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用自制的回流焊炉焊制高密度贴片LED阵列

先来看一段视频为快!

最近有一个项目需要焊接600多个高亮度贴片小LED到电路板上。LED选用飞利浦Philips Rebel Z ES系列白色灯珠,大小只有区区1.6 x 2.0毫米,基本上属于掉到地上就找不到的那种尺寸…这么小的LED一字排开相距只有2.5mm。更糟糕的是,这种LED的焊盘都在底部,从侧面根本就无法用电烙铁来焊。

飞利浦Rebel Z ES白色LED和一元硬度比大小

飞利浦Rebel Z ES白色LED和一元硬度比大小

不过我之前自制过一个回流焊炉,用这个回流炉成功焊接过高密度贴片的芯片,所以这次决定还是自己动手,把回流焊的零部件尺寸和密度纪录继续变小。从设计电路板开始,充分考虑到回流炉的特性设计焊盘大小和形状,调整激光切割的网板,一直到最终成功焊好这么多LED!没想到我桌上这个小焊炉还是可以做出挺精密的东西来!

无需网板的回流焊接电子元器件

首先让我们来看一段视频,演示了如何用回流焊接结束焊接电子元器件而无需网版(stencil)。

我在上篇文章中提到了如何DIY你自己的回流焊炉。 也许有人会纳闷光有焊炉有什么用,还得配上可以铺焊膏的网板才行。是的,网板(或者被称作模板)经常被认为是回流焊接过程中必不可少的工具。它不仅规定锡 膏该铺在哪儿,而且还规定了铺锡膏的量。当然,网板也并非很容易制造,通常需要特殊材料,并根据每块电路板的设计经行激光切割。这是为什么网板价格昂贵, 有时甚至贵过电路板,而且还只能用在一个电路板设计上。

With_Stencil
Without_stencil

图1,(从互联网上找来的图) 上图:用网板铺的锡膏效果;下图:不用网板的效果。

很明显,用了网板锡膏的铺设非常整洁精确。不用的话看上去一团糟,因为是手工抹上去的关系,有些地方直接被一大团锡膏盖住。如果说不整洁还能接受,因为毕竟这只是中间过程而已;那锡膏盖住多个焊盘会不会造成短路呢?

SL_Bridge_Across_Pads

图2,锡膏横铺在两个焊盘之上。

好在有了“表面张力”这个有利武器,即便像图1右图所示那样锡膏杂乱地涂抹在焊盘上,这块电路板仍然可以使用回流焊接技术完成元器件的焊接。我们都 知道,当焊膏被加热到一定温度以后,焊膏会融化而成“液体”状,并依照“表面张力”的约束而“流动”。涂抹在盘上之间(阻焊层)的锡膏会被抹在焊盘之上的 锡膏“吸”走。另外,表面张力还有助于元器件的对位。如果在前期放置芯片的时候没有十分精准地对上各个管脚,当锡膏熔化以后,液状的焊锡会将元器件“浮” 起并滑动到准确的位置上。最上方视频的结尾部分就演示了表面贴片的LED是如何被移动旋转入最终的位置。

所以,只要你有一台回流焊炉,你就可以立即开始进行焊接,用不着网板甚至是打片机。

DIY将家用小烤箱改装成电路板回流焊接炉(reflow oven)含视频

先来一段回流焊接炉最终成品工作时的视频(链接):

尽管我可以很熟练地手工焊接小到只有0.5毫米间距的QFN封装芯片(看我的文章视频), 但是越来越多出现在市场上的新产品芯片已经变得实在无法手焊了。手上的各个项目已经发展到了不得不要丢我的电烙铁的阶段。看来到是时候给我的工作台添加一 台电路板回流焊炉了(reflow oven)。市场上已经有不少产品可供选择,从专业级别到面向业余爱好者的都有。但是我还是决定要自己动手改装一台,肯定很有趣味,更不说还能省下不少银 子。

打造一台电路板回流焊炉,你需要四种主要零件:1)加热设备;2)温度传感器;3)控制器;以及4)继电器。不过这些东西对于电子工程师来说应该不是什么大问题。

4_Elements

下面是针对上面零件所作的选择:

  1. 可放下12英寸皮萨饼的热风电烤箱。选购家用烤箱首要注意的地方是功率。必须要能够在短时间内升温至最高260摄氏度。通常功率1千瓦的电烤箱可 以做到这点。接下来,带热风功能必须的,因为烤箱自带的风扇可以将烤箱各个角落的温度通过空气循环来均衡升温。加热棒应该是两条位于烤箱顶部,两条位于底 部。试验结果告诉我烤箱容量可以不用这么大(如果你需要焊接大面积电路板那另当别论),因为过大的烤箱空间导致加热缓慢,这在后面我会提到。比如我购买的 这个烤箱无法做到在90秒内升温至150摄氏度。如果有机会我会选购一个小点的,不过总体来说工作情况令人满意。最后,我强烈建议选择手动控制的电烤箱。 那些看似十分高级的数码控制款,不仅价格上比较贵,而且对后面的改装会提出不少难度。
  2. K型热电偶式(Thermocouple)温度传感器,我选用的是TPI的GK11M,以及热电偶调节器模数转换芯片MAX6675。 需要确认所选购的热电偶可以工作在至少260摄氏度的温度下。GK11M这款K型热电偶的工作范围是-40~950°F (-40~510°C),足够了。MAX6675带有SPI结构,可以很方便的和单片机等相互通信。这款芯片有些小贵,因为它连数模转换都集成了,如果不 嫌麻烦愿意自己在单片机上实现数模转换(ADC),则可以选购模拟输出的芯片,相对会便宜些。
  3. 控制器方面,我使用我自己开发的RTM平台,主芯片是一块Microchip PIC32MX795F512L的32位单片机,系统时钟可以跑到80MHz,带有一个USB2.0口,这样可以和PC很好的结合起来,所需要的编程量也很低。
  4. 继电器我选用Crydom的PF240D25固态继电器。由于我需要开关交流电,所以至少可以负载1000瓦的大功率继电器是必须的。考虑到我准备使用脉冲宽度调制(PWM)的方式来控制烤箱,所以推荐使用固态而不是传统的电磁式。这款继电器还可以直接使用单片机的控制信号,十分方便。

好了,所有零部件到位,是时候动手将电烤箱改装成回流焊接炉了!

