炉温曲线教材

*Flux softness point :
Flux softness point will decrease solder paste viscosity. 助焊劑(松香)軟化會降低錫膏黏性 Viscosity Very low heating rate Low heating rate High heating rate
Peak: Solder balls melt, wetting and wicking begin.&
Solder melting completes, surface tension takes over. 錫
球熔化,浸潤開始,焊接進行,表面張力起作用
Cooling : Cool down phase. 快速冷卻階段
錫膏Reflow的溫度曲線





現在我們來討論為甚麼“馬鞍型溫度曲線”被廣泛使用的理由，主要是因為透過 強迫性對流流焊製程的協助，有恆溫區的加溫曲線可達到類似在汽相流焊製程中 的最高流焊區極上熱平衡分佈的結果。 我們認為要達到最佳的產品產出率，在考慮如何決定流焊的溫度曲線時，因此考 慮各種不同零件的吸熱情況以及底材PCB的特性而不必太在乎加熱製程中錫膏的 表現。 例如，當我們測量兩個不同零件，chip capacitor和B.G.A的焊接點溫度時，這兩個 零件間最高點溫度差的差異會最大，因為每一個零件熱含量不同，導致每個零件 的溫升速率不同。 請注意，使用鞍狀流焊溫度曲線的目的在於確保得到良好的銲接點品質，而不必 掛感零件尺寸大小和熱含量多寡，廠商也已研發出特殊的抗垂流劑，可確保即使 在很陡的溫升段情況下仍可得到很好的抗塌陷性，同時可以使用高沸點的溶劑來 延長錫膏在鋼版上的使用時間及粘滯時間，這種新抗垂流劑已經在KOKI SE4M953i及SE4-M1000等系統上大量使用。 新助焊劑組成的發展，己經成功地使銲錫膏愈來愈不受溫度曲線的影響，並使得 焊接製程的限制大大地減少 (process window放寬很多)
*三元晶相圖
*黏度隨溫度,時間的變化圖
END
Temperature
Soaking Zone :
1.Solvent evaporate completely 溶劑完全揮發 2.Flux activation and oxidation 助焊劑被激活並去氧化
3. Soaking time and temperature
3.1 For N2 oven the Soaking time can be longer. 3.2 For Air oven the Soaking time should shorter than N2 oven 4. PCB board bending control PCB板彎控制 PCB PCB
錫膏Reflow的溫度曲線





應用廠商建議的「和緩加溫」或「鞍狀加溫」的溫度曲線，只要能確保流焊爐的熱量 足夠讓所有溶劑揮發，但是，廠商的建議是所應用的溫度曲線的決定必需全盤考量 PCB底材和零件的熱平衡以確保每個零件焊接點的品質，而不必太考慮錫膏在流焊製 程中的表現。事實上，許多工廠都在持續使用鞍狀溫度曲線而沒有任何焊錫問題。 根據以往的經驗，如何設計鋼版開口尺寸對防止焊錫不良，例如邊球和錫橋，會比改 變溫度曲線來得更有實質上的效果。 從焊錫膏的觀點來看，當溫度升高時，焊錫膏傾向如果第一段溫度升太陡或助焊劑組 成不適當時，焊錫膏傾向於變軟並且可能造成塌陷(slumping)產生邊球、錫橋和其他 焊接缺點。 較慢的溫升(ramp-up)段，會讓溶劑揮發時，松香及抗垂流劑變軟的速度較慢，有助 於減少solder beads(邊球)，錫橋(bridging)和其他缺點. 較陡的溫升段會造成錫膏粘度較快速的下降，因此，廠商已經針對錫膏成份設計出較 低沸點的溶劑，使得大部份的溶劑在松香和其他固形物達到較化點之前就已經揮發來 減少造成slump和solder beads的機會，但是，可能因此使得錫膏在鋼版的應用時間 和粘滯力維持的時間縮短。
3 Pad> 2 Lead > 1 Body
More heat from the bottom
Tombstoning :
T3 d T1 T2
Condition which causes tombstoning shall be : T1 + T2 >T3
In order to overcome the problem, the momentum relation must become as below ;
Before Soaking
After Soaking
恆溫區

恆溫區其目的再於使PCB上所有的零件溫 度達到均溫，簡少零件熱衝擊，恆溫區 的長度則取決於PCB面積的大小。 此時錫膏內劑不斷揮發，活性劑持續作 用去氧化，松香軟化並披覆在銲點上， 具有熱保護及熱傳媒的作用。
恆溫區
*Plastic BGA
Cooling Zone :
*Cooling down speed Cool Down ≦3℃/sec =1.5 ℃/sec is best. •N2 concentration
錫膏Reflow的溫度曲線


