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SMT回流焊炉温测试仪温度曲线对SMT焊接品质的影响!

发布日期:2018-07-05 作者: 点击:

SMT回流焊的炉温测试仪曲线设定对SMT焊接品质有什么作用? SMT回流焊的炉温测试仪全面工艺监控实现智能闭环制造,提升SMT电子制造业产品品质。


随着电子产业的飞速发展,高集成度、高可靠性已经成为行业的新潮流。在这种趋势的推动下,SMT(表面贴装技术)在中国也得到了进一步的推广和发展。很多公司在生产和研发中已经大量的应用了SMT工艺和表面贴装元器件(SMC/SMD)。因此,焊接过程也就无法避免的大量的使用回流焊机(reflow soldering)。我们就针对回流焊温度曲线的整定谈谈我们在工作中的一些经验和看法。



SMT回流焊炉温测试仪炉温曲线一般是根椐你所使用锡膏和PCB上的器件以及它所使用的材料来设定的,而且在不同的PCB不同的环境下,所产生的温度曲线也是不一样的!我们所测试的温度曲线其实是测试PCB板子上的温度,不是你所看到的炉子上的温度。   


SMT炉温曲线就是对回流炉实际的温度与时间的一个坐标轴,可以告诉我们在什么时间他当时的温度值是多少,从而得到升温斜率 、恒温时间、回流时间等一些重要的工艺参数,而这些工艺参数对整个产品的回流直到至关重要的关系,我们就可以通过炉温曲线去判定它符不符合我们的锡膏、产品的工艺,进而进行对炉温的调节,至于不同参数对整个工艺的影响,怕要通过一些理论再加以自己的经验去慢慢积累了。



控制好工艺制程的唯一的方法是了解您的工艺制程式,而想要很好地了解您的工艺制程就需要通过测量。评估回焊炉温度曲线测试在焊接工艺制程控制中的必要性。   

有几点原因可以说明贵公司在回焊炉上需要有自己的温度曲线测试仪的重要性。   


首先,使用温度曲线测试仪是整个回焊炉运作过程中控制工艺制程的关键。没有温度曲线测试仪,你将无法知道炉子的机能是否完善,是否需要校验等等。  

 

其次,温度曲线测试仪对帮助厂商在规范作业下,进行所有线路板上元器件的校验及焊接以确保高可靠低损耗的生产起关键性的作用。举例说明:一些元器件的最高融点为240C;如果没有温度曲线测试仪,你怎样才能知道目前你所设置的状态是否符合这些元器件的融点要求。 

  

第三,拥有温度测试仪能降低生产损耗及对生产损耗进行分析以避免其重复发生。影响焊接质量的直接原因有上升斜率、浸锡温度、润湿时间、融锡时间,平均温度及其它的回焊炉参数。如果没有温度曲线测试仪,你就无法精确测量回焊炉工艺制程中的这些重要特性。  

 

最后,当你将新的线路板引进不同的热工艺制程中时,它们需要对回焊炉的参数进行微调(校零及链速设置)以确保焊接时符合元器件及焊膏本身的性能参数。 SMT回流焊作为表面贴装工艺生产的一个主要关键设备,它的正确使用无疑是进一步确保焊接质量和产品质量。在回流焊的使用中,最难以把握的就是回流焊的温度曲线的整定。怎样才能更合理的整定回流焊的温度曲线呢?   


要解决这个问题,我们首先要了解回流焊的工作原理。从温度曲线(见图1-1)分析回流焊的原理:当PCB进入升温区(干燥区)时,焊膏中的溶剂、气体蒸发掉,同时,焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚,焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘、元器件端头和引脚与氧气隔离→PCB进入保温区时,PCB和元器件得到充分的预热,以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件→当PCB进入焊接区时,温度迅速上升使焊膏达到熔化状态,液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点→PCB进入冷却区,使焊点凝固。此时完成了回流焊炉的焊接流程。



