再流焊接设备性能评估方法

2014-03-26宋顺美

电子工业专用设备 2014年5期

宋顺美

(日东电子科技（深圳）有限公司，广东深圳518103)

再流焊接工艺作为表面组装技术（SMT）三大核心工艺之一，其直接影响电子产品焊点质量可靠性。据有关统计数据显示，SMT焊接缺陷因再流焊接引起的比例为35%～40%。由此可见，再流焊接设备工艺性能对焊接质量有着举足轻重的影响，而对再流焊设备的工艺性能评估迫在眉睫。本文结合生产实践，提出一套评估方法，旨在为热风再流焊接设备的可量化性能提供测试方法，以此对其工艺性能进行评估。

1 再流焊设备性能评估传统方法

再流焊接工艺在很短时间内须同时完成上万个焊点的焊接，对于质量控制一般是通过用如图1所示实装板每天测试一次炉温（如图2）进行确认，这就产生了很大隐患，因为所得温度曲线只能代表测试条件下的某段时间性能，不能代表实际负载生产时的性能，尤其是对如图3所示高密度组装产品，工艺窗口很窄，任何小的波动都可能会引起质量问题。此外，实装板测试一般最多不超过50次，报废后还需重新制作一块，成本较高。目前，行业内大多自制测试板，如图4所示，有模拟实装板的测试板，也有模拟实装板的负载板。虽可重复使用，但是测试数据只供参考，不能概述真正工艺制程的可靠性。

再流焊接工艺过程不简单指的是温度曲线，还包括工艺窗口大小、热稳定性、稳定性及设备系统稳定性等，如图5所示。抛开设备系统硬件配置，就工艺性能方面，主要包括热效能均衡度、回流量、热冲击、环境补偿能力、空满载分析、长期稳定性分析、链速稳定性、导轨平行度等，见图6。

图1 温度测试用实装板

图2 再流焊接用温度曲线

图3 高密度组装电子产品

图4 常用自制温度测试板

图5 再流焊设备性能评估要素

图6 再流焊设备性能评估内容及推荐的热性能测试仪器

2 再流焊设备性能评估推荐方法

2.1 制定标准温度曲线

由于不同品牌及规格的设备结构与尺寸不同，为了统一标准，需要制定一标准温度曲线（图7推荐），对于加热系统的评测都是在满足标准温度曲线的条件下进行。推荐标准温度曲线的条件是：从第一个加热区到最后一个加热区，必须在规定的210 s走完，且每区的结束点温度t与标准曲线中对应位置的温度t0的差值应满足|t-t0|≤2℃。

图7 标准工艺温度曲线（客户也可自定义）

2.2 设备炉膛分区

依据设备厂商产品说明或直接测量方式，准确找出炉体的加热区数量、各加热区准确长度（以30.5 cm为例）及加热区总长度（以305 cm为例，不包冷却区），并在测试工具软件中输入设备分区信息（市场上测温软件基本都具备此功能），如图8所示。

图8 再流焊炉分区量测方法

2.3 标准温度曲线调试

2.3.1 计算链速

用上述中得出的加热区的总长度d(cm)除以标准有效加热时间210 s，即按公式v=d×60/210得出传送系统链速的设定值v(cm/min)。

2.3.2 温度设定调试

首先依照经验对各区温度进行初步设定，链速按上述的计算结果进行设定，等待再流焊炉稳定（一般指示绿灯点亮）；然后按测试仪器的尺寸调整轨道宽度，加热区系统鼓风机频率按设备出厂默认设定。

选择标准仪器上相同小热容的L1、M1、R1三点为参考，并以其温度曲线为基准来调整各分区的起始位置点，分区位置需和各区温度拐点基本吻合（如图9所示）；以M1模块为分析对象，确认每区结束时的温度是否满足标准曲线的要求。如果不满足，则调整相应加热区的温度设置直至满足为止，然后才可进行各项性能的测评。

图9 温度与分区对齐示意图

2.4 热效能评测（设定温度与实际温度评测）

既可评测热风气流的可调范围，还可评测不同热风速率下设备热效率，同时还能确认默认热风电动机转速是否落为最佳范围。测试前，将所有加热区均设定为统一温度160℃±1℃（客户可自定），以测试板上 L1、M1、R1，L2、M2、R2及 L3、M3、R3在最后一加热区的结束温度做为分析对象进行分析，如图10所示。评测不同模块M3、M2及M1之间峰值温度的差异△T及与设定温度之间的差异，△T越大表示加热效率越低。

