什么是PCB組裝中的熱成型

在生產(chǎn)和裝配對電子產(chǎn)品而言，工藝參數(shù)的精確控制至關(guān)重要。這是通過連續(xù)監(jiān)測和記錄工藝參數(shù)（包括熱成型）來實現(xiàn)的。熱成型包括控制PCB上元件焊接期間的溫度。

本文將涵蓋：

• 熱輪廓

• 熱仿形在PCB組裝中的意義

• 進程窗口和進程窗口索引

• 斜坡浸泡峰值（RSS）和斜坡到峰值（RTS）

• 熱剖面中的熱電偶（TC）

• 智能仿形：精確熱成型的最佳實踐

• 虛擬分析

熱仿形或溫度仿形對任何熱處理制造過程都是非常重要的。它包括在給定的產(chǎn)品經(jīng)過熱過程時，繪制出許多點的溫度。通常，熱分布是一組復雜的時間-溫度數(shù)據(jù)。因此，熱剖面是關(guān)于控制影響過程的所有尺寸，如峰值、浸泡或坡度等。這是高效PCB設(shè)計的一個重要部分，需要先進的印刷電路板制造及組裝設(shè)備 .

在印刷電路板上組裝元件的過程包括在電路板上涂上軟焊膏，然后用數(shù)控機床精確地將元件放置在印刷電路板上。慢慢地把PCB焊好，然后慢慢地把元件熔化。你可以通過把帶有元件的印刷電路板放在經(jīng)過烤箱的傳送帶上。這個烤箱將有不同的溫度區(qū)，從低溫開始，慢慢上升到錫膏熔化的高溫。然后將溫度緩慢降低到環(huán)境溫度——焊料凝固并將元件固定在PCB上。你需要精確控制烤箱中的溫度，以避免組件受到熱沖擊。

這種對烘箱溫度的控制稱為熱成型。

在我們開始定義過程之前，我們需要了解熱成型背后的基本原理。一個簡單的問題是，“它能持續(xù)多久？”無論何時制造需要熱處理步驟，您都需要一種方法來確保產(chǎn)品在指定的時間內(nèi)被加熱到指定的溫度。達到精確的溫度和精確的時間應(yīng)顯著影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

通常，基本溫度被定義為一個范圍。此范圍稱為“進程窗口”。最重要的是這個窗口。熱曲線圖可以根據(jù)“它如何適應(yīng)工藝窗口”進行分類。

目標進程窗口索引（PWI）

過程窗口的中心通常聲明為零，極端邊緣為±99%。任何進程窗口索引 (PWI)大于或等于 100% 在窗口外是顯而易見的。原始溫度值根據(jù)與過程平均值和窗口參數(shù)比較的百分比進行標準化。例如，如果過程“平均值”設(shè)置為 200 °C，過程窗口分別標準化為 180 °C 和 220 °C，則 188 °C 的測量值意味著過程窗口指數(shù)為 -60%。

平均值為 200 度的解釋：最大偏差為 200-180=20 或 200-220=-20。因此最大偏差為 +/- 20 度。對于 188 度，偏差為 12 度。作為最大偏差的百分比，結(jié)果為 12/20=0.6 或 60%。

它會告訴您給定配置文件使用的過程窗口的確切范圍，以及您的配置文件的穩(wěn)健性。PWI 還可以幫助您找到您的過程能夠達到的單一最佳配置文件。

如果這個熱曲線是那么關(guān)鍵，那么為什么所有的設(shè)施都沒有定義呢？烤箱或爐子也由烤箱制造商的技術(shù)人員設(shè)置。此外，熔爐在沒有任何形式的過程控制的情況下運行，前提是存在需要排除故障的問題。

這是很好的知道發(fā)生了什么在您的回流焊爐或熔爐。定期熱分析提供可靠的數(shù)據(jù)，以優(yōu)化您的過程，并在相關(guān)的地方進行調(diào)整。也就是說，合規(guī)和質(zhì)量保證是目前的關(guān)鍵問題。嚴格遵守制造規(guī)范還不是先決條件，但它很可能成為您產(chǎn)品的一個關(guān)鍵賣點。

