      d.模板开口尺寸及轮廓不清晰。
      解决方法:
      a.跟进焊盘、元件引脚和锡膏是否氧化。
      b.调整模板开口与焊盘精确对位。
      c.精确调整Z轴压力。
      d.调整预热区活化区温度上升速度。
      e.检查模板开口及轮廓是否清晰,必要时需更换模板。
      B.立碑(曼哈顿现象),元件一端焊接在焊盘另一端则翘立。
      原因:
      a.元件两端受热不均匀或焊盘两端宽长和间隙过大,焊膏熔化有先后所致。
      b.安放元件位置移位。
      c.焊膏中的焊剂使元件浮起。
      d.元件可焊性差。
      e.印刷焊锡膏厚度不够。
      解决方法:
      a.元件均匀和合理设计焊盘两端尺寸对称。
      b.调整印刷参数和安放位置。
      c.采用焊剂量适中的焊剂(无铅锡膏焊剂在10.5±0.5%)。
      d.无材料采用无铅的锡膏或含银和铋的锡膏。
      e.增加印刷厚度。
      C.桥接(不相连的焊点接连在一起),在SMT生产中最常见的缺陷之一,它会引起元件之间的短路。
      原因:
      a.焊锡膏质量问题,锡膏中金属含量偏高和印刷时间过长。
      b.锡膏太多、粘度低、塌落度差,预热后漫流到焊盘外,导至较密间隙之焊点桥接。
      c.印刷对位不准或印刷压力过大,容易造成细间距QFP桥接。
      d.贴放元器件压力过大锡膏受压后溢出。
      e.链速和升温速度过快锡膏中溶剂来不及挥发。
      解决方法:
      a.更换或增加新锡膏(在印刷过程中可定时补充新锡膏以保持其金属含量及粘度)
      b.降低刮刀压力,采用粘度在190±30Pa·S的锡膏。
      c.调整模板精确对位。
      d.调整Z轴压力。
      e.调整回流温度曲线,根据实际情况对链速和炉温度进行调整。
      D.焊点锡少、焊锡量不足
      原因:
      a.锡膏不够、机器停止后再印刷、模板开口堵塞、锡膏品质变坏。
      b.焊盘和元器件可焊性差。
      c.回流时间少。
      解决方法:
      a.增加模板厚度,增加印刷压力,停机后再开机应检查模板是否堵塞。铅焊锡使用的模板开口在设计允许的情况下要比焊盘大≥100%。
      b.选用可焊性较好之焊盘和元器件。
      c.增加回流时间。
      E.假焊
      原因:
      a.元器件和焊盘可焊性差。
      b.再流焊温度和升温速度不当。
      c.印刷参数不正确。
      d.印刷后滞流时间过长,锡膏活性变差。
      解决方法:
      a.加强对PCB和元器件的筛选,保证焊接性能良好。
      b.调整回流焊温度曲线。
      c.改变刮刀压力和速度,保证良好的印刷效果。
      d.锡膏印刷后尽快贴片过回流焊。
      F.冷焊(焊点表面偏暗、粗糙,与被焊物没有进行融熔。)
      原因:
      a.加热温度不适合。
      b.焊锡变质。
      c.预热时间过长或温度过高。
      解决方法:
      a.调整回流温度曲线,依照供应商提供的曲线参考,再根据所生产之产品的实际情况进行调整。
      b.换新锡膏。
      c.检查设备是否正常,改正预热条件。
      G.芯吸现象(图三)

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焊锡被元件吸上                         焊锡被元件吸上                   元件吸焊锡

图三
 

      这个问题以前资料少有介绍,因为Sn/Pb锡膏出现这问题不是很多,而在使用无铅焊锡膏时此问题就经常出现,原因是无铅锡膏的润湿和扩展率都不及含铅锡膏。
      芯吸现象产生的原因通常认为是元件引脚的导热率大,升温迅速以致焊料优先润湿引脚,焊料与引脚之间的润湿力远大于焊料与焊盘之间的润湿力,引脚的上翘更会加剧芯吸现象的发生。在红外线回流焊中,PCB基材与焊料中的有机助焊剂是红外线的优良吸收介质,而引脚却能部份反射红外线,相比而言,焊料优先熔化,它与焊盘的润湿力大于焊料与它与引脚之间的润湿力,故焊料不会沿引脚上爬,相反焊料沿引脚上爬。
      解决方法:
      在回流焊时应首先将SMA充分预热后再放入回流炉中,认真检查和保证PCB板焊盘的可焊性;被焊元件的共面性不可忽视,对共性面不良的器件不应用于生产。
      H.IC引脚开路/虚焊
      IC引脚焊接后出现部分引脚虚焊,是常见的焊接缺陷。
      原因:
      a.元件共面性差,特别是QFP器件,由于保管不当,造成引脚变形,有时不易发现(部分贴片机没有共面性检查功能)。
      b.是引脚可焊性不好,引脚发黄,存放时间长。
      c.是锡膏活性不够,金属含量低,通常用于QFP器件的焊接用锡膏金属含量不低于90%。四是预热温度过高,引起件脚氧化,可焊性变差。五是模板开口尺寸小,锡量不够,针对以上的问题做出相应的解决办法。
      I.焊料结珠
      焊料结珠是在使用焊膏和SMT工艺时焊料成球的一个特殊现象,简单地说,焊料结珠是指那些非常大的焊球,其上粘着有(或没有)细小的焊料球,它们形成在具有极低的托脚的元件,如芯片电容器的周围。焊料结珠是由焊剂排气而引起,在预热阶段这种排作用超过了焊剂的内聚力,排气促进了焊膏在低间隙元件下形成立的团粒,在软熔时熔化了折焊膏再次从元件下冒出来,并聚结起来。
      原因:
      a.印刷电路的厚度太高;焊点和元件重叠太多。
      b.在元件下涂了过多的锡膏;安放元件压力太大。
      c.预热时时温度上升速度太快;预热温度太高。
      d.元件和锡膏受潮;焊剂的活性太高;焊粉太细或氧化物太多。
      e.焊膏坍落太多。
      解决方法:
      是改变模版的孔隙形状,以使在低托脚元件和焊点之间夹有较少的焊膏

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