Leabharlann Baidu


在討論溫度曲線之前，讓我們先討論一下傳統的溫度曲線:馬鞍狀的溫度曲線，恆 溫區在140~160OC之間。 最早開始使用表面粘裝零件(SMT components)流焊組裝製程時SMT零件在PCB上的 分佈密度並不高，而且零件間的熱含量差異相當小，這種簡單的P.C板結構容許應 用“和緩溫昇，無恆溫區”的溫度曲線，而不會有任何問題。 由於業界對P.C板輕溥短小的設計的改進，SMT零件的分佈密度愈趨緊密，加速了 高熱含量零件封裝體的應用，例如IC和QFP。因為各種不同大小零件間的熱含量增 加，使得在使用傳統的遠紅線(far IR)流焊爐時，因為熱量分佈不均，再加上使用 “和緩溫昇型”的溫昇曲線(甚至於“馬鞍狀，恆溫型溫度曲線”)，很難在零件間 達到熱平衡。 為了解決熱平衡不佳的問題，人們開始考慮使用汽相流焊製程(Vapor phase reflow process)，但是因為急挺的熱量提升造成的零件裂開及墓碑效應、溶劑的毒性、 CFC溶劑的禁用等問題，汽相流焊很快就不受歡迎了。 後來研發的強迫空氣對流流焊製程(forced air convection reflow process)因此比遠 紅外線流焊的熱分佈均勻性好很多而大受歡迎。
Reflow的製程條件
ASUS 規範:
1.1 First Ramp-up : Ø 3J /sec(Intel) ¡ ¢ 0.8¢ /sec¡ X¡ 2¢ /sec(SIS) J Ø Ø J 1.2 Soak Zone : 140 ã 170J for 50ã 90sec ¡ ¢ ¡ 1.3 Peak Temp : (1) 205 Ø BGA Ø 225J (BGA Substrate) ¡ ¡ ¢ (2) 205Ø BGA Ø 220J (BGA Bottom) ¡ ¡ ¢ (3) 205Ø QFPØ 225J (QFP Lead¾ ¨ ¥ ½ à ) ¡ ¡ ¢ a ñ i Õ ä (4) 200Ø QFPØ 220J (QFP Lead¾ ¨ § § à ) ¡ ¡ ¢ a ñ T w ä (5)205Ø BGA Ø 225J (CPU Socket) ¡ ¡ ¢ 1.4 Over 183J (1)³ IC¹ ¥ : 45ã 90sec ¢ ¦ s ó ¡ (2)³ IC¹ ¥ : 10sec(R.L.C¾ ¨ § § ä ) ¦ s ó a ñ T w à 1.5 Cool Down Ø 3J /sec ¡ ¢
Profile
Curve
For SMT
Prepared by: Gulf & Kemp
REFIOW形式(HEATER分佈)
Peak
183 oC
170oC
140oC
Soaking Preheating
Cooling
Preheating : Solvent evaporation 溶劑揮發 Soaking :Flux reduces and Metal oxides 助焊劑還原金屬氧化物

針對Intel RG82845 BGA soak zone time:50~65sec;
Preheating Zone :
*Solder Pastes’ Viscosity 錫膏黏度: 1.Solvent evaporation cause viscosity higher. 溶劑揮發使黏度變大 2.Heating solvent will cause viscosity down. 加熱溶劑會使黏度降低 Viscosity
Soaking Zone
PCB bending
Parameter setting :
1 2 3
2 Lead > 1 Body > 3 Pad
Normal soldering
Wicking Bridge by wicking
Less heat from the top
2 Lead > 1 Body > 3 Pad
錫膏的表面張力由變高
*Void formation 空洞構成 *Component and / or board damage 零件或機板受損 *N2 concentration 氮氣濃度
銲接區

當我們將液態的免洗助銲劑滴入液態的 Rework錫槽內，您將發現助銲劑極速的 去除錫面上的氧化物。同理可證：在 Reflow的狀態中，當松香和銲錫皆為液 態時，銲錫性最佳，去氧化物的效果最 好，並產生介面合金層接合零件及銲點。 各種錫膏的活性表現亦在此時獲得比較。
Plastic BGA
PCB bending After Soaking 由於PP的軟化溫度點為140 ℃,故如可考慮縮短Over 140 ℃的時間來改善空焊,此為一嶄新觀念,其實這種方法在實踐 中被証明是有效的.
Soaking Zone :
*Homologous heating (PCB, Components and solder paste) 溫度達到一致(機板,零件,錫膏) *Solder paste viscosity control 錫膏黏性控制 *Solder wetting and wicking begin. 錫膏浸潤開始 *Surface solder balls melting. 表面焊料金屬熔融 Plastic BGA substrate (Tg :1750C)
T1 + T2 =T3
T1 + T2 >T3
T3
d T1 T2
Partial melting
Peak Zone :
*Peak temperature and Reflow time should be controlled 焊接與回流焊溫度應被控制 *The flowing ability(surface tension) of solder (High Good)
Low heating rate
High heating rate
Temperature
預熱段

各種錫膏在預熱段要求的升溫速律及進入恆 溫區的溫度並不盡相同，其主要取決於溶劑 (Solvent)的揮發溫度以及松香(Rosin)的軟化 點。因松香在進入恆溫區的建議溫度時間時 軟化，錫膏裡的溶劑尚是液態，此時錫膏為 固液態，因此黏度最低，錫膏流動特性最佳， 若預熱段升溫速率過高，錫膏黏度太低，流 動特性太好，易造成Slump效應，進而產生短 路及R/C旁擠出邊球，此時可適度將預熱段溫 度降低，將有助於減少短路及Side Boll產生。