再流焊设备的优越性能与效率提升

用于再流焊的设备称为再流焊炉,图5-25 是再流焊炉的外形图。再流焊炉主要由炉体、上下加热源、PCB 传送装置、空气循环装置、冷却装置、排风装置、温度控制装置以及计算机控制系统组成。

图5-25　再流焊炉的外形图

再流焊对焊料加热有不同的方法,就热量的传导来说,主要有辐射和对流两种方式;按照加热区域,可以分为对PCB 整体加热和局部加热两大类,整体加热的方法主要有红外线加热法、气相加热法、热风加热法、热板加热法,局部加热的方法主要有激光加热法、红外线聚焦加热法、热气流加热法、光束加热法。

1.再流焊设备的种类

根据再流焊对焊料加热方式的不同,常见的再流焊设备有以下几种。

1)红外线再流焊

红外线再流焊的加热炉使用远红外线辐射作为热源,现在国内企业已经能够制造这种焊接设备,所以红外线再流焊是目前使用最为广泛的SMT 焊接方法。图5-26 是红外线再流焊炉的工作过程示意图。这种方法的主要工作原理是:在设备的隧道式炉膛内,通电的陶瓷发热板(或石英发热管)辐射出远红外线,热风机使热空气对流均匀,让电路板随传动机构直线匀速进入炉膛,顺序通过预热、焊接和冷却三个温区。在预热区里,PCB 在100～160 ℃的温度下均匀预热2～3 min,焊膏中的低沸点溶剂和抗氧化剂挥发,化成烟气排出;同时,焊膏中的助焊剂浸润焊接对象,焊膏软化塌落,覆盖了焊盘和元器件的焊端或引脚,使它们与氧气隔离;并且,电路板和元器件得到充分预热,以免它们进入焊接区因温度突然升高而损坏。在焊接区,温度迅速上升,比焊料合金熔点高20～50 ℃,漏印在印制电路板焊盘上的膏状焊料在热空气中再次熔融,浸润焊接面,时间为30～90 s。当焊接对象从炉膛内的冷却区通过,使焊料冷却凝固以后,全部焊点同时完成焊接。

图5-26　红外线再流焊炉的工作过程示意图

现在,随着温度控制技术的进步,高档的红外线再流焊设备的温度隧道更多地细分了不同的温度区域,例如把预热区细分为升温区、保温区和快速升温区等。在国内设备条件最好的企业里,已经能够见到7～10 个温区的再流焊设备。

红外线再流焊炉的优点是热效率高,温度变化梯度大,温度曲线容易控制,双面焊接电路板时,PCB 的上、下温度差别明显;缺点是同一电路板上的元器件受热不够均匀,特别是当元器件的颜色和体积不同时,受热温度就会不同,为使深颜色的和体积大的元器件同时完成焊接,必须提高焊接温度。

红外线再流焊设备适用于单面、双面、多层印制电路板上SMT 元器件的焊接,也可以用于电子器件、组件、芯片的再流焊,还可以对印制电路板进行热风整平、烘干,对电子产品进行烘烤、加热或固化黏合剂。红外线再流焊设备既能够单机操作,也可以与电子装配生产线配套使用。

2)气相再流焊

气相再流焊工作原理是:在介质的沸点温度下,把饱和蒸气转变成为相同温度的液体,释放出潜热,使膏状焊料熔融浸润,从而使电路板上的所有焊点同时完成焊接。这种焊接方法的介质液体要有较高的沸点(高于铅锡焊料的熔点),有良好的热稳定性,不自燃。常见的介质有FC70(沸点215 ℃)和FC71(沸点253 ℃)等。

气相再流焊的优点是焊接温度均匀、精度高、不会氧化。其缺点是介质液体及设备的价格高,工作时介质液体会产生少量有毒气体。图5-27 是气相再流焊设备的工作原理示意图。

图5-27　气相再流焊的工作原理示意图

3)热板传导再流焊

利用热板传导来加热的焊接方法称为热板传导再流焊。热板传导再流焊的工作原理如图5-28 所示。

图5-28　热板传导再流焊的工作原理

发热器件为型板,放置在传送带下,传送带由导热性能良好的材料制成。待焊电路板放在传送带上,热量先传送到电路板上,再传至铅锡焊膏与SMC/SMD 元器件上,软钎料焊膏熔化以后,再通过风冷降温,完成SMC/SMD 与电路板的焊接。这种设备的热板表面温度不能大于300 ℃,适用于高纯度氧化铝基板、陶瓷基板等导热性好的电路板单面焊接,对普通覆铜箔电路板的焊接效果不好。(www.xing528.com)

4)热风对流再流焊与红外热风再流焊

热风对流再流焊是利用加热器与风扇,使炉膛内的空气或氮气不断加热并强制循环流动,工作原理如图5-29 所示。这种再流焊设备的加热温度均匀,但不够稳定,容易产生氧化,PCB 上、下的温差以及沿炉长方向的温度梯度不容易控制,一般不单独使用。

图5-29　热风对流再流焊的工作原理

改进型的红外热风再流焊是按一定热量比例和空间分布,同时混合红外线辐射和热风循环对流来加热的方式,也叫热风对流红外线辐射再流焊。这种方法的特点是各温区独立调节热量,减小热风对流,在电路板的下面采取制冷措施,从而保证加热温度均匀稳定,电路板表面和元器件之间的温差小,温度曲线容易控制。红外热风再流焊设备的生产能力高,操作成本低,是SMT 大批量生产中的主要焊接设备之一。

5)激光加热再流焊

激光加热再流焊是利用激光束良好的方向性及功率密度高的特点,通过光学系统将激光束聚集在很小的区域内,在很短的时间内使被加热处形成一个局部的加热区,常用的激光有CO2 和YAG 两种。图5-30 是激光加热再流焊的工作原理示意图。

图5-30　激光加热再流焊的工作原理

激光加热再流焊的加热,具有高度局部化的特点,不产生热应力,热冲击小,热敏元器件不易损坏。但是设备投资大,维护成本高。

各种再流焊工艺主要加热方法的优缺点,如表5-4 所示。

表5-4　再流焊主要加热方法的优缺点

续表

2.再流焊设备的主要技术指标

(1)温度控制精度(指传感器灵敏度):应该达到±(0.1～0.2)℃。

(2)传输带横向温差:要求±5℃以下。

(3)温度曲线调试功能:如果设备无此装置,要外购温度曲线采集器。

(4)最高加热温度:一般为300～350 ℃,如果考虑温度更高的无铅焊接或金属基板焊接,应该选择350 ℃以上。

(5)加热区数量和长度:加热区数量越多、长度越长,越容易调整和控制温度曲线。一般中小批量生产,选择4～5 个温区,加热长度1.8 m 左右的设备,即能满足要求。

(6)传送带宽度:根据最大和最宽的PCB 尺寸确定。