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可验证焊接技术

发布日期:2020-08-10 内容来源于:http://www.szsanao.com/

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关键词:IMC(金属化合物)——是一种熔化金属焊料与非熔化金属表面形成的一种合金化合物。    

可验证焊接——在焊接过程中不停追踪计算IMC的厚度,并反馈给操作者。    

热阻——热阻指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。当热量流过两个相接触的固体的交界面时,界面本身对热流呈现出明显的热阻,称为接触热阻。    

   

手工焊接面临的问题    

随着现代技术的发展,电子产品的应用在不断发生改变,这些改变带来的直接变化就是电子制造产品也面对的环境更恶劣,对电子制造的要求就会十分严苛。    

另一方面,国内制造环境还没有完全从“cost down”的枷锁中解脱出来,又要快速完成,且要保质保量的完成,这就给手工制造工艺带来了巨大的挑战。    

可以从以下几个例子中分析:    

1. 汽车刹车,原来由机械刹车,改为由微机控制的方式。从操作上,大大减轻了驾驶员的压力,但同时也是微机控制电路板的可靠性上升到最高级别。一旦微机控制板出现故障,将会带来灾难性后果。    

2. 随着技术的革新,电路板的设计也已经发生了很多根本的改变。许多用散热片散热的方式现在都设计成专门的电路板层散热技术。在电路板上就会形成了相似焊点但热容反差极大的情况。    

从中我们发现以下问题:    

1. 电子产品对质量要求越来越高;    

2. 电子产品的设计使得手工焊接的工艺制程必须进行革新,才可以跟上产品的需求。    

3. 手工焊接必须要有更加灵活的策略应对不断变化的手工焊接工艺。    

可以说,科学技术的发展带动了PCB设计的多元化发展,这种多元化的发展也必定需要手工焊接行业与时俱进,适应这种需求与变化。    

如何保证手工焊接的产品质量    

我们对手工焊进行了分析,发现影响焊接质量的原因主要有以下几种。    

1.焊台的烙铁头传热,造成元器件热损伤。目前各大焊台厂商已经通过不断增加焊台的功率,降低烙铁头的温度来实现可靠的“低温焊接技术”。这项技术已广泛应用在各种焊台中。虽然在提高了焊台的功耗,但确确实实解决了焊接中存在的热量过渡传热造成的热损伤温度。    

2.通过焊料、焊接制程的控制,使生产焊接上达到基本上的一致。这通过自动上锡设备与焊台的完美配合,以及工艺控制得到有效解决。    

3.由于目前在焊接质量的唯一判定都是局限在目视上,大多数焊接检验都集中在以下几个方面。    

1)焊料多少;    

2)焊点浸润性好;       

3)焊点美观;    

但是,通过大量的焊接事故分析,影响焊接可靠性除了焊锡量、浸润性以及表面光洁度外,还有一项重要的指标影响焊接质量。那就是焊料与被焊接物在焊锡熔化后形成的金属化合物的厚度。    

什么是金属化合物呢?金属化合物是一种焊料与不熔化的金属表面形成的合金化合物,又叫IMC (Intermetalics)。金属与不熔化的金属表面形成金属化合物的现象是一种化学变化,它产生了一种新的物质。以焊料锡和铜为例,它形成了一种Cu6Sn5的新的物质。    

金属化合物的特点与大多数胶粘剂一样具有厚度上的一些特点。当金属化合物的厚度过小时,凝固的焊料与被焊接金属之间的连接将不可靠,在一定强度的震动下,就会形成开路现象;同样,当金属化合物的厚度过厚时,由于金属化合物本身不能承担一定的剪应力,在过厚时会从IMC处裂开,我们称它为脆化现象。正因为上述特点,我们在焊接时需要让金属化合物层的厚度控制在一定的范围内,否则会发生焊接不良事件。金属化合物的厚度可依据下图。    

   

当IMC厚度小于0.25um时,可认为焊接时间过短,这种厚度下,产品受到一定强度的震动就可能会产生开路现象;当IMC厚度大于4um,我们会认为焊接时间过长,造成IMC过厚,这种情况下,受到一定强度的冲击后,可能会在IMC层出现裂缝,甚至断开,造成开路。而IMC厚度在1um-3um时,  我们认为该厚度时焊接比较可靠,而IMC厚度在1um时我们认为是基本满足电子产品焊接要求的厚。    

既然金属化合物层(IMC)的厚度这么关键,我们要怎样实现产品焊接的可靠性呢?事实上,在现在的电子产品手工焊接中,并没有更多有效的办法来控制IMC厚度,在真正的焊接中,更多的是依赖焊接工的经验以及IPC分享的一些焊接经验,如“焊料熔化3-5秒”。事实上,即使规定了焊接时间,在我们的实际时间验证阶段,也几乎没有员工完全按照“焊料熔化3-5秒”来具体操作,大部分会在1秒后就停止焊接。因为没有一个约束或反馈方式指引作业员。因此,可以认为,手工焊接的质量好坏完全取决于作业。    

有没有一种更好的办法来替代这种以焊接工经验为主的方法呢?    

