基于定值工藝參數(shù)的爐溫曲線

孫闖闖,程曉燕,茍小樂,杜俊卓,徐士博,王彥功

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

表面安裝技術(shù)（SMT）是將片式電子元器件貼裝在印刷電路板表面，通過波峰焊、再流焊等方法焊裝在基板上的一種新型安裝技術(shù)，近十年來，表面安裝技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，應(yīng)用十分廣泛，給很多企業(yè)帶來了一些傳統(tǒng)技術(shù)無法代替的便利。表面安裝技術(shù)工藝最重要和最難的流程為焊接過程，在焊接過程中，需要嚴(yán)格控制各溫區(qū)的溫度和傳送帶的速度等影響因素。

再流焊是先將焊料加工成粉末狀，然后使用一定量的液態(tài)黏合劑，使之變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)的焊膏，然后用這些流動(dòng)狀態(tài)的焊膏將電子元器件粘在印刷電路板上，最后通過加熱的方式使焊膏中的焊料再次熔化和流動(dòng)，從而將電子元器件焊接在印刷電路板上。生產(chǎn)集成電路板的新型電子元件的主要焊接工藝方式為再流焊接，這是新型電子元件設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)用過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，但是不同焊接材料的熔點(diǎn)不同，所以回流焊爐內(nèi)各部分的溫度控制對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量相當(dāng)重要，即回流焊過程中對(duì)爐內(nèi)溫度控制的準(zhǔn)確程度決定著產(chǎn)品的最終質(zhì)量，為得到具有高質(zhì)量和高可靠度的印制電路板（PCB），并使其能夠滿足工藝要求，需要對(duì)爐溫控制展開更深入的研究和分析。

再流曲線的設(shè)置直接決定了再流焊接加熱工藝質(zhì)量的好壞，與再流焊?jìng)魉蛶У霓D(zhuǎn)動(dòng)速度、加熱風(fēng)扇區(qū)的整體溫度控制、加熱風(fēng)扇的對(duì)流以及風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等多種影響因素密切相關(guān)，而每個(gè)參數(shù)的取值又需要經(jīng)過嚴(yán)格的定期的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)才能確定，對(duì)實(shí)驗(yàn)者有很高的要求，一般需要專業(yè)人員設(shè)定實(shí)驗(yàn)和完成實(shí)驗(yàn)，最終得到參數(shù)的設(shè)定值，這樣整個(gè)工藝的最終質(zhì)量才會(huì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或更好，但在實(shí)際生產(chǎn)中，影響產(chǎn)品最終質(zhì)量的主要因素為傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和各溫區(qū)的溫度設(shè)定。在再流焊接工藝中，回焊爐啟動(dòng)之后，各溫區(qū)的溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，可以假設(shè)氣體溫度與溫區(qū)溫度近似相等，基本保持一個(gè)很恒定狀態(tài)。傳送帶的速度控制對(duì)整個(gè)工藝會(huì)有很大影響，在焊接過程中，傳送帶的速度將會(huì)影響電路板的受熱時(shí)間和焊接的工作時(shí)間，由于不同焊接材料的熔點(diǎn)不同，所以傳送帶的速度控制將是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，如果傳送帶的速度過大，將導(dǎo)致電路板的受熱時(shí)間過短，電路板的溫度過低無法達(dá)到焊接溫度；如果傳送帶的速度過小，將導(dǎo)致電路板的受熱時(shí)間過長，電路板的溫度過高有可能導(dǎo)致焊接材料提前融化，從而無法完成焊接，影響產(chǎn)品效率。

在再流焊接工藝方面，國內(nèi)有很多學(xué)者進(jìn)行研究和分析，趙俊偉等[1]從合金釬焊工作機(jī)理分析入手，經(jīng)過金相分析指出，再生電流區(qū)域的峰值釬焊溫度一般都對(duì)應(yīng)在220 ℃左右，峰值釬焊溫度如果低于200 ℃時(shí)就會(huì)容易形成不良性的焊接。馮志剛等[2]采用正交直流實(shí)驗(yàn)法，深入研究再流焊爐的各種工藝物理參數(shù)對(duì)再流焊爐溫度變化曲線的影響，并探討了關(guān)鍵技術(shù)對(duì)再流焊爐溫度變化曲線的影響，得出再流焊?jìng)魉蛶мD(zhuǎn)動(dòng)速度和再流焊接加工區(qū)爐溫溫度的影響最明顯。以上研究主要從分析焊接過程缺陷發(fā)生機(jī)理以及分析問題入手，從有效避免此類焊接過程缺陷事故發(fā)生的根本角度，結(jié)合我國焊膏材料制造商的技術(shù)要求，對(duì)再流焊的最低目標(biāo)焊接溫度以及曲線差的減少提出要求。但是從運(yùn)用技術(shù)到焊接實(shí)踐，一般都需要定期進(jìn)行大量的焊接試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)對(duì)各種焊接制造工藝中的參數(shù)要求進(jìn)行調(diào)整，從而得到更優(yōu)爐溫曲線。

