表面贴装工艺生产线上回流焊曲线的优化与控制

摘要

电子信息产业在中国的迅猛发展，推动着表面贴装工艺(SMT)的质量和效率的提高。回流焊作为SMT生产线上的核心工艺环节，其质量与效率的提高集中体现在回流曲线的优化与控制上。随着无铅焊的实施，回流曲线引起的焊接质量问题更加突出。 本文以SMT生产线上回流焊曲线的优化与控制为研究对象，以材料冶金学和传热学的综合分析及实验为研究方法，设计回流曲线的优化参数、开发优化曲线的控制方法、提出焊点可靠性的控制策略，并总成回流曲线的优化与控制方案，定义为加热因子控制方法。该方法可使回流焊工艺获得快速、高可靠性的生产。 首先，通过分析在回流过程中焊膏合金粒子与基板焊盘的冶金反应，揭示了金属间化合物(IMC)的形成是回流焊接的实质，IMC厚度是影响焊接可靠性的关键因素，而IMC厚度与加热因子呈线性关系。因此，通过控制电子产品中各个焊点的加热因子满足最优范围，即可基本控制回流焊接的可靠性。IMC的形成有赖于助焊剂性能的良好发挥，而这取决于其在预热区吸收的热量，该热量又与回流曲线温升部分的长度和形状密切相关，因此一个大体符合焊膏制造商所要求形状的回流曲线是IMC产生的必要条件。适当大而不致严重热失配的冷却速率可以细化焊点微观组织，增强焊点的可靠性。由此，从IMC形成、助焊剂性能发挥和焊点微观组织的细化三个方面解决了回流曲线的优化问题。 其次，针对前人对加热因子定义的不确切(易误解为只由热源的“加热”而来)，论文通过传热学和材料学的综合分析，发现加热因子发生过程分别存在加热和冷却两个热传递阶段(以焊点峰值温度为分界线)，并不仅仅是焊接界面在液相区从外部吸收的热量，而且包含在冷却阶段保有的热量，这充分说明了加热因子是微观意义上的“加热”，代表了焊接界面液态合金成分里的组元在液相区所能吸收的总热量(由此可说明IMC厚度与加热因子的关系)，而不是宏观意义上焊接界面从热源吸收的总热量。澄清加热因子的物理意义也有助于其值的计算与控制。 第三，作为控制加热因子的必要条件，论文分别从数值传热学计算、温度数据采集和图像处理三个方面研究加热因子的求取。由于回流焊传热过程的复杂性，数值分析方法不得不做出大量简化假设，致使求解的温度误差很大，因此不足以保证计算加热因子求取值的精度；为此开发了一个温度数据采集系统，包括硬件设计和软件设计，辅之以EXCEL工具可以求取加热因子值，且能获取足够的精度；也可以对SMT生产线上获得的回流曲线进行图像处理以求取精确的加热因子值。 第四，作为加热因子控制的基础，电子组装产品(PCBA)上各个焊点的温度曲线形状应基本符合焊膏制造商的要求，为此论文通过对回流焊传热过程及焊点温度曲线的产生机理进行深入分析，提出了回流曲线反求的方法，并通过实验得到了验证。该方法将目标曲线从室温上升到其峰值温度所需的总时间长度除以所采用回流炉各个加热区的总长度，得到回流炉的走带速度；将目标曲线的温升部分按PCBA在所用炉子的各个加热区间停留的时间划分成各个时间段，然后根据目标曲线温升部分的轨迹确定其在各个时间段应得到的温度增加值；令回流炉各个加热区间温度设置的相对差值等于目标回流曲线在各个对应时间段的温度增加值，从而将回流炉各个加热区间的温度设置组合成为一个参数，这个组合参数可以用邻近冷却区的最后一个加热区的温度设置表示，代表了炉温的最大值；由于回流过程热传递的非平衡性，须要此组合参数等于目标回流曲线的峰值温度加上一个补偿值作为回流炉各个加热区的温度设置，而各个加热区温度设置的相对差值不变，且各个加热区顶部热源和底部热源的温度一致，该补偿值约为5～25℃，其大小取决于印刷电路板上组装的最大热容量元件的热容；而回流炉冷却区温度设置取决于热点的冷却速率(通常不高于4℃/sec)和热点对应的热时间常数。本方法仅通过简单的计算，和适当的估算就能使焊点回流曲线得到良好的控制求解，基本符合焊膏制造商对回流曲线形状的要求，该方法已经申请了国家发明专利(申请号：200710039134.4)。 第五，在通过回流曲线反求法获得的焊点温度曲线的基础上，论文用实验的方法研究了加热因子最优范围的控制，提出了基于冷点加热因子逼近最优范围下限的策略来控制加热因子最优范围，并发现冷点加热因子与回流炉各加热区顶部热源的温度设置呈线性关系，从而可以通过调整回流炉顶部热源设置使冷点加热因子得以线性控制。 最后，对回流曲线的优化与控制方案进行总成，定义为加热因子控制方法，并将其和缺陷机理分析优化指导下的回流曲线预测控制方法做比较，显示了加热因子控制方法的简单性和可用于任意回流焊工艺方案的普适性，其执行速度也不亚于目前在SMT生产线应用的回流曲线预测工具，尤为重要的是实现了对回流焊的高可靠性控制，这些方面都充分展现了加热因子控制方法的优越性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题背景

