表面貼裝工藝生產(chǎn)線上回流焊曲線的優(yōu)化與控制.pdf

1、電子信息產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)著表面貼裝工藝(SMT)的質(zhì)量和效率的提高?；亓骱缸鳛镾MT生產(chǎn)線上的核心工藝環(huán)節(jié)，其質(zhì)量與效率的提高集中體現(xiàn)在回流曲線的優(yōu)化與控制上。隨著無(wú)鉛焊的實(shí)施，回流曲線引起的焊接質(zhì)量問(wèn)題更加突出。 本文以SMT生產(chǎn)線上回流焊曲線的優(yōu)化與控制為研究對(duì)象，以材料冶金學(xué)和傳熱學(xué)的綜合分析及實(shí)驗(yàn)為研究方法，設(shè)計(jì)回流曲線的優(yōu)化參數(shù)、開發(fā)優(yōu)化曲線的控制方法、提出焊點(diǎn)可靠性的控制策略，并總成回流曲線的優(yōu)化與控制方案

2、，定義為加熱因子控制方法。該方法可使回流焊工藝獲得快速、高可靠性的生產(chǎn)。 首先，通過(guò)分析在回流過(guò)程中焊膏合金粒子與基板焊盤的冶金反應(yīng)，揭示了金屬間化合物(IMC)的形成是回流焊接的實(shí)質(zhì)，IMC厚度是影響焊接可靠性的關(guān)鍵因素，而IMC厚度與加熱因子呈線性關(guān)系。因此，通過(guò)控制電子產(chǎn)品中各個(gè)焊點(diǎn)的加熱因子滿足最優(yōu)范圍，即可基本控制回流焊接的可靠性。IMC的形成有賴于助焊劑性能的良好發(fā)揮，而這取決于其在預(yù)熱區(qū)吸收的熱量，該熱量又與回流曲

3、線溫升部分的長(zhǎng)度和形狀密切相關(guān)，因此一個(gè)大體符合焊膏制造商所要求形狀的回流曲線是IMC產(chǎn)生的必要條件。適當(dāng)大而不致嚴(yán)重?zé)崾涞睦鋮s速率可以細(xì)化焊點(diǎn)微觀組織，增強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠性。由此，從IMC形成、助焊劑性能發(fā)揮和焊點(diǎn)微觀組織的細(xì)化三個(gè)方面解決了回流曲線的優(yōu)化問(wèn)題。 其次，針對(duì)前人對(duì)加熱因子定義的不確切(易誤解為只由熱源的“加熱”而來(lái))，論文通過(guò)傳熱學(xué)和材料學(xué)的綜合分析，發(fā)現(xiàn)加熱因子發(fā)生過(guò)程分別存在加熱和冷卻兩個(gè)熱傳遞階段(以焊點(diǎn)峰

4、值溫度為分界線)，并不僅僅是焊接界面在液相區(qū)從外部吸收的熱量，而且包含在冷卻階段保有的熱量，這充分說(shuō)明了加熱因子是微觀意義上的“加熱”，代表了焊接界面液態(tài)合金成分里的組元在液相區(qū)所能吸收的總熱量(由此可說(shuō)明IMC厚度與加熱因子的關(guān)系)，而不是宏觀意義上焊接界面從熱源吸收的總熱量。澄清加熱因子的物理意義也有助于其值的計(jì)算與控制。 第三，作為控制加熱因子的必要條件，論文分別從數(shù)值傳熱學(xué)計(jì)算、溫度數(shù)據(jù)采集和圖像處理三個(gè)方面研究加熱因子

5、的求取。由于回流焊?jìng)鳠徇^(guò)程的復(fù)雜性，數(shù)值分析方法不得不做出大量簡(jiǎn)化假設(shè)，致使求解的溫度誤差很大，因此不足以保證計(jì)算加熱因子求取值的精度；為此開發(fā)了一個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，輔之以EXCEL工具可以求取加熱因子值，且能獲取足夠的精度；也可以對(duì)SMT生產(chǎn)線上獲得的回流曲線進(jìn)行圖像處理以求取精確的加熱因子值。 第四，作為加熱因子控制的基礎(chǔ)，電子組裝產(chǎn)品(PCBA)上各個(gè)焊點(diǎn)的溫度曲線形狀應(yīng)基本符合焊膏制造商的要求，

