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1、Process Control withLead FreeHand Soldering,Joe CurcioOK International,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
2、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
3、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
4、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.,形成可靠焊接的必要条件,形成手工焊接的回流曲线,形成焊锡回流焊接并保持一定时间形成合金焊点,为了使助焊剂在升温的过程中充分活化,此区间温度是按某种斜率升温到焊接温度的,温度,时间 3-5秒钟,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,
5、时间 3-5秒钟,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:T
6、2=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,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PC
7、B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(Reflow Control)目标:控制加热体热能量的传递控
8、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,Calibration,Conventional Tip Testing,SmartHeat Power Meter,Measures Idle Tip Temperature,Measures(Power)Wattage at the Solder Joint,Heat Transfer,Fine Tip Geometry Small Load Medium Load Heavy Load,742,He
9、at 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,Thermal Performance,传导的热能量(单位为瓦特),W
10、/L=0.89,W/L=0.50,W/L=0.27,0.89 0.50 0.27,0.89 0.50 0.27,W/L=Thermal Conductivity Factor,whereW=烙铁头直径(Tip Diameter)adjusted for variation over length)L=烙铁头长度(Length),无铅焊接需要的基本功率,烙铁头的镀层厚度,Thermal Performance,烙铁头的镀层厚度(Plating Thickness(mils),无铅焊接需要的基本功率,加热体的功率密度,32W Heater,50W Heater,Thermal Performanc
11、e,烙铁头的闲置温度设定,闲置温度 vs 热容量的传递效率,热容量的传递效率,烙铁头的闲置温度 Tip Idle Temperature(Deg C),所有影响热容量传递因素中,哪个是关键因素,热容量传导的性能改善,将每种因素自身的性能提高10%以后,Pb Free 烙铁头寿命的考虑,烙铁头寿命降低的几个原因:焊锡的高温溶点高含量的锡(Sn)成分高温下加剧氧化采用活性更高的助焊剂,Tip Plating,Failure Mechanism,Cu,Fe,烙铁头前端的焊锡,烙铁头表面镀铁的缺陷,Defect Propagation,10%Time to Failure,Cu,Fe,Rapid Di
12、ssolution of Cu,烙铁头失效机理分析,镀铁层的裂痕是造成烙铁头失效的主要原因镀铁层的裂痕产生于镀铁层的彻底磨损之前结论:加厚度铁层不能提高烙铁头寿命,只会降低热能量的传递因此,无铅焊接需要操作员经常保养烙铁头清洁,否则,一旦烙铁头氧化或合金镀层在烙铁头表形成,热的传递下降,操作员会用力压烙铁头造成产生镀铁层裂痕,烙铁头失效原因,Bulk Failures,已经损坏,Surface Failures,可处理继续使用,Metcal:智能电烙铁,形成可靠的焊点的必要条件 取决于烙铁头与焊接工件的接触温度 美军标规定 焊接温度 不得高于焊锡熔点 40(100 F)，停留时间为 25秒 焊
13、点所需热量不应过量，防止热损伤发生 由于焊点负载的大小不同，达到恰当温度 的热量也不同,焊接,散热,加热,平衡点,传 统 烙 铁 的 焊 接 技 术功率恒定温度变化,Metcal 焊 接 技 术 培 训,传 统 烙 铁,烙 铁 头,储 存 能 量,温 度 传 感 器,连 接 控 制 部 分,加 热 体,传统电烙铁的示意结构加热体与焊点之间能量传递通过储能方式来实现，而无法自动控制能量转换,能量转换关系图,Qo 热 能 输 出=Qs 储 存+Qi 热 量 产 生,.,.,.,(热 能 存 储 在 烙 铁 头),(热 能 输 出 给 焊 点),(加 热 体 产 生 热 能),焊 点,L,电热芯,T
14、1,T2,烙铁头,Q0,QI,QS,TAV,烙铁头,加热器,热电偶TC,控制器,输入功率,焊点,Ta 实际温度,传统电烙铁温度控制图,设置温度 T（手动,传统烙铁功率恒定，温度变化,功率,温度,设置温度,温度超调,温度超调,热量,SmartHeat Technology功率随负载变化温度恒定,Metcal 智 能 型 烙 铁,智 能 型 烙 铁 的 技 术自适应系统，无外加温控电路,智 能 型 烙 铁 的 技 术,(r*Cp)*(Acs*L)*(Tav(Dt)-Tav)/Dt,(T2(t)-T1(t),(C1+L(Acs*K)+C2),Qo热 量 输 出=Q 储 存+Qi热 量 产 生,.,.,.,烙铁头,感 应 线 圈,加 热 体,连 接 头,轻 巧 手 柄,自 适 应 的 烙 铁 头(详 见 下 图),SmartHeat Technology,