本研究在傳送帶過爐速度為78 cm/min，各溫區(qū)溫度的設(shè)定值分別為173 ℃（小溫區(qū)1～5）、198 ℃（小溫區(qū)6）、230 ℃（小溫區(qū)7）和257 ℃（小溫區(qū)8～9）的條件下，探究焊接區(qū)域中心的溫度變化情況，并分析小溫區(qū)3、6、7 中點(diǎn)及小溫區(qū)8 結(jié)束處焊接區(qū)域中心的溫度，最后得出相應(yīng)的爐溫曲線。

2 回焊爐簡(jiǎn)介

回焊爐內(nèi)有小溫區(qū)及爐前區(qū)域和爐后區(qū)域（圖1），每個(gè)小溫區(qū)長度為30.5 cm，相鄰小溫區(qū)間距為5 cm，爐前區(qū)域和爐后區(qū)域長度均為25 cm。回焊爐啟動(dòng)后，爐內(nèi)空氣溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，此后，回焊爐方可進(jìn)行焊接工作。本研究在爐前區(qū)域、爐后區(qū)域以及小溫區(qū)之間的間隙不做特殊的溫度控制，其溫度與相鄰溫區(qū)的溫度相關(guān)，各溫區(qū)邊界附近的溫度也可能受到相鄰溫區(qū)溫度的影響，并且生產(chǎn)車間的溫度保持在25 ℃，焊接區(qū)域的厚度為0.15 mm，溫度傳感器在焊接區(qū)域中心的溫度達(dá)到30 ℃時(shí)開始工作。

圖1 回焊爐

3 模型建立

焊接區(qū)域中心的溫度變化主要是各小溫區(qū)的變化引起，根據(jù)熱傳導(dǎo)效應(yīng)和牛頓冷卻定律進(jìn)行建模分析，處理好溫度的變化規(guī)律，最終得出焊接區(qū)域中心的溫度變化規(guī)律，畫出相應(yīng)的爐溫曲線[3]。

在再流焊接過程中，熱量傳遞主要通過對(duì)流換熱Qc和輻射換熱Qr完成，可用公式（1）表示

本研究忽略輻射換熱Qr，其熱量傳遞主要由對(duì)流換熱Qc完成。

電路板（PCB）組件裸露表面與熱風(fēng)的對(duì)流換熱量可用牛頓冷卻公式表示為[4]：

在公式（2）中：A 為焊接區(qū)域與元件與空氣之間的接觸面積；Qc為對(duì)流換熱量；Tw和Tf分別為爐內(nèi)溫度和焊接區(qū)域中心的溫度；h 為平均對(duì)流換熱系數(shù)。其中，以1206 焊盤的尺寸為例，焊盤長度為0.17 cm、寬度為0.128 cm、厚度為0.015 cm，元件尺寸為0.32 cm×0.16 cm，由此可以得出模型參數(shù)A 的值為1.207 cm2。

計(jì)算平均對(duì)流換熱系數(shù)h：

在公式（3）中：u 為氣體流體的流動(dòng)速度（cm/s），l 為PCB 板的長度（cm），v 為氣體流體的黏度（cm2/s），n為氣體的動(dòng)力黏度（cm2/s），cp為氣體的熱容量（J/（g·K）)，λ 為氣體的運(yùn)動(dòng)的黏滯系數(shù)（W/cm·K），本研究中氣體的流速u=1.3 cm/s。

由于實(shí)際生產(chǎn)中所用的氣體大多數(shù)為氮?dú)猓∟2），所以在本研究中所用的氣體也為氮?dú)猓? 為氮?dú)猓∟2）對(duì)應(yīng)的各個(gè)溫度下的密度（×10-3·g·cm-3）、熱容量（J·g-1·K-3）、熱導(dǎo)體熱導(dǎo)率（W·cm-1·cm-1）、動(dòng)力黏度（×107g·cm-1·s-1）、運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)（×1010·cm2·s-1）和流體動(dòng)量擴(kuò)散能力和熱量擴(kuò)散能力的數(shù)值[5]。