在SMT电子制造领域,“品质稳健、高效自动化、焊点可靠性”是永远的热门话题,可随着德国工业4.0的浪潮来袭,智能互联等主题的切入,SMT工厂更是手忙脚乱,越来越多的用户盲目追求,当然其中也不乏如:华为,中兴等龙头代表企业已走在时代前端,探索着智能、物联、高速传输、大数据的整合,为实现无人化工厂的终极目标孜孜不倦的探索着。   谈及工业4.0,就目前中国的整体水平而言,我们仍处于2.0至3.0之间徘徊,离4.0差异甚远,基于中国目前的工业发展现状,我们应从强化基础开始,做好标准化工作,进而普及全面工艺能力监控,再向智能互联平台过渡,循序渐进,最终实现目标。   就目前中国SMT电子焊接制造业现况来看,很多用户只是单纯的用炉温测试仪监测焊炉温度根本无法评判焊炉的真实状况和工艺条件设定是否合理?因而品质缺陷无法规避,于是就经常引发工艺问题还是设备问题的争论。   1)设备问题还是工艺问题?   我们需要辨识这个问题,就必须对设备有全面的了解,当我们在用测温仪进行炉温确认时,事实上大部分情况下,是在空载的情况下进行的,而实际生产的情况会更加复杂,满载下,焊炉的热反馈能力,热补偿能力及进板间隔控制等都将直接影响实际产品的供热温度环境。



(图1)供热结构 只有当我们完全掌控到每个温区的温度变化情况:进板---吸热---掉温---反馈---补偿---回温---进板;我们才能做到对设备的准确操控。然而,问题又来了: 1)我们应该如何去全面掌控每一片生产板经过每一个温区引起热量的这种变化呢? 2)这种热量变化从长期稳定性来看,是否是受控的? 3)若不受控,如何判别是工艺管控出了问题? 4)或是设备本身不稳定引发的问题? 这一连串的问题,都是目前SMT焊接工艺面临的严峻挑战。接下来就以一个案例对设备问题还是工艺问题进行剖析: 最近正在服务的SMT工厂中,其中一家就有偶尔出现冷焊的现象发生,并没有固定规律,我们首先了解一下其制程能力状况:



(图2)CPK矩阵表 从图2所示的125片生产板实时监控各热电偶探头的各项工艺参数CPK矩阵表中了解到,其峰值温度的CPK为1.16,小于1.33(4Sigma)。这表明制程的不稳健。但究竟是设备引起还是工艺问题,有待进一步分析,接着就对设备稳定性进行了剖析: 首先,我们要了解焊炉的稳定性,我们要对产品的输入进行定义,针对目前单板,合理的进板间隔是多少?我们借助软件功能“产能规划”(详见第3部分)了解到至少确保45秒的进板间隔。 于是进行了125片,45秒进板间隔控制的批量生产板,去分析每一片板经过每个温区时的最低温度,以单板过炉时对应该区的最低温±3℃作为规格,进行焊炉满载连续生产的稳定性评估。 评估发现10个加热区的CPK,除第一区CPK 1.67外,其它加热区CPK都在2.0以上(见下图3示例)。这些数据明确表示,当工艺设定在炉子的可承受能力范围内,炉子是相当稳定的。



(图3)Zone 9 CPK 然而问题又来了,实际生产是否能够像我们做实验一样去严格控制每一片输入板的进板间隔呢? 这一点,我们可以从实时监控到的每片板与上一片板的进板间隔记录得到证实。


(图4)进板间隔记录 以上数据表明,在实际生产中,出现了相邻两片进板间隔仅3~5秒,在如此频繁的进板情况下,炉内温度又是如何变化的?


(图5)回流区的掉温 从某一回流区针对连续进板的焊炉消化能力来看,很显然,炉温在持续下降,热补偿能力根本不足,最大下降达4~5℃.而这种掉温,并非只在某一回流区发生,所有10个加热区均发生了4~8℃的掉温,这就是导致偶尔冷焊的根本原因。 进而针对发生连续过度频繁进板的时段进行调查了解,该时段正好处于白夜班交接期,炉前堆置了一批板,为提升产能,人为手推板进炉,以空置贴片机,让贴片机能尽快进入工作状态。这种现象就是生产管理上严禁的行为。 目前该案件已告一段落,可我们是否曾思考过一个问题:焊炉的波动多少会有,进板的间隔很难避免人为干预,那么是否另有合适的解决方案呢?下面一起来分享制程风险及规避手法。 2)焊炉制程够稳健吗? 很多用户在使用测温仪量测炉温时,只要温度曲线结果是合格的就下令开始生产,这样的制程稳健吗?我们通过如下两个例子对比一下就清楚了!