這種方法的主要用途之一是電子組件的焊接. 目前有兩種主要的配置文件正在使用：ramp-take-spike（RSS）和ramp-to-spike（RTS）。這些曲線圖使用斜坡浸泡溫度控制器或斜坡浸泡PID控制器的數(shù)據(jù)繪制。

我們已經(jīng)知道回流焊. 在這段輪廓中，焊膏接近于相變。在這個階段，大部分助焊劑從焊膏中蒸發(fā)。一般來說，60秒的浸泡時間不同。持續(xù)時間還考慮給定PCB的質(zhì)量。過高的溫度或快速的熱傳遞會導致焊料飛濺或結(jié)球，甚至導致焊膏、連接墊和組件終端氧化。同樣，太慢，熱傳遞可能無法完全激活焊劑，從而導致冷焊點、空洞和不完全回流焊。

回流焊爐

許多組件都有一個規(guī)格，其中溫度上升不應(yīng)超過規(guī)定的每秒溫度，例如2°C/s。斜坡是溫度隨時間的變化率，以度/秒表示。

大多數(shù)制造商都規(guī)定焊錫膏的溫度為4℃/s。浸泡階段結(jié)束后，型材進入斜坡段，超過合金熔化溫度的給定溫度范圍和時間。

此外形的下一個也是最后一個區(qū)域是冷卻段。冷卻段的典型要求小于?6攝氏度/秒。

用于回流焊的斜坡浸泡尖峰（RSS）型材

雖然斜坡浸泡峰值允許約4°C/s，但斜坡至峰值的規(guī)范約為1–2°C/s。從圖形上看，從過程開始到峰值段，RTS曲線幾乎呈線性。冷卻階段的溫度變化較大。同樣，這些值取決于您使用的焊膏。RTS的浸泡區(qū)域是斜坡的一部分，不像RSS那樣可區(qū)分。

用于回流焊的斜坡到尖峰（RTS）曲線

由于工藝已經(jīng)確定，工藝極限也已設(shè)定，我們需要儀器來測量熱量。為此我們使用熱電偶。熱電偶是測量溫度的傳感器。它是一種電氣裝置，由兩個不同的導體組成，在不同的溫度下形成電接點。結(jié)處溫度變化的這種變化會產(chǎn)生溫度依賴性電壓。然后這個電壓可以用來測量溫度。因此，我們使用這些熱電偶來測量熱分布。

熱電偶連接方法包括使用環(huán)氧樹脂、高溫焊料、鋁帶、卡普頓膠帶等。環(huán)氧樹脂是將TCs連接到輪廓儀上的一種非常常見的方法。它的工作溫度范圍很廣。你還需要注意環(huán)氧樹脂有絕緣體和導體兩種配方。在使用環(huán)氧樹脂之前，必須考慮工藝規(guī)范，否則可能會對數(shù)據(jù)收集產(chǎn)生負面影響。此外，還應(yīng)考慮環(huán)氧樹脂的性能和規(guī)格。同樣，環(huán)氧樹脂附著的一個主要問題是其附著量隨位置的變化而變化。因此，它降低了再現(xiàn)性。

高溫焊料并不是TC連接的最佳選擇。其中一個原因和環(huán)氧樹脂是一樣的。將TC粘附到基板上所需的焊料量因位置而異。此外，焊料是導電的，因此會使TCs短路。

卡普頓膠帶是一種廣泛應(yīng)用于連接TCs和基板的粘合劑?？ㄆ疹D膠帶的主要缺點是，在200°C以上的溫度下，膠帶顯示出彈性的特性。因此，TCs傾向于提升基板表面。結(jié)果是讀數(shù)錯誤，導致在剖面上繪制鋸齒狀的線條。