表1 氮?dú)獾奈锢硇阅?/p>

Tw 是根據(jù)爐內(nèi)溫度和元件位置進(jìn)行分段擬合的一個(gè)函數(shù)，Tf 的公式如下：

在公式（4）中：t0是生產(chǎn)車間的初始溫度25 ℃，c 是墊料（銅）的比熱容，m 是墊料（銅）的質(zhì)量。

4 結(jié)果與分析

首先，Tw（爐內(nèi)溫度）是一個(gè)目前未知的變量，此時(shí)便通過檢測(cè)電路板的位置變化和電路板通過各溫區(qū)的溫度變化來進(jìn)行擬合，因?yàn)楸狙芯康念A(yù)熱回焊爐一般有四大主要溫區(qū)：預(yù)熱區(qū)、恒溫區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)，每個(gè)溫度分區(qū)的爐內(nèi)溫度見表2，所以擬合的Tw是一個(gè)分為9 段的函數(shù)（見表3）。

表2 各溫區(qū)的溫度

表3 Tw 函數(shù)取值情況

其次，由上述結(jié)果分析可得出，焊接區(qū)域中心的溫度大概經(jīng)過四個(gè)階段的變化，在預(yù)熱區(qū)逐漸增大，恒溫區(qū)逐漸趨于平緩，回流區(qū)迅速增大，最后在冷卻區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其對(duì)應(yīng)的爐溫曲線（圖2）。

圖2 爐溫曲線

由圖2 可知，在傳送帶過爐速度為78 cm/min 的情況下，可以得出當(dāng)電路板進(jìn)入小溫區(qū)3、6、7 中點(diǎn)及小溫區(qū)8 結(jié)束處的時(shí)間分別為66.37 s、148.28 s、175.58 s 和214.62 s，其對(duì)應(yīng)的焊接區(qū)域中心的溫度（見表4）。

表4 焊接區(qū)域中心的溫度

5 討論

本研究在印刷電路板焊接生產(chǎn)問題的基礎(chǔ)上，首先，對(duì)表面安裝技術(shù)（SMT）和再流焊方法進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，突出表面安裝工藝最重要的流程為焊接過程，在焊接過程中最重要的影響因素為各溫區(qū)溫度的控制和傳送帶速度的控制。其次，通過給定各溫區(qū)溫度和傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在熱傳導(dǎo)效應(yīng)和牛頓冷卻公式的基礎(chǔ)上，對(duì)電路板進(jìn)入各溫區(qū)的時(shí)間的焊接區(qū)域中心的溫度利用本文數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)理建模，根據(jù)文中所給定的條件和數(shù)據(jù)，確定模型中各參數(shù)的值，并計(jì)算不同時(shí)間焊接區(qū)域中心的溫度。最后，研究爐溫曲線的走勢(shì)并對(duì)模型進(jìn)行分析。研究表明，焊接區(qū)域中心的溫度大概經(jīng)過四個(gè)階段的變化，在預(yù)熱區(qū)逐漸增大，恒溫區(qū)逐漸趨于平緩，回流區(qū)迅速增大，最后在冷卻區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在傳送帶過爐速度為78 cm/min 的情況下，可以得出當(dāng)電路板進(jìn)入小溫區(qū)3、6、7 中點(diǎn)及小溫區(qū)8 結(jié)束處的溫度分別為130.44 ℃、170.60 ℃、187.06 ℃、217.49 ℃。

PCB 在回流焊接工作過程中是以不同的焊接速度通過不同的溫度焊區(qū)。在這種工作情況下，PCB的最終過爐加熱速度直接嚴(yán)重影響了PCB 的最終過爐溫度，因此，對(duì)PCB 過爐速度需要進(jìn)行嚴(yán)格和合理的把控才能得到更優(yōu)爐溫曲線。同時(shí)加熱材料區(qū)的啟動(dòng)溫度控制設(shè)置和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也可能會(huì)對(duì)PCB 的最終加熱溫度產(chǎn)生一定影響。由此可見，對(duì)于爐溫曲線工藝參數(shù)的設(shè)定是一個(gè)很復(fù)雜很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，好的工藝參數(shù)直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，而傳送帶的速度控制和加熱區(qū)各溫區(qū)的溫度設(shè)定是影響爐溫曲線最關(guān)鍵因素，對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量也至關(guān)重要。本研究建立的爐溫曲線模型，可為給定傳送帶速度和各溫區(qū)溫度的條件下研究焊接區(qū)域中心的溫度變化情況提供理論參考。