无铅手工焊接 -演讲版

OK International,PowerPoint Template,Bench Tools,Bench Tools,Bench Tools,Bench Tools,Bench Tools,Bench Tools,Bench Tools,*,Process Control withLead FreeHand Soldering,Joe Curcio,OK International,手工无铅焊接控制过程,讨论的题目,手工焊接的过程控制,传统的,Pb-Sn,含铅焊料的手工焊接,目前的,Pb,Free,无铅手工焊接必须重新考虑的特殊性,焊接的热能量的讨论,如何确保手工焊接的过程控制,焊接要达到的目的,形成可靠的焊点,(,产品可靠性,Reliability),产品废品率低,(,Yield,minimize rejects),生产效率高,(,Productivity throughput),所有上述三点的获得均与焊接的过程控制有紧密联系,Pb,Free,无铅焊接的控制参数要求更严格,正确的焊接温度,(,Proper Connection Temperature,),MIL-STD/IPC Rule of Thumb,(,美军标,),焊点的温度为焊锡溶点温度加,40C(72F),烙铁头停留 在焊点的时间为,2-5,秒钟,焊锡,+40C(MP)+72F(MP),60/40223C(,183C,)433F(361),Sn 3.8Ag0.7Cu257C(,217C,)495F(423),Sn0.7Cu267C(227C)513F(441),LF requirement is 52F to 70F higher,无铅焊接的温度比有铅焊接高出,52F to 70F,焊接过程,焊接过程是热能量从热源向被焊物的,热能量转移过程,(,从烙铁头通过焊锡,助焊剂,管脚形成热能量转移,),1.,加热的烙铁头接触焊盘和焊锡,烙铁头上,存储的热能量,传递给焊盘,被焊物的管脚和焊锡升温到,焊接,温度,关注点,:,一旦烙铁头接触到焊盘,其 存储热能量的供应是非控制的,.,2.,助焊剂活化区,(Flux Activation Phase),热能量传递到焊盘,助焊剂开始活化,开始去除被焊物上的氧化层使确保能够形成很好的焊接润湿过程,关注点,:,存储热能量过大将瞬间烧掉助焊剂,焊接过程没有助焊剂活化区,3.,形成合金焊点区,(,Intermetallic,Bond Formation Phase,),热能量继续传递给被焊物直到温度达到焊锡溶点温度加上,40C,焊锡在被焊物表面流动,填充间隙形,形成合金焊点,关注点,:,是否使用的烙铁加热体能够补充失去的存储热能量的同时不产生温度过冲,4.,降温区,(,Cool Down Period,),烙铁头从被焊物离开,关注点,:,操作人员是否能掌控在,3-5,秒中离开焊盘是需要充足的焊接经验的,.,如何形成热能量源,加热体热能量,热能量源,(,Thermal Energy Sources,),加热体,烙铁头存储能量,在闲置时,系统对烙铁头存储热能量,存储热能量,=f(,烙铁头金属密度,烙铁头设置的闲置温度,),此时存储热能量传递到焊点,加热体热能量开始对被焊物补充热能量,状态,1.,烙铁头处闲置状态,状态,2.,烙铁头接触被焊物瞬间状态,烙铁头没有接触被焊物体时,烙铁头接触被焊物体时,加热体热能量,存储的热能量,传递的热能量,给出加热体热能量时,(,Heater Energy at t0,),最佳的存储热能量,过量的存储热能量,过大的烙铁头密度和过高的设定的闲置温度,烙铁头接触焊盘,时间,加热体热能量,助焊剂活化区,Flux Activation Zone,形成手工焊接的回流焊曲线,焊接回流焊接区,助焊剂活化区,传递的第一部分热能量,=,烙铁头,存储的热能量,(,热能量值取决于烙铁头密度和设置的烙铁头闲置温度,),温度,时间,3-5,秒钟,传递给焊盘的加热体能量,(H,eater Energy Transfer to Pad,),焊盘温度,过量的存储热能量由于过大的烙铁头密度和过高的设置闲置温度,最佳的烙铁头存储热能量,焊,盘,温,度,时间,加热体热能量,回流焊和合金焊点形成区,Reflow&,Inter-metallic Zone,形成手工焊接的回流焊曲线,形成焊锡回流焊接并保持,一定时间形成合金焊点,需要可控制的,加热体热能,量,输出给焊盘,助焊剂活化区,温度,时间,3-5,秒钟,正确的焊接过程,助焊剂活化区,回流焊接区,3-5,秒钟,温度梯度变化,闲置温度控制技术,:,T2=,加热体温度,T1=,传感器测量温度,(,注释,:,焊盘温度是预测和估计的,),结果,:,系统控制是根据传感器温度,(,温度梯度和多大功率补充是,CPU,取样控制结果,),设置闲置温度,传感器反馈,焊点所需热能量,温度控制点,焊点所需热能量,所需热能量 温度控制点,能量的梯度变化,功率,(,热能量,),技术,:,T2=,是很薄的磁性材料形成原子级温度控制单对焊盘温度进行热能量输出反馈,T1=,焊盘的温度,结果,:,系统对焊盘热能量的需求量进行反馈,热能量的供应是根据焊盘的需求供应的,.,公式定义,:,T2-T1(,温度差别,)=Power(,热能量,)x,Rt,(,热阻,),传统陶瓷加热体温度控制式烙铁,功率控制式烙铁,烙铁头温度,加热体温度,加热体温度,烙铁头温度,焊盘温度,焊盘温度,总结,:,Pb-Sn,有铅与,Pb,Free,无铅的过程控制,存储热能量的烙铁头接触到焊盘时,存储的热能量以失控的状态将热能量立即供给焊盘,助焊剂活化区,氧化层被清掉,改善焊接润湿,合金焊点形成区,焊点温度上升到焊锡溶点加,40C,焊锡回流焊形成合金焊点,降温区,焊点冷却,solder solidifies,无铅焊接和有铅焊接的焊点形成方式无变化,但焊锡的溶点不同,:,高溶点,(,从,183C,上升到,217 C),造成损坏的最高温度没有变化,(290 