Toaster_Oven

上图1绿色圆圈所示,这台烤箱带有三个控制旋钮,分别是温度控制、功能选择和定时。我需要拆掉最上方的温度控制器(实际上是一个利用两种不同热膨胀 系数的双金属条,bimetallic strip),转而用我自己的单片机电路来控制温度。“功能选择”也不需要,但放着也不碍事,如果有低温项目需要,还可以切换到只有两条加热棒工作的模 式。“定时器”也不需要,因为我的电路板会控制时间,不过考虑到安全因素,还是建议留着,至少万一忘记切断电源的情况下,定时器最终可以帮我关掉烤箱。

Toaster_Oven_Rewiring

图2. 这是烤箱控制面板内测的布局。注意图中中间上方有一个白色胶布包裹的装置是热风风扇的变压器线圈。这是整个回流焊接炉的核心器件之一,保证电路板各处均匀 加热。你可以看到,我已经将最上面的温度控制器断开。另外一个小改动是将热风风扇跳过功能按钮,这样只要该烤箱上电,风扇就一直工作。

Toaster_Oven_Rewiring_2

这张图3展示了一个已经完成重新布线的半成品焊接炉。只要图中蓝色的插头连接,烤箱就开始加热。有烤箱内部没有其他任何的电源相关部件,所以这根电 线里跑的就是交流电,操作的时候需要注意安全!接下来就很容易了,把这两个插头连到继电器上,然后用软件来控制这个继电器的闭合/断开。

Solid_Sate_Relay

图4. 参照这个继电器背部的说明,4个管脚的连接十分明了。1/2管脚连到上图的蓝色插头,无需考虑极性的正反。3/4管脚连到单片机的输出端,管脚3也不需要串联限流电阻,4是接地。需要注意的是,该固态继电器在使用是会产生大量的热,需要降温设备。

Everything_Connected

图5. 所有连线完毕。我的电路板回流焊接炉准备就绪了!等等……我还需要一个降温风扇!

SSR_W_Fan

图6. 降温风扇也准备好了。我在单片机里实现了一套PID控制程序来实现所要求的温度走势。网上到处都可以找到各种不同的温度要求,通常一个加热焊接过程被分成 三个步骤:1)预加热阶段(Pre-heat zone);2)均热处理阶段(Soaking zone);以及3)回流加热阶段。

  1. 预加热要求在不超过2分钟的时间内把温度从室温提升到150摄氏度。150摄氏度低于锡膏的熔点,只是确保电路板各处温度升带这一数值。
  2. 均热处理要求在接下来的2分钟内温度升到183摄氏度并保持在这一温度上。在这阶段内,锡膏里的助焊剂被激活,确保各种辅助液体被挥发掉。183度任然略低锡膏的熔点,但已十分接近,我以后的文章会提高,这是的锡膏已经开始液化。
  3. 最终,回流处理阶段阶段要求温度以最快速度上升到250摄氏度,高于锡膏的熔点,锡膏充分附着于焊盘和元器件管脚上完成焊接。

在不断的尝试以后,我最终将PID各参数调整到最佳值使其能实现上面的三阶段要求。由于我的RTM单片机系统可以方便的实现USB通信,我在PC上简单地将下面的参数输入系统:

秒   摄氏度
120, 150
240, 183
300, 250

第一列数据是以秒为单位的时间值,第二列是在该时间内要达到的摄氏度温度值。下面是我通过单片机系统反馈得到的实时温度走势图。

Temperature_Profile

你可以看到,就如我之前所提到的,由于我的烤箱过大,导致箱内升温缓慢,所以未能在规定时间内达到要求温度。而且回流温度也低于250摄氏度。不过 令人惊喜的是,尽管有这些问题,但是自动焊接结果十分完美。下面是一些使用该回流焊接炉的视频和图片。随着更多的电路板被我烘焙,我会贴出更多的结果。

回流焊接好的电路板:

PCB_Reflow_Rebel_Z

1.7mm x 1.3mm大小的飞利浦Rebel Z系列彩色大功率LED。
PCB_Reflow_Rebel_Z_ES_effect

Rebel Z系列彩色LED以及3mm x 4mm Rebel系列白色LED。Rebel Z系列彩色LED提供8种不同的颜色,分别是:绿、蓝、红、桔红、深蓝、琥珀黄、品蓝以及青。

以下文字添加于2014年6月21日:

距改装这个小烤箱已经有一年多的时间了。这个自制的电路板回流焊接路已经成为我工作台上不可或缺的一个设备了。有了它以后,我在设计电路板的时候越来越大胆,选择元器件越来越小,完全不用担心做测试板的时候会不会遇到焊接难题了。

下面就是一组最近一批“烤”出来的电路样板:

在激光切割的网板上敷焊膏

在激光切割的网板上敷焊膏

移除网板,焊膏很漂亮地归整在焊盘上

移除网板,焊膏很漂亮地归整在焊盘上

放置各种元器件

放置各种元器件

准备开“烤”

准备开“烤”

烤好以后的成品!

烤好以后的成品!