1.3回流焊工艺控制的研究现状及其面临的挑战

1.3.1 回流焊过程的要素

1.3.2 回流焊的方法

1.3.3 设置回流曲线的依据

1.3.4 回流曲线优化的研究现状

1.3.5 回流曲线控制的研究现状

1.3.6 无铅给回流焊工艺控制带来的挑战

1.4目前回流曲线优化与控制中存在的问题

1.5课题研究的意义和目的

1.6本文主要研究内容与本文结构

第二章 回流曲线的优化

2.1引言

2.2焊料合金粉作用机理分析

2.2.1 金属间化合物的形成

2.2.2 加热因子的提出

2.2.3 加热因子最优范围的确定

2.2.4 加热因子方法的提出

2.2.5 加热因子方法的拓展应用

2.3助焊剂作用机理分析

2.4焊点微观组织的细化

2.5回流曲线优化的分析

2.5.1 加热因子成份分析

2.5.2 加热因子窗口与回流工艺窗口的控制

2.5.3 预热因子

2.5.4 冷却速率

2.6回流曲线的优化的应用

2.6.1 应用策略

2.6.2 对回流炉的要求

2.7回流曲线优化控制方案初探

2.8本章小结

第三章 回流曲线优化参数的求取

3.1引言

3.2数值传热学分析方法

3.3温度数据采集方法

3.3.1 温度传感器的选择

3.3.2 热电偶测温原理

3.3.3 热电偶测温误差分析

3.3.4 热电偶测温方法

3.3.5 热电偶测温方法对测温精度的影响

3.3.6 热电偶位置选择及放置

3.3.7 数据采集系统设计

3.4图像处理方法

3.5本章小结

第四章 回流曲线的反求与实验验证

4.1引言

4.2加热因子指导下的回流曲线实现

4.3回流焊过程热分析

4.3.1 炉结构描述

4.3.2 冲击射流概述

4.3.3 回流曲线产生机理分析

4.4回流焊曲线反求方法

4.5回流焊曲线反求方法的实验验证

4.6回流曲线反求步骤简化

4.7本章小结

第五章 加热因子最优范围的控制

5.1引言

5.2加热因子最优范围的控制策略

5.3最小化加热因子窗口

5.4加热因子最优范围下限在冷点的实现

5.4.1 冷点位置的确定

5.4.2 冷点加热因子的求取

5.4.3 实验探索冷点加热因子变化规律

5.4.4 实验结果分析

5.5加热因子最优范围控制在生产上的应用

5.6本章小结

第六章 回流焊工艺最优控制方案设计

6.1引言

6.2优化回流曲线的控制方案总成

6.3加热因子控制方法的优越性

6.3.1 可使焊点取得高可靠性

6.3.2 无须预先建立数据库

6.3.3 易于控制加热因子最优范围

6.4加热因子控制方法的精细化设计

6.4.1 基于反求法的回流焊控制变量发计

6.4.2 回流焊控制的最优化控制算法探索

6.5本章小结

第七章 主要结论与展望

7.1总结

7.2论文创新点

7.3研究展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文

申请专利