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小 发表于 2007-6-15 16:39 只看该作者
挑战无铅锡膏的强制对流热风炉
摘要 随着世界对生存环境的不断重视，在电子业实施无铅化的进程已经设定了时间目标，现在研发出的实用型无铅锡膏的熔点将达到220℃左右，比目前大量使用的63Sn37Pb锡膏的熔点高近40℃，这就对现在所使用的回焊炉是否能适应无铅锡膏的引入提出了挑战，必须重新考量回焊炉的热风传递方式。
在目前各种生产过程中，热风强制对流系统的回焊炉几乎是现在以及未来的一种趋势，无论考虑的是那一种回焊炉，其最重要的就是在于回焊炉的加热PCB的能力，尤其是PCB上的最大温度差是一个非常重要的指标。因在公元2004年欧美将全力导入无铅锡膏的制程（日本将于公元2000年导入），而目前各锡膏厂商所研发的无铅锡膏其熔锡温度大约都处在220℃左右，PCB板的温度在回焊区将大约比目前所使用的高40℃来保证PCB在制程上被正确处理，所以在目前的回焊炉中有非常多的回焊炉必须要设定高于300℃的回焊区加热温度，在这温度下许多零件将无法承受，因此也无法处理无铅锡膏的制程。
一、热风强制对流系统
在热风强制对流系统下，空气或氮气被独立的加热区加热，并通过风扇循环，热的气体与零件交换热量后变冷，并被抽回继续加热到设定温度，然后继续参加热量传递。在这里就必须要求热风喷嘴系统，他们应该能提供大流量的均匀的循环气体作为热媒且又不能把小零件吹偏。
在一般最常见的回焊炉热风喷嘴系统中大多使用Perforated Plates，其中有些使用小的开口来作为它的对流系统，有些则使用比较大的开口（图1）。
在这种对流系统中，其回风口只有前后或者左右而已，然而这样的设计方式，其风与风将会互相影响及干扰，而造成中间的经过热交换后的冷的气体必须经过整个板子区域才能去再次循环加热，四周其它孔中出来的热气体不能与板子和零件进行很好的热交换，造成热交换效率低下，大约只有15%，而且均温性不良。
另一种对流方式是使用小的Pipe Nozzles,每一个Nozzles放置在一个比较大的开孔中央（图2），其动作原理，是热风由Pipe Nozzle吹向PCB后再将冷风从开口吸回，这样的设计优点在于只需在小区域进行循环回风，风与风之间不会互相干扰。其缺点在于这只是将Perforated Plates的回风问题解决罢了，而风量小的问题依然存在，因为小的Pipe Nozzle的气体动态阻抗都远高于Perforated Plates的开口，因而也就限制了它的最大风量，如果要强制加强它的风量则必须提高压力和流速，然而这样将会有一些零件给吹偏或吹歪的潜在危险。同时每一个Nozzles的间距较大，这样大的间隙易产生温度差异而使得均温性不好。
在第三种对流系统中（图3），被称为Slot Nozzle，其出风口为整的横缺面的方式，可以达到整个回焊炉的工作宽度，且在回风口的设计也在于出风口旁，使得加热板子的气体的循环路径最短，这样的设计可以得到更高的传热效率，达35%。同时条状Nozzle的开口比较大，使得它的气阻抗比较小，这样可以把循环的风量调得很大而不需要很大的风速，因而也就不会把零件吹走。
二、风量，风速及温度的影响力
几乎每一个人都有使用吹风机的经验，它有高温小风量和低温大风量两种类型，而后者的加热比较平顺，把头发烧焦的危险也较小。
同样，在强制对流的回焊炉系统，对PCB的加热主要依赖于循环气体的量和它的温度，特别当在同一片PCB上同时具有大、小零件时，加热大零件所需要的气体温度，可能会把小零件加热到相当高的温度，必须要考虑到这些小零件是否能承受，并且大零件与小零件之间的温度差△T，也随气体温度的加大而加大。
事实上，强制对流系统的回焊炉最关键处就是热风的量及其送风方式，这已经成为制造回焊炉的一种艺术。在下面我们将展示出每一种送风方式的温度Profile。在这测试中我们使用八层板及2.5mm厚的PCB (图 4)。测温点放置于PBGA 256，PLCC 68和PCB板面，第四个Sensor测量膛内气体的温度。
这次测试使用三种回焊炉，加热长度皆为3米，四个上加热区，一个有上下加热器回焊区的回焊炉。热风传送方式分别为Perforated Plates，Slot Nozzles和Slot Nozzle加双回焊区。
保温区温度要求为170℃，回焊区为大于200℃，传送带速度设定为90cm/min。