正如我們所知，沒有一個過程是絕對可靠的。因此，你需要同時考慮你的基板和最佳結(jié)果的方法。每一種方法的成功率各不相同。

有一系列因素影響你的個人資料的準確性。其中最常見的是熱電偶連接不當。它可能會引起噪音，即剖面圖上的鋸齒形或不穩(wěn)定的熱電偶讀數(shù)。為了精確繪制圖表，您需要將熱電偶連接到根據(jù)質(zhì)量、位置和已知故障點而變化的區(qū)域。良好的熱電偶連接要求與產(chǎn)品表面牢固接觸，無任何氣流。閱讀我們的帖子為什么要進行離子污染分析？

在分析過程中盡可能地模擬輸出是有用的。為此，將電路板插入烤箱中，方法與生產(chǎn)時相同。最好的做法是用一個滿載的烤箱來描述產(chǎn)品，你應(yīng)該注意到烤箱的特性通常在負載和空載之間有很大的不同。在外形運行之間，必須讓產(chǎn)品冷卻到室溫。否則，它很可能會導致一些指數(shù)誤差。

利用最先進的熱過程設(shè)置和監(jiān)控設(shè)備，可顯著提高性能并降低生產(chǎn)成本。

要考慮分析密鑰的智能元素PCB組件 :

• 組件類型

• PCB材料類型

• PCB厚度

• PCB層數(shù)

• PCB尺寸

• 施加氣壓

例如，93mil厚的板不會具有與62mil或125mil厚板相同的熱特性。同樣適用于疊加. 堆疊中電源和接地平面的數(shù)量決定了電路板在任何給定周期內(nèi)吸收的熱量，以創(chuàng)建完美的熱回流焊。

一個大量使用SMT的電路板需要的熱量要比通常用通孔元件和一些表面安裝的電路板要高。另外，你必須監(jiān)控回流爐內(nèi)的空氣壓力，以避免吹走更小的封裝設(shè)備。如果沒有嚴格遵守與熱成型相關(guān)的規(guī)范，那么熱成型不良會導致孔洞和脫濕，如果太熱或太冷，則會導致不潤濕和焊點斷裂。

與安全關(guān)鍵產(chǎn)品的長期可靠性相結(jié)合，電子組裝的復雜性和價值顯著增加。這就導致了對生產(chǎn)過程進行持續(xù)監(jiān)控的需要已經(jīng)司空見慣。反過來，這需要一個自動化的管理系統(tǒng)，可以定期監(jiān)控回流焊爐。這將指示進程是否在實際操作之前偏離控制。因此，您需要驗證每個板的配置文件。

為每一個新的外形設(shè)置PCB制造儀器是耗時的，這是不可取的。它是一種創(chuàng)建配置文件的方法，無需連接熱電偶，也無需在每次為同一生產(chǎn)板運行配置文件時對PCB進行物理檢測。所有由儀器化輪廓測量的典型輪廓數(shù)據(jù)都是通過虛擬輪廓來采集的。無論是回流焊還是波峰焊，虛擬輪廓都是自動生成的。為了演示的目的，需要一個初始配方，但是一旦完成，就可以將配置虛擬化。在編程框架時，可以定期或持續(xù)地為每個組件生成外形。

焊接PCB元件

你的烤箱，爐子是你生意的核心。成品的質(zhì)量和可靠性取決于熱成型的性能。你對你的操作中的每一個生產(chǎn)步驟都很了解，那么為什么不了解熱成型呢？了解產(chǎn)品在經(jīng)過烤箱或熔爐時發(fā)生的變化是控制和優(yōu)化熱處理過程的第一步。熱分析是一個關(guān)鍵的工具，成千上萬的人使用它來幫助獲得這種理解。

焊接是一個復雜的過程，溫度分布在焊接過程中起著重要作用。在設(shè)置熱輪廓時，我們應(yīng)考慮以下幾點：

1. 焊膏類型和焊膏制造商指南/數(shù)據(jù)表。

2. RoHS組件或使用含鉛部件

3. 部件數(shù)據(jù)表中提到的部件峰值溫度和耐受能力。

4. PCB尺寸和厚度