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真空共晶炉(真空回流焊)

2020-02-14 16:35阅读:
产品原理
真空焊接系统相对于传统的回流焊系统,主要使用真空在锡膏/焊片在液相线以上帮助空洞排出,从而降低空洞率。因为真空系统的存在,可以将空气气氛变成氮气气氛,减少氧化。同时真空的存在也使得增加还原性气氛可能性。
真空去除空洞
在大气环境下,液态状态下的锡膏/焊片中的空气气泡/助焊剂形成的气泡也处于大气气压下。当外界变为真空环境,两者之间的气压差可以让在液态锡膏/焊片中的气泡体积增大,与相邻的气泡合并,从而最后到达表面排出。随后气压恢复,残留其中的剩余气泡会变小继续残留在体系中。
  

从工业生产的角度而言,有以下几点需要指出:
  1. 绝对的高真空(某些厂家宣称的10 -n mbar)理论上来说确实可以更大程度的减少空洞率,因为压力差是气泡排出的驱动力。然后抽高真空需要极长的时间,在实际生产中需要考虑。另外高于液相线的时间也需要考虑。而且事实由于生产腔体的材料表面不是完全平整,会吸附一些气体和液相物质,达到绝对的高真空从某种程度上来说是理论可能。在实际应用中真空度一般在100Pa-500Pa就可以有效的排出焊料中的气泡,降低空洞率。
  2. 绝对的0%空洞率不可能达到,在生产中无法保证完全去除每一个气泡。一般来说所谓低空洞率的要求是总空洞率<3%,最大空洞<1%。
真空共晶炉(真空回流焊)

真空共晶炉(真空回流焊)













氮气气氛
真空系统的加入可以让腔体在抽真空之后加入氮气气氛,在传统的回流焊之中也有涉及。但是需要指出以下几点:
  1. 氮气的加入是排出空气中的氧气,防止氧化,在回流炉的开放环境中,并不能完全排出O2的可能行。行业认为需要将氧含量降至100ppm以下可以保证无氧化的可能。密闭的氮气环境更合适器件焊接烧结。
  2. 金属的氧化,除了有空气中氧气的存在,温度也极为重要。所以在应用氮气保护之时,应当保证器件温度降至一定温度下,才能接触空气与氧气接触。比如,IGBT模块的DBC焊接,应当保证Cu表面温度升至50C以上以及焊接后表面温度下降至50C之前保证在N2环境下才能完全避免氧化。
还原性气氛HCOOH 甲酸和N2H2 混合气
在锡膏的使用中,由于助焊剂的存在,实际上不需要还原性气氛。真空步骤可以降低空洞率。但是考虑到助焊剂残留、污染、清洗成本等问题,有些厂家会选择使用无助焊剂的预成型焊片,这就需要还原性气氛的使用。常用焊片Au80Sn20,Au88Ge12,Au10Sn90,Au80Cu20,Ag72Cu28,SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5),SAC405(Sn95.5Ag4.0Cu0.5),Sn98.5Ag1.0Cu0.5,Sn63Pb37,Sn90Sb10,Bi58Sn42,In52Sn48,In97Ag3,In100,Sn96.5Ag3.5,Pb92.5Sn5Ag2.5,AgCu30Sn10等。金Au材料不容易氧化,所以有些使用金Au合金焊料时也可以不使用还原气氛,在氮气或者真空下即可。
还原性气氛可以有效的去掉焊接面的氧化膜,增加焊料的湿润性,从而可有效降低焊接空洞率。对于常见的还原性气氛HCOOH甲酸和N2H2合成气,需要指出以下几点:
  1. 两者的作用原理都是和金属氧化物反应,还原至纯金属,以便下一步的液化。
  2. HCOOH甲酸(蚁酸)和金属氧化物得反应温度低于200,形成甲酸金属盐和水,在200以上甲酸金属盐分解成金属和H2O CO2,因此HCOOH甲酸适合低熔点的合金体系
  3. 氢气的还原反应需要在高温(250C)环境下进行,因此不适合低熔点的合金体系。一般使用95%氮气5%氢气的混合气体。
真空共晶炉(真空回流焊)类型
真空共晶炉的主要原理就是利用真空去除空洞,氮气气氛和还原性气氛是附加条件,客户应当根据自己的产品要求和经济水平进行选择设备。
真空系统主要分为
  1. 传统回流焊+真空模块:优点是理论来说可以在现有的回流焊产线中进行改进,缺点是除真空体系的模块外其他部分不能完全防止氧化,工作过程中还原性气氛较难使用,无法满足焊片工艺要求。一般使用锡膏或者带助焊剂的产品应用,使用温度一般在350以下。需要特别注意的是,非真空区域氧含量的问题,如果氧含量无法控制在500PPM或者以下,在器件未进入真空区时可能会产生氧化情况。
  2. 腔体式真空共晶炉(单层或者多层):满足真空环境、氮气气氛、还原性气氛条件下使用,最高温度一般都满足500以下使用。可满足大部分器件的真空焊接要求,由于是腔体氏结构,需要考虑效率问题,是否能满足批量生产的要求。腔体式真空炉有单腔单层加热和单腔多层加热的设备,客户可根据自己产品生产量选型。
  3. 多真空模块真空炉:单一模块只负责加热,焊接,冷却步骤:优点是可以保证真空环境和氮气气氛,不同模块负责不同的温区,和传统回流焊多腔体焊炉类似,从而最大限度保证产出效率和质量,缺点是价格较高。
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