(图6)制程A:PPI制程风险警告


(图7)制程B:PPI制程受控 上述图6与图7,所有曲线数据都是在工艺规格范围内的,但图7制程B就比图6制程A更稳健,如何判定? 首先对PPI(ProcessPerformance Index)进行剖析,每个通道的每项参数测试结果除了需满足工艺规格要求外,其测试结果位于工艺规格上下限的哪个位置,是影响稳健工艺的主要因素。下面就以第2通道的峰值温度来讲解: 峰值规格:230℃(PPI=-100)~250℃(PPI=100); 1)若A制程实测峰值:230.0℃(PPI=-100); 2)若B制程实测峰值:240.0℃(PPI=0); 可见A、B制程都是满足要求的,但A制程已达到规格下限,稍微的焊炉温度波动或进板频率的加快就会导致峰值温度不够,出现冷焊现象。 而B制程则不然,其抗焊炉温度的波动能力、抗满载负荷能力等都很强,即使进板过快,仍留有一定波动的余地。


(图8)PPI示意图 所以透过对每一片生产板的风险PPI进行实时统计分析,就可以掌握当前产品是否存在偏规格上限或下限风险,就可以了解自己当前的制程是否足够稳健,是否还有可优化的空间.若一片板子上,器件Delta T过大,以至于很难优化稳健制程,这时对每种产品的进板节奏控制就显得尤为重要了。那么如何确定不同尺寸、重量板的进板节奏呢? 3)如何科学规划产能,智能控制进板? 面对不同大小,不同厚度、重量及材质的板子,到底应该如何进行产能的分配,才能既满足品质要求,又能达到最大产能? 产能的规划,需要有科学的依据,而非凭经验、想象、生产任务去规划,我们一定要研究每种板子在每个温区的吸热及补热状况,才能做到正确地规划产能。 如下图所示,可通过单板过炉,来了解单板经过每一区时从吸热掉温到补热回温到初始状态时需要的时间,来了解这一区的热补偿能力,这样,通过“产能规划”功能,可掌握每一加热区的热补偿能力,了解每一区补热回初始状态所需时间。通过比较,找出最长的回温时间作为理想的进板间隔。



(图9)科学产能规划 但当规划出的理想进板间隔过大时,我们又应当如何抉择以满足最大的产能呢?以下就分享几种优化或取舍方式: 1)增加风频,优化加热效率,提升各个温区的热补偿能力,以减少补偿回温时间; 2)检查每一温区的感温探头是否在风口处,提升温度感知灵敏度,缩短反馈时间,进而减少补偿回温时间; 3)以重要温区的补偿回温时间为主,若第1区需90秒回温,而其他区最大仅需60秒,那么,可考虑采用60秒为合理进板间隔。 有了科学的产能规划,是否就可以一劳永逸呢?其实不然,那么,谁能去按合理进板间隔去控制每一片生产板的进板?人总是有犯错的时候,因此通过SMEMA控制焊炉要板信号,自动根据每种板规划的不同进板间隔,进行进板控制,变得尤为重要。 以上针对温度波动、补偿、规划部分进行了大篇幅的介绍,但主要还是侧重于温度层面,而事实上,影响焊接品质及可靠性的除温度外,还有链速、风扇及轨道振动等,这些方面我们是否有对策? 4)速、风、振动,三大杀手,如何监控? 链速最担心的老化问题?保养周期如何定义?长期稳定性能CPK如何? 通过以下的链速老化趋势统计分析,即可掌握这些信息,以便全面了解链速的变异过程。

(图10)实时链速监控


(图11)链速老化分析 而针对热风回流焊炉而言,除了“热”这项因素外,“风”起着关键的角色,“热”需要传递到板子,少不了“风”媒介,而风的大小,直接影响热量传递的多少,快慢,直接影响热补偿能力的强弱等。 因此,对风扇实际转速的实时监控及老化数据的趋势分析,有助于我们对每一个风扇的健康状态作出评判,及时了解其工作状态,避免不良品质发生。


(图12)风扇实际转速监控


(图13)风扇波动分析 目前掉件不良品质异常中,由轨道振动引起的占大多数,并且通常比较隐蔽且难以监测,振动给产品带来的影响已成为品质问题最关键的因素,那么对于振动,我们又了解多少呢? 我们可以通过对轨道实时振动的了解,历史振动数据的分析,从而了解设备的工作状态,周边环境变化带来强振动的时间,从而过滤筛选出具体的振动源。