图10 设定温度及各模块之间的温度差异

此方法只能反应系统整体的热效率状况，即在同样热风温度和加热时间下，上述评测对象之间的差异越小，就表示整个系统的加热效率越高，但不能对每个区的热效率进行评测，也无法评测阶梯式热风过程。

如果要进行更准确的评测，需在标准测试板上安装风量测试传感器，同时要求测试记录仪能够对测试结果进行采集、记录。测试结果如图11所示，反应的是每个加热区的热风对流量，精确、直观，可方便对每个加热区及加热区之间的效率进行评测。对于SMT工艺过程，对流量的经验最佳范围是4.5～6.5。

图11 带有风量传感器的标准测试板的测试示例

2.5 热效能均衡度评测（PCBA横截面温度均匀性）

标准温度曲线下，任选标准测试板上L1、M1、R1；L2、M2、R2；L3、M3、R3三组探头中的任何一组作为测试样本进行测试，对比三条曲线上不同位置处的温度偏差值，并取最大温差△Tmax作为测评结果，如图12所示，对于SMT工艺过程，最大温差一般有三个等级，即3℃、6℃和9℃，温差等级越小，说明产品适应能力越强。

图12 PCBA横截面温度均匀性分析示意图

2.6 热补偿能力评测

2.6.1 环境热补偿能力

标准温度曲线下，标准空载测试3次，特定温差条件下空载测试3次，将两种条件下的测试结果进行对比分析。比如车间气温为25℃，则需要把测试板温度升高15℃（推荐）达到40℃，然后迅速放入炉内进行测试，其结果与室温测温结果进行对比分析。方法可根据工艺曲线要求，选择预热温度以上时间差△t1、217℃以上的时间差△t2及和最高温度值停留时间差△T，如图13所示。

2.6.2 空/满载热补偿能力

标准温度曲线下，连续无间隙或留50 cm最小间隙放置5块热负载板，紧接着放入标准测试板和测试仪，标准测试板与最后一块热负载板间无空隙或留50 cm最小间隙，将采集的温度曲线与之前空载时的温度曲线进行对比、分析，评价方法如上所述，计算时间差也可，以数学方式计算出2种情况下，曲线图上表示的加热区段热量面积的差异也可。

图13 环境温差热补偿能力测试、分析

2.7 温差能力评测

2.7.1 左右温区温差能力

将标准温度曲线217℃所在加热区以后的所有加热区统一设为200℃（可根据实际情况自定义），以前的所有加热区统一设定为160℃（可根据实际情况自定义），一般常把预热区与焊接区定为分界点，在绿灯点亮后2 h，通过系统温控显示来观察与分界点紧邻两个温区之间的温度变化。如果温度能够按照设定温度达到稳定，则按10℃为单位将2段温度分别上调与下调，逐渐拉大温差，每次调整需要2 h的观察，直至温度不能保持稳定，评估稳定前的最大设定温度偏差△T，温差越大说明温差设定能力越好。

2.7.2 上下温区温差能力

设备加热温区中，上加热体均设为200℃，下加热体均设为180℃，绿灯亮后2 h从控制监视器上读取实际加热区温差△T2。

2.8 导轨宽度一致性评测

PCBA传输系统非常重要，一般需要评测链速稳定度（<±5%，推荐在±2%以内）、导轨水平度和导轨宽度一致性。导轨宽度一致性分为常温环境和加热环境两种条件，常温下可通过测量工具进行，但加热环境下要通过如图14导轨宽度测试仪进行测量，结果如图15、16所示，图15为可允许的变化量，图16为严重变形超出管控范围，建议变化量在±1 mm以内，±0.5 mm以内最佳。

图14 导轨宽度测试仪

图15 导轨宽度一致性符合管控范围

图16 导轨宽度一致性超出管控范围

2.9 其他性能评测

除上述性能评测内容外，还包括冷却系统性能评测（冷却能力及出口温度）、氮气系统性能评测（氧含量稳定性及氮气消耗量）、助焊剂回收系统性能评测（助焊剂回收率及维护便捷性）、控制系统评测（各种保护及防呆功能等）以及其他综合项目，包括UPS运行时间（≥20 min）、功耗（启动功率及运行功率）、升温时间、制程切换时间、废气排量（10 m3/min左右）、机器外壳温度（≤40℃）及噪音（<70 dB）。