真空焊接炉的工作原理

来源:收集 点击数:180 更新时间:2020/3/24 10:42:39

真空焊接炉的工作原理
 真空共晶炉、真空焊接炉(vacuum soldering system)是一种针对高端产品的工艺焊接炉,例如激光器件、航空航天,电动汽车等行业,和传统链式炉相比,具有较大的技术优势。真空共晶炉系统主要构成包括:真空系统,还原气氛系统,加热/冷却系统,气体流量控制系统,安全系统,控制系统等。

  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。

  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%。

  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O2,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O2降至100ppm以下可以保证无氧化的可能。因此封闭体系是应用N2环境相对于合适的体系

  2. 金属的氧化,除了有O2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,才能开放体系,与O2接触。比如,对于DCB的焊接,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 合成气

  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/清洗成本等,有些厂家会选择使用无助焊剂的焊片。这时需要还原性气氛的使用。还原性气氛可以增加焊片的湿润性,从而从另外一个角度降低空洞率。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甲酸和金属氧化物得反应温度低于200C,形成甲酸金属盐和水,在200C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. H2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。

  其他

  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。

  现在存在的真空系统,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。

  2. 单一真空模块配合加热冷却装置:优点是可以保证真空环境和氮气气氛,缺点是加热冷却由同一加热、冷却板完成,使用寿命短

  3. 多真空模块,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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