Metcal的可验证焊台CV-5200的特点    

Metcal最新推出了一款CV-5200系列可验证焊台用以替代原先的MX-5200系列焊台。    

   

相比于原先的MX-5200系列,作了很大的改进。    

1)2.8英寸彩色触摸屏,使操作更为方便;    

2)可显示烙铁头型号;    

3)采用独特的算法,显示加热体低温度;    

4) ESD全程监控;    

5)USB通讯端口,可连接电脑,实现数据通讯;    

6)内置功率曲线图,易于工程师对焊接数据的分析,从而方便的调整焊接工艺。    

7)烙铁头计数功能,可以实现对烙铁头的焊接次数有效管理;    

8)全面升级MX-5200,配有8种不同的手柄,实现一个主机可选择不同的焊接手柄。8种手柄分别包括,  标准手柄,精密手柄,镊型手柄,精密镊型手柄,吸锡手柄,大热量需求手柄,自动上锡标准手柄以及 自动上锡大热量需求手柄。    

9)彩色LED环手柄以及配套可验证焊接技术,可在焊接过程中计算IMC的厚度,当IMC厚度达到一定数据时,通过    

音及绿色LED环反馈给操作者,实现对焊接质量的完美控制。    

CV-5200焊台如何实现对IMC厚度验算    

首先是采用Smartheat技术的烙铁头,本身具有较为真实的反映焊接时的功率和温度的特点。另外我们在Smartheat的基础上又作了改进。    

1)导入热阻概念,利用不同温度下热阻的不同,计算    

烙铁头的温度;    

2) 确定每一个烙铁头的热效率因素,每一支烙铁头,    

一旦制成,就有了固定的热效率因素。    

3)通过热阻对焊点进行液化分析;    

4)通过热阻概念计算焊料的温度,从而通过每一个焊料温度下的IMC厚度生产速率的累积以及焊料液化后的初始IMC厚度,从而核算出理想的IMC厚度,进而通过声音及LED灯环提醒操作者。    

请看CV-5200控制流程图:    

   

CV-5200可验证焊台提供了一种可反馈式的焊接控制功能,它使得焊接质量不再由人为控制,在焊接质量及稳定上都明显改善。另外它开创了IMC的验算功能,可有效解决焊接中存在的问题。    

CV-5200产品从MX-5200产品基础上作了很大的升级改进,完全替代MX-5200产品,而其价格并没有大幅度提,    

在产品性能上性价比上都有了质的改变,是您的最佳选择。    

如何正确使用CV-5200可验证焊台    

CV-5200可验证焊台,作为一款唯一可对焊接中生成的金属化合物层进行验算的焊台,如何正确使用也很关键。    

1.由于IMC的厚度从0.25um和4um之间有一个很大的区间,从焊接性能上0.8um可以接受,3.5um可以接受,但焊接时间上会有很大的不同。因此如何使用也是一个值得思考的问题。一般来说,CV-5200焊台会以1.5um为主的一个IMC厚度连接验证。考虑到焊接时烙铁头与焊盘的接触,以及加锡的情况,每个人的操作略有不同,往往会有一个2um左右的IMC厚度。这是一个常见的厚度要求。但在实际焊接中,一些微小元器件的焊接,考虑到产品的应用,实际上不需要使用这么一个厚度要求,因此,可以关闭CV功能或忽视CV功能,按照常规的要求进行焊接。    

2.CV功能通常会被用于一些大热量需求的焊盘,或者电路板比较复杂,在焊接相同焊盘的情况下,由于接地不同会导致焊接时间不同,这种情况下建议使用CV功能。    

3.对于产品的IMC有特殊要求的产品,可以考虑使用CV功能。    

4.CV-5200焊台尚不能对拖焊方式进行IMC验证。这种连续焊接的IMC论证将会在后续推出。另外镊型烙铁头拆卸元件,解焊烙铁头等无需使用IMC验证功能的,CV-5200焊台都在系统中自动屏蔽了CV功能。一般来说,IMC验证功能通常用于点对点的焊接。    

焊接验证的发展前景    

目前的手工焊接的焊接验证,还局限于最基本的判定。这和目前的制造工艺技术发展有很大的关系。从CV-5200的产品来看,它提供了焊接验证的硬件基础。    

1.手柄上具有LED灯环指示焊接状况以及蜂鸣器功能,它能为今后的焊接时间的工艺控制提供了可能性。如工艺设定焊接某元件多少秒,通过灯环指示焊接时间,这样就保证焊接可靠性;    

2.它实实在在实现了对IMC的一种验算技术。也重新改变了人们对焊接的认识,使我们更加清楚的知道,该如何更好的控制焊接质量。它可以广泛应用与汽车电子,医疗设备,航空航天等对质量具有严苛要求的产品中。    

另外,Metcal也同步设计制造焊接机器人,将可验证焊接技术应用到焊接机器人上,相比于手工焊接,焊接机器人将会在可验证焊接领域更有可塑性。它采用最新的CV-5200可验证焊台,在焊接过程中对金属化合物(IMC)的厚度进行验算,使我们的焊点完美的接近技术要求。另外它具有双CCD镜头,使编程更加简单化与可视化。    

   

可验证焊接技术,使一项全新的技术,它是一种新生事物,它还需要不断的发展。例如,很多人希望焊接不同的元器件,焊台可以设定不同的IMC要求。例如SMT焊盘设定1um,而通孔焊盘2um等。事实上还存在很多问题,如IMC开放功能会对工艺技术人员带来很大的工作量,另外如何有效的设定IMC厚度依然还需要很多数据进行分析,在行业来说还是个新生事物。因此现阶段依然是一种阀值    

式模式,即达到这个阀值,你的焊接就没有问题。当然,我相信不久的将来一定能够完美的解决类似问题。    

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