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1、烙铁培训资料烙铁培训资料讨论的题目l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l焊接的热能量的讨论l如何确保手工焊接的过程控制焊接要达到的目的l形成可靠的焊点(产品可靠性Reliability)l产品废品率低(Yield,minimize rejects)l生产效率高(Productivity throughput)l所有上述三点的获得均与焊接的过程控制有紧密联系lPb 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)lMIL-STD/IPC Rule of T
2、humb(美军标美军标)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)l60/40223C(183C)433F(361)lSn 3.8Ag0.7Cu257C(217C)495F(423)lSn0.7Cu267C(227C)513F(441)lLF 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焊接过程是热能量从热源向被焊物的热能量转移过程热能量转移过程(从烙铁头通过焊锡从烙铁头通过焊锡,助焊剂助焊剂,管脚形成热
3、能量转移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关注点:一旦烙铁头接触到焊盘一旦烙铁头接触到焊盘,其其 存储热能量的供应是非控制的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关注点:存储热能量过大将瞬间烧掉助焊剂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焊接过程没有助焊剂活化区3.形成合金焊点区(Intermetallic Bond Formation Phas
4、e)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关注点:操作人员是否能掌控在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手工焊接的回流曲线 形成焊锡回流焊接并保持形成焊锡回流焊接并保持一定时间形成合金焊点一定时间形成合金焊点为了
5、使助焊剂在升温的过程中为了使助焊剂在升温的过程中充分活化充分活化,此区间温度是按某此区间温度是按某种斜率升温到焊接温度的种斜率升温到焊接温度的温度温度时间时间 3-5秒钟秒钟Flux Activation Zone形成手工焊接的回流焊曲线形成手工焊接的回流焊曲线 焊接回流焊接区焊接回流焊接区助焊剂活化区助焊剂活化区传递的第一部分热能量传递的第一部分热能量=烙铁头烙铁头存储的热能量存储的热能量(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)温度温度时间时间 3-5秒钟秒钟回流焊和合金焊点形成区 Reflow&Inter-metallic Zone形
6、成手工焊接的回流焊曲线形成手工焊接的回流焊曲线 形成焊锡回流焊接并保持形成焊锡回流焊接并保持一定时间形成合金焊点一定时间形成合金焊点需要可控制的需要可控制的加热体热能加热体热能量量输出给焊盘输出给焊盘助焊剂活化区助焊剂活化区温度温度时间时间 3-5秒钟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
7、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传统陶瓷加热体温度控制式烙铁功率控制式烙铁功率控制式烙铁烙铁头温度烙铁头温度加热体温度加热体温度加热体温度加热体温度烙铁头温度烙铁头温度焊盘温度焊盘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P
8、b-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 Controll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)l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l危险性在盲目提高闲置温度(造成de-wetting,tip life,board&component ris
9、ks)步骤 2 形成合金焊点区的控制(Reflow Control)l目标:控制加热体热能量的传递l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CalibrationConventional Tip Testing SmartHeat Power MeterMeasures Idle Tip TemperatureMeasures(Power)Wattage at the Solder JointHeat TransferFine Tip Geom
10、etry Small Load Medium Load Heavy Load742Heat TransferMedium Tip Geometry Medium Load 744Heat TransferLarge Tip Geometry Heavy Load745热传导效率 vs 烙铁头选择l 影响热传导效率的因素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/
11、L小焊点小焊点大焊点大焊点Thermal Performance 传导的热能量传导的热能量(单位为瓦特单位为瓦特)W/L=0.89W/L=0.50W/L=0.270.89 0.50 0.270.89 0.50 0.27W/L=Thermal Conductivity Factor,whereW=烙铁头直径烙铁头直径(Tip Diameter)adjusted for variation over length)L=烙铁头长度烙铁头长度(Length)无铅焊接需要的基本功率无铅焊接需要的基本功率烙铁头的镀层厚度Thermal Performance 烙铁头的镀层厚度烙铁头的镀层厚度(Platin