(图14)轨道振动监控


(图15)轨道振动分析 针对可能引起强振动的振动源,概括了目前在客户端遇到的几种情况: 1)来自贴片机的振动; 2)来自冷却风扇的振动; 3)来自链条传送的振动; 4)来自轨道变形挤压过炉载具的振动 5)…… 只要找出振动源,解决振动的方法就见仁见智了! 综上所述,我们从温度、链速、风、振动等方面进行了全面剖析、监控;只有做到对工艺的全面监控,足够的数据支撑,才能走向最后的智能闭环控制的智能自调整阶段。



5)智能闭环制造,您准备好了吗? 如何理解智能闭环制造?可分为三部分理解: 1)智能:代表具有独立思维、逻辑能力; 2)闭环:实现上、下行双向数据交互; 3)制造:为生产制造服务; 这样说明很多朋友可能还是不大了解,我再通过一个案例的说明,来帮助朋友加深对智能闭环制造的理解。 某产品A正在生产; 实时监控满载回流区温度较空载低5℃; 实时监控收集并分析所有相关信息; 实时监控向MES大脑上报相关信息; MES依据实时监控综合分析结果; MES下达上调温度指令到焊炉; 焊炉接收到指令,将回流区上调5℃; 实时监控继续监控焊炉状态; 整个制程优化调整过程无需人员干涉; 真正实现无人化工厂。


(图16)智能闭环制造关系图


(图17)智能闭环制造示意图 智能闭环制造并非一蹴而就,进入智能闭环制造之前就务必要求各项标准化体制建立达到一定的程度,自动化程度达到一定的级别,并且在从自动化向智能化转变过程中,需要许多外界环境的支持,比如:大数据高速网络传输、大数据运算、处理;大数据的存储等。并且中间存在许多过渡阶段,最终一步一步走向无人化工厂的智能闭环制造! 从全面工艺监控走向智能闭环制造之路,是一个漫长的过程,是一个积累的过程,是大势所趋,更需要我们几代人的共同努力,逐步完善,最终实现,让我们一起为之奋斗!


波峰焊接是电子行业较为普遍的一种自动焊接技术,它具有焊接质量可靠,焊点外观光亮,饱满,焊接一致性好,操作简便,节省能源,降低工人劳动强度等特点。 波峰焊接工艺虽然具有当今电子行业比较先进的焊接手段,但随着此 项工艺技术的不断发展提高,人们对自动焊接技术的要求也越来越高。 目前,有些使用自动焊接的厂家已将疵点率降到很低的限度,所说的疵点不外乎是:连焊,漏焊,半焊,虚焊,假焊,拉尖,堆焊等等。 找到一个波峰焊接工艺视频,大家可以先了解下波峰焊的工艺流程,非广告,仅便于大家对本文内容加深理解。


我们提到的焊接质量的优劣与焊接过程中所使用的设备,印制线路板,元器件引线,焊料,助焊剂,阻焊剂,被焊基材及他们之间相互的物理,化学作用,焊接工艺等有着直接的关系。因为焊接技术涉及到物理,化学,电子,冶金,机械等多方面知识,下面就其中与焊接质量有关 的几个主要因素进行分析。 1、自动焊接设备: 在自动焊接过程中,使用设备的优劣与焊接质量有着直接的关系。如:焊接设备中的电器控制部分,链条传动装置,传送速度,波峰焊接锡的流向与倾斜角的控制,焊锡槽与助焊剂区的构造,波峰锡槽喷流口及 锡泵的设计,助焊剂喷涂方式的选择等等。在焊接过程中,即使焊接工艺条件及工艺过程基本相同,但由于设备的差异,所达到的焊接效果也会有较大差别。 2、 锡炉(焊锡机)的种类、结构、各部位的作用  (1)锡炉(焊锡机)的种类: 按锡炉的结构来分,常见的有以下几种 

