表面貼裝工藝生產線上回流焊曲線的優(yōu)化與控制.pdf

1、電子信息產業(yè)在中國的迅猛發(fā)展，推動著表面貼裝工藝(SMT)的質量和效率的提高。回流焊作為SMT生產線上的核心工藝環(huán)節(jié)，其質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。隨著無鉛焊的實施，回流曲線引起的焊接質量問題更加突出。 本文以SMT生產線上回流焊曲線的優(yōu)化與控制為研究對象，以材料冶金學和傳熱學的綜合分析及實驗為研究方法，設計回流曲線的優(yōu)化參數、開發(fā)優(yōu)化曲線的控制方法、提出焊點可靠性的控制策略，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。 首先，通過分析在回流過程中焊膏合金粒子與基板焊盤的冶金反應，揭示了金屬間化合物(IMC)的形成是回流焊接的實質，IMC厚度是影響焊接可靠性的關鍵因素，而IMC厚度與加熱因子呈線性關系。因此，通過控制電子產品中各個焊點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，而這取決于其在預熱區(qū)吸收的熱量，該熱量又與回流曲

3、線溫升部分的長度和形狀密切相關，因此一個大體符合焊膏制造商所要求形狀的回流曲線是IMC產生的必要條件。適當大而不致嚴重熱失配的冷卻速率可以細化焊點微觀組織，增強焊點的可靠性。由此，從IMC形成、助焊劑性能發(fā)揮和焊點微觀組織的細化三個方面解決了回流曲線的優(yōu)化問題。 其次，針對前人對加熱因子定義的不確切(易誤解為只由熱源的“加熱”而來)，論文通過傳熱學和材料學的綜合分析，發(fā)現(xiàn)加熱因子發(fā)生過程分別存在加熱和冷卻兩個熱傳遞階段(以焊點峰

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(由此可說明IMC厚度與加熱因子的關系)，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，論文分別從數值傳熱學計算、溫度數據采集和圖像處理三個方面研究加熱因子

5、的求取。由于回流焊傳熱過程的復雜性，數值分析方法不得不做出大量簡化假設，致使求解的溫度誤差很大，因此不足以保證計算加熱因子求取值的精度；為此開發(fā)了一個溫度數據采集系統(tǒng)，包括硬件設計和軟件設計，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SMT生產線上獲得的回流曲線進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，電子組裝產品(PCBA)上各個焊點的溫度曲線形狀應基本符合焊膏制造商的要求，

6、為此論文通過對回流焊傳熱過程及焊點溫度曲線的產生機理進行深入分析，提出了回流曲線反求的方法，并通過實驗得到了驗證。該方法將目標曲線從室溫上升到其峰值溫度所需的總時間長度除以所采用回流爐各個加熱區(qū)的總長度，得到回流爐的走帶速度；將目標曲線的溫升部分按PCBA在所用爐子的各個加熱區(qū)間停留的時間劃分成各個時間段，然后根據目標曲線溫升部分的軌跡確定其在各個時間段應得到的溫度增加值；令回流爐各個加熱區(qū)間溫度設置的相對差值等于目標回流曲線在各個對應

7、時間段的溫度增加值，從而將回流爐各個加熱區(qū)間的溫度設置組合成為一個參數，這個組合參數可以用鄰近冷卻區(qū)的最后一個加熱區(qū)的溫度設置表示，代表了爐溫的最大值；由于回流過程熱傳遞的非平衡性，須要此組合參數等于目標回流曲線的峰值溫度加上一個補償值作為回流爐各個加熱區(qū)的溫度設置，而各個加熱區(qū)溫度設置的相對差值不變，且各個加熱區(qū)頂部熱源和底部熱源的溫度一致，該補償值約為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、設置取決于熱點的冷卻速率(通常不高于4℃/sec)和熱點對應的熱時間常數。本方法僅通過簡單的計算，和適當的估算就能使焊點回流曲線得到良好的控制求解，基本符合焊膏制造商對回流曲線形狀的要求，該方法已經申請了國家發(fā)明專利(申請?zhí)枺?00710039134.4)。 第五，在通過回流曲線反求法獲得的焊點溫度曲線的基礎上，論文用實驗的方法研究了加熱因子最優(yōu)范圍的控制，提出了基于冷點加熱因子逼近最優(yōu)范圍下限的策略來控制加熱因子最優(yōu)范圍，并發(fā)

9、現(xiàn)冷點加熱因子與回流爐各加熱區(qū)頂部熱源的溫度設置呈線性關系，從而可以通過調整回流爐頂部熱源設置使冷點加熱因子得以線性控制。 最后，對回流曲線的優(yōu)化與控制方案進行總成，定義為加熱因子控制方法，并將其和缺陷機理分析優(yōu)化指導下的回流曲線預測控制方法做比較，顯示了加熱因子控制方法的簡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生產線應用的回流曲線預測工具，尤為重要的是實現(xiàn)了對回流焊的高可靠性控制，這些方面都充分