12、g Thickness(mils)无铅焊接需要的基本功率无铅焊接需要的基本功率加热体的功率密度32W Heater50W HeaterThermal Performance 烙铁头的闲置温度设定闲置温度闲置温度 vs 热容量的传递效率热容量的传递效率热容量的传递效率热容量的传递效率 烙铁头的闲置温度烙铁头的闲置温度 Tip Idle Temperature(Deg C)所有影响热容量传递因素中所有影响热容量传递因素中,哪个是关键因素哪个是关键因素热容量传导的性能改善热容量传导的性能改善 将每种因素自身的性能提高将每种因素自身的性能提高10%以后以后Pb Free 烙铁头寿命的考虑l烙铁头寿命降
13、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 PlatingFailure MechanismCuFe烙铁头前端的焊锡烙铁头前端的焊锡烙铁头表面镀铁的缺陷烙铁头表面镀铁的缺陷Defect Propagationl10%Time to FailureCuFeRapid Dissolution of Cu烙铁头失效机理分析l镀铁层的裂痕是造成烙铁头失效的主要原因l镀铁层的裂痕产生于镀铁层的彻底磨损之前l结论:l加厚度铁层不能提高烙铁头寿命,只会降低热能量的传递l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
14、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条件条件症状症状原因原因防止防止处理办法处理办法Organic Residue有机残留物De-wett&Black Residue不沾锡,黑色残留物Acidic Erosion酸性腐蚀Keep Tip Well Tinned保持烙铁头裹锡定时用金属丝去除残留物,重新对烙铁头在锡炉中沾锡Oxidation氧化De-wett(rust color)氧化,铁锈色Tip to air exposure空气接触氧化Keep Tip Well Tinned保持烙铁头裹锡Activated flux&solder pot re-tin强力助焊剂
15、,裹锡Sn-Fe OxideIntermetallc合金层覆盖De-wett&Black Residue不沾锡,黑色残留物Excessive tin exposure过度裹锡Power Back system during idle不用时,低功率输出定时用金属丝去除残留物,重新对烙铁头在锡炉中沾锡Fe-CrackingHole in FeOperator tip pressureKeep Tip Well TinnedDiscard Tip,损坏Fe-Dissolution(flux)Hole in FeAcidic ErosionRotate tip to distribute solder
16、Discard Tip,损坏Fe-Dissolution(tin)Hole in FeLong term tin exposurePower back system at idleDiscard Tip,损坏Bulk Failures,已经损坏Surface Failures,可处理继续使用Metcal:智能电烙铁 最 先 进 的 焊 接 和 返 工 电 装 烙 铁 采采 用用 最最 先先 进进 的的 技术技术,符合符合ISO9000的要求的要求 功率随焊点负载而变化 温度恒定 与操作人员经验无关 安安 全全 焊焊 接接.快快 速速 焊焊 接接.简简 易易 操操 作作.形成可靠的焊点的必要条件
17、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 美军标规定美军标规定 焊接温度焊接温度 不得高于焊锡熔点不得高于焊锡熔点 40(100 F)，停留时间为，停留时间为 25秒秒 焊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，达到恰当温度由于焊点负载的大小不同，达到恰当温度 的热量也不同的热量也不同 焊接散热散热加热加热平衡点平衡点 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 烙烙 铁铁 头头 储储 存存 能能 量量 温温 度度 传传 感感 器器 连连 接接 控控 制制 部部 分分 加加 热热 体体Dumb-H
18、eat CartridgeDumb-Heat Cartridge电热丝加热体电热丝加热体电源系统电源系统“人工人工”温度补偿反馈回路温度补偿反馈回路“加热体加热体”线圈线圈电源系统电源系统SmartHeat“自身的自身的自身的自身的”温度补偿反馈回路温度补偿反馈回路全接通或全断开全接通或全断开 满功率或无功率满功率或无功率 超调超调3 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 热热 能能 输输 出出=Qs 储储 存存+Qi 热热 量量 产产 生生.(热热 能能 存存 储储 在在 烙烙 铁铁 头头)(热热 能能 输输 出出 给给
19、焊焊 点点)(加加 热热 体体 产产 生生 热热 能能)焊焊 点点 L 电热芯电热芯“传传 统统 的的 焊焊 接接 技技 术术 依依 赖赖 于于 热热 能能 存存 储储 在在 烙烙 铁铁 头头 内内.”电热芯与焊点为独电热芯与焊点为独立立的两部分，无过程控制的两部分，无过程控制T1T2烙铁头Q0QIQSTAV烙铁头烙铁头加热器加热器热电偶热电偶TC控制器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D
20、umb-Heat CartridgeDumb-Heat Cartridge电热丝加热体电热丝加热体电源系统电源系统“人为设计的人为设计的”温度补偿反馈回路温度补偿反馈回路SmartHeat CartridgeSmartHeat Cartridge“加热体加热体”线圈线圈电源系统电源系统SmartHeat“自身的自身的自身的自身的”温度补偿反馈回路温度补偿反馈回路瞬间功率补偿瞬间功率补偿 补偿功率适负载大小而定补偿功率适负载大小而定 不会出现温度超调不会出现温度超调3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*r*Cp)*(Acs*L)*(Tav(D Dt)-Tav)/D Dt(T2(t)-T1(t)(C1+L(Acs*K)+C2)Qo热热 量量 输输 出出=Q 储储 存存+Qi热热 量量 产产 生生.“热热 量量 不不 是是 先先 储储 存存 在在 烙烙 铁铁 头头 上上,而而 是是 由由 加加 热热 体体 直直 接接 将将 热热 能能 供供 给给 到到 焊焊 点点 上上.加加 热热 快快,并且并且 焊焊 接接 温温 度度 低，低，焊焊 接接 安安 全全.”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