 手浸锡炉                      手浸喷流锡炉                      自动浸锡炉                      高波峰锡炉                      单波峰锡炉                      双波峰锡炉                      单波、浸一体锡炉   (2) 几种常见的锡炉(焊锡机)结构及各部位的作用: 手浸锡炉:其结构比较简单,主要有锡锅、加热管、温度控制器、定时器、电源箱等组成。他的操作方法一般为浸蘸焊接方法,操作时先用刮板清除悬浮在焊料表面的氧化物和杂质(手浸喷流锡炉及一般的波峰焊炉能保持锡面光洁无氧化物),将蘸有助焊剂的印制板倾斜一定的角度浸入焊料中,稍加压力,然后左右摆动一次或数次,最后再倾斜拉出焊料液面,时间为3-5秒。通 过这一操作能较好的完成印制板的焊接。 自动浸锡锡炉:按清除氧化物的方法,可分为可两种,既自动溢流式浸锡机和自动刮板式浸锡机。他们的结构主要包括:助焊部分、预热部分、锡锅、冷却部分、输送部分、电器控制部分等。该自动浸锡锡炉和高波峰焊机都是为元器件引线长插而设计的。此锡炉的焊接方式有两种。一种是必须使用车载工装的,在焊接时,车载工装沿着导轨轨迹升降,到焊接区时,车载工装沿着导轨轨迹下降,使PCB焊盘与波峰接触而焊接;另一种是采用节拍式,它是通过锡炉的升降来进行焊接的。即在PCB到达锡炉上方时,输送带停止,锡炉通过控制气缸或电极上升,让波峰面与PCB接触,从而完成焊接的。高波、单波、双波、波浸一体锡炉: 他们的结构基本和自动浸锡炉一样,只是按其各自不同使用的特点,改变某些传动结构、喷锡方式、和控制方式。  (3)各部位的作用: 助焊区:故名思意,是让PCB在焊接前涂覆助焊剂的区域,因其构造不同,涂覆的方式也不相同。有浸蘸式、流动式、发泡 式、喷雾式等等。 预热区:是对涂覆助焊剂后的PCB进行加热,从而使助焊剂达到最佳活性的区域。根据加热方式的不同,可将其分为:裸露电烙管预热器、远红外加热陶瓷板预热器、远红外排管加热预热器、远红外加热陶瓷板加热风双层预热器、石英管式加热预热器等等。


 预热加热的主要作用是: 1,促进助焊剂活化; 2,挥发和烘干助焊剂内的溶剂和水分; 3,防止印制板因过波峰急剧加热而损伤PCB,为其提供一段 过渡热。   锡锅的作用:焊料有泵(叶轮)从槽低位打到高位的喷嘴处,焊料在隆起处产生波峰(喷流式形成流动镜面),在波峰面上来不及形成氧化膜和杂物,可经常保持洁净状态,印制板能在焊剂的润湿和活化的作用下,保证焊接质量。   冷却区: 冷却区是为焊后的PCB进行降温的装制。焊接后印制板的快速冷却是非常必要的。印制板焊接后不快速冷却,则由于焊 接后元器件引线残留热量的影响,其温度还会继续上升到较高的值。因此,焊接后必须尽快将热量放出,以防止印制板铜箔的结合力下降和使元器件损坏。下图是印制线路板上的晶体管引线根部的温升和冷却效果图。

3 、有关焊接设备的选择: 选用焊接设备要与工厂实际情况和发展趋势联系起来,一旦选择好焊接设备,就要建立起围基板生产相应的元器件,焊料及辅助材料应用管理系统。 (1)一次性焊接设备(单波峰焊机、浸焊机、双波峰焊机)实用于 短脚插件或中短脚插件法。此类焊接设备对元器件可焊性的要求较高,二端元器件 需要成型加工采用自插机插件需要编带,元器件二 次加工后的管理较严格,防止混料及氧化措施应及时和正确,印制板的可焊性要求要好。 (2)二次焊接设备(高波或浸焊机→切脚机→单或双波峰焊机)实用于长脚插件,元器件可不需要二次加工。但由于受 传输夹具结构的限制PCB的宽度不可能太宽,第一次焊接后PCB受热变形后容易造成切脚时切坏基板,并影响第二次进入输送带。此种焊接方式对元器件及印制板抗热冲击的性能要求较 高。元器件如开关件、电感件、塑制元件及非线性元件经过两次热冲击将会出现早期失效,印制板也易变形。


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关键词:SMT回流焊炉温测试仪温度曲线,SMT回流焊炉温测试仪温度,SMT焊接品质

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