6、為此論文通過(guò)對(duì)回流焊?jìng)鳠徇^(guò)程及焊點(diǎn)溫度曲線的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入分析，提出了回流曲線反求的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。該方法將目標(biāo)曲線從室溫上升到其峰值溫度所需的總時(shí)間長(zhǎng)度除以所采用回流爐各個(gè)加熱區(qū)的總長(zhǎng)度，得到回流爐的走帶速度；將目標(biāo)曲線的溫升部分按PCBA在所用爐子的各個(gè)加熱區(qū)間停留的時(shí)間劃分成各個(gè)時(shí)間段，然后根據(jù)目標(biāo)曲線溫升部分的軌跡確定其在各個(gè)時(shí)間段應(yīng)得到的溫度增加值；令回流爐各個(gè)加熱區(qū)間溫度設(shè)置的相對(duì)差值等于目標(biāo)回流曲線在各個(gè)對(duì)應(yīng)

7、時(shí)間段的溫度增加值，從而將回流爐各個(gè)加熱區(qū)間的溫度設(shè)置組合成為一個(gè)參數(shù)，這個(gè)組合參數(shù)可以用鄰近冷卻區(qū)的最后一個(gè)加熱區(qū)的溫度設(shè)置表示，代表了爐溫的最大值；由于回流過(guò)程熱傳遞的非平衡性，須要此組合參數(shù)等于目標(biāo)回流曲線的峰值溫度加上一個(gè)補(bǔ)償值作為回流爐各個(gè)加熱區(qū)的溫度設(shè)置，而各個(gè)加熱區(qū)溫度設(shè)置的相對(duì)差值不變，且各個(gè)加熱區(qū)頂部熱源和底部熱源的溫度一致，該補(bǔ)償值約為5～25℃，其大小取決于印刷電路板上組裝的最大熱容量元件的熱容；而回流爐冷卻區(qū)溫度

8、設(shè)置取決于熱點(diǎn)的冷卻速率(通常不高于4℃/sec)和熱點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱時(shí)間常數(shù)。本方法僅通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，和適當(dāng)?shù)墓浪憔湍苁购更c(diǎn)回流曲線得到良好的控制求解，基本符合焊膏制造商對(duì)回流曲線形狀的要求，該方法已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枺?00710039134.4)。 第五，在通過(guò)回流曲線反求法獲得的焊點(diǎn)溫度曲線的基礎(chǔ)上，論文用實(shí)驗(yàn)的方法研究了加熱因子最優(yōu)范圍的控制，提出了基于冷點(diǎn)加熱因子逼近最優(yōu)范圍下限的策略來(lái)控制加熱因子最優(yōu)范圍，并發(fā)

9、現(xiàn)冷點(diǎn)加熱因子與回流爐各加熱區(qū)頂部熱源的溫度設(shè)置呈線性關(guān)系，從而可以通過(guò)調(diào)整回流爐頂部熱源設(shè)置使冷點(diǎn)加熱因子得以線性控制。 最后，對(duì)回流曲線的優(yōu)化與控制方案進(jìn)行總成，定義為加熱因子控制方法，并將其和缺陷機(jī)理分析優(yōu)化指導(dǎo)下的回流曲線預(yù)測(cè)控制方法做比較，顯示了加熱因子控制方法的簡(jiǎn)單性和可用于任意回流焊工藝方案的普適性，其執(zhí)行速度也不亞于目前在SMT生產(chǎn)線應(yīng)用的回流曲線預(yù)測(cè)工具，尤為重要的是實(shí)現(xiàn)了對(duì)回流焊的高可靠性控制，這些方面都充分