C),因此,焊接的加工窗口变小了,烙铁头存储能量和加热体热能量传递给焊盘的过程,存储热能量,存储和加热体热能量,加热体热能量,加热体热能量,焊盘温度,焊盘的焊接温度曲线,Pb-Sn vs.SAC Process Window,有铅加工窗口,接回流焊,无铅加工窗口,回流焊,红色区代表,PCB,损坏,粉色区代表器件损坏,绿色区代表回流焊区,表示助焊剂活化区,虚线代表焊锡溶点温度,无铅曲线,有铅曲线,Pb,Free,无铅焊接的过程控制,步骤,1:,-,助焊剂活化区,Flux Activation Control,目的,:,控制烙铁头上存储的热能量,(,最佳为在进入助焊剂活化区时消耗掉大部分存储的热能量,),控制两个基本因素,:,烙铁头的选择,使存储热能量在进入助焊剂活化区时及时消耗掉,烙铁头闲置温度的设置,危险性在盲目提高闲置温度,(,造成,de-wetting,tip life,board&component risks),步骤,2,形成合金焊点区的控制,(R,eflow,Control,),目标,:,控制加热体热能量的传递,控制的基本因素,:,烙铁头几何形状的正确选择,确保最大化的使热能量从烙铁头能快速传递给焊盘,注意烙铁头的保养,确保烙铁头同焊盘能够有效传递热能量,烙铁应该采用热能量控制型,确保能够满足最佳热能量的传递,对烙铁系统的技术要求,确保能够对每个焊盘提供所需要的热能量而同时热能量不要超过加工窗口,系统的热能量控制是根据焊盘所需要的热能量,而不时通过中间温度传感器的温度判断得出的热能量结论,.,系统取保能够有很好的热能量传导特性,烙铁头设计同时满足助焊剂活化和形成合金焊点,烙铁头密度应该适合储存最佳的存储热能量,烙铁头几何形状提供最佳的热能量传递给焊盘,TOO LOW,TOO HIGH,INCREASING TEMPERATURE,接触温度,Connection,(Not Tip)Temperature,Optimum time-temp to activate flux&cause wetting,适宜的时间和温度活化助焊剂达到润湿,High enough to melt solder&form inter-metallic,充足的温度使焊料熔化形成合金焊点,Low enough to avoid damage to components and PCBs,低温可以避免构成或,PCB,破坏,Thermal energy transfer management is critical,热量传导的控制,POOR WETTING,润湿差,COLD SOLDER JOINT,冷焊,GOOD WETTING,好的润湿,GOOD HEAT TRANSFER,优质焊接,COMPONENT&PCB DAMAGE,构成或,PCB,破坏,EMBRITTLEMENT,脆化,理想的金属焊点,Ideal Inter-metallic Bonding,More than 1 micron can cause brittle joints,1.0,m,导致增大焊点金属层的体积,产生易脆的缺陷,Inter-,metallics,related to time&temperature relationship,焊点内部金属层的形成速率与焊接时间和温度有关,Thermal energy transfer management is critical,热量传导的控制,COLD SOLDER JOINT,冷焊,1.0,m,INCREASING THICKNESS,COPPER/TIN INTERMETALLIC,铜,/,锡 的化合物,无铅,Lead Free,IPC Standard:Good Joint,焊点的温度为焊锡溶点温度加,40C(72F),烙铁头停留 在焊点的时间为,3-4,秒钟,Lead Lead-Free,188(370),217(423),+40 +40,228C(443F)257C(495F),The LF requirements is 52F higher or IOW,The process window has become 52F narrower,焊接窗口变窄了,理论和实际,Theoretical vs.Actual,Melting Point.217 C,Thermal Energy=Area Under Curve,Theoretical,理论,Actual,实际,最优的过程,Optimizing the Process,如何正确选择烙铁头,选择烙铁头的几何形状使其同焊盘的接触面积最佳,确保热能量的有效传递给焊盘,采用最大直径的烙铁头,确保有足够的通路使热能量能有效传递给焊盘,采用最短的烙铁头,确保热能量传递路径最短,校准,Calibration,Conventional Tip Testing,传统的烙铁头测试,SmartHeat,Power Meter,Measures Idle Tip Temperature,闲置的烙铁头温度,Measures(Power)Wattage at the Solder Joint,传热,Heat Transfer,Fine Tip Geometry,Small Load,Medium Load,Heavy Load,742,Heat Transfer,Medium Tip Geometry,Medium Load,744,Heat Transfer,Large Tip Geometry,Heavy Load,745,热传导效率,vs,烙铁头选择,影响热传导效率的因素,烙铁头与焊盘的接触面积,烙铁头的长度,直径,烙铁头的镀层厚度,烙铁头的质量密度,加热体的功率密度,烙铁头的闲置温度设定,烙铁头与焊盘的接触面积,Power Delivered(watts),Thermal Performance,Pb-Free Minimum,热传导因子,:W/L,小焊点,大焊点