温度曲线(图5)是在整个加热处理区使用Perforated Plates 的结果。在这个送风方式中，要达到我们的要求，加热器于加热区设定为175 ℃
，回焊区需设定到270℃
。(见表1)，而结果在PLCC 68只达到201℃，而PCB板面温度217℃，△T为16℃。
对最低峰值温度的要求是随产品和锡膏而变，在有些情况下，可能需要205℃或210℃，理论上讲，△T也会随之而升高，这样相应地零件上的热应力就会增加损伤零件的可能性。而事实上在生产比较大的多层板时，回焊区设定270℃的加热温度是很常见的。
温度曲线(图6)是在整个加热区使用Slot Nozzle所得到的结果。在这个送风方式中，为了达到锡膏的要求，把预热区设定为170℃，回焊区设定到225℃。其结果在PLCC 68达到202℃，PCB板面温度到达210℃。△T只有8℃，这样就算零件要达到210℃这样的最低峰值温度，板上最热的点也不会超过220℃。
同时我们也可以看到，Slot Nozzle并没有在预热区提供明显的改善，这是因为预热区的时间较长，由Perforated Plates提供的加热能量已经足够有效把零件加热到某一特定温度。但是在回焊区，由于快速的升温，对热风系统就提出了更高的要求，而Slot Nozzle恰恰就能提供一个最高的加热效率。
在这个例子中，用Slot Nozzle可比Perforated Plates在回焊区降低45℃的设定温度，8℃的△T意味着零件热应力的大大降低。
第三种要测试的送风方式为 Slot Nozzle加双回焊区方式，这台机器将回焊区分为两区，第一区设定较高的温度，第二区设定大约低第一区20℃的温度，这样的设计可以在第一区快速对所有零件加热，第二区让小零件降低加热速度，大零件持续以高速加热，见温度曲线图(图7)。在这个方式中，要达到正确的回焊要求，回焊区第一区设定到235℃，第二区设定到215℃。其结果在PLCC 68达到202℃，PCB板面温度208℃，△T只有6℃。
| 速度 [cm/min]
| Zone 1
[° C]
| Zone 2 [° C]
| Zone 3 [° C]
| Zone 4 [° C]
| Peak [° C]
| D T [° C]
| Perforated plate
| 90
| 175
| 175
| 175
| 175
| 270
| 16
| Slot nozzles
| 90
| 170
| 170
| 170
| 170
| 225
| 8
| Slot nozzle+Quattro Peak
| 90
| 170
| 170
| 170
| 170
| 235/215
| 6
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表 1: 参数设定表
四、结论
在这份测试回焊炉的报告中，可以明确发现目前所设计的回焊炉几乎都是为63Sn37Pb的锡铅比（或相近的比例）所设计，此锡膏溶点为183℃，PCB板上温度最少需在200℃以上，对一般标准的强制对流回焊炉，在回焊区需设定至270℃以上，在高速生产线，配合双回焊区设计，最高设定温度能被减少到约230℃。同时△T被减少了一半，从16℃到8℃，甚至6℃，这意味着相当低的热应力和机械应力作用在零件上。
目前世界上已普遍开始进入无铅时代的步伐，无铅锡膏必须在2004年之前被应用于电子业，从现在各大锡膏生产厂家所开发出的无铅锡膏来看，在价格和性能上以及来源方面最接近现今的含铅锡膏的无铅锡膏的熔点大概都在220℃左右，也就是比现在的63Sn37Pb锡膏要高近40℃，这样在标准的回焊炉中（Perforated Plates,Tube Nozzles,以及类似结构）,在回焊区的温度设定大概必须要提高40℃才能来处理无铅锡膏，这样对前面实验用的那快板子来讲，回焊区的温度设定大约需到310℃，这样的温度已经达到或超出了现在回焊炉的设计规格，并且也将对产品和零件造成不可预计的损伤。而对配备了Slot Nozzle的炉子来讲，回焊区温度只需要到270℃?/FONT>280℃，这样的温度设定事实上就是现在许多热风炉子在处理63Sn37Pb锡膏时的设定，换句话说，使用Slot Nozzle的回焊炉可以很顺利的处理无铅锡膏，因而将会保证您现在的生产线能适应未来的要求，从而确保您的投资收益。
[ 本帖最后由 aaron_yan 于 2007-6-15 16:41 编辑 ]
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