打破焊接的障礙

打破焊接的障礙 本文介紹，在化學和粒子形態(tài)學中的技術突破已經(jīng)導致新型焊接替代材料的發(fā)展。 隨著電子制造工業(yè)進入一個新的世紀，該工業(yè)正在追求的是創(chuàng)造一個更加環(huán)境友善的制造環(huán)境。自從 1987 年實施蒙特利爾條約 (從各種物質，如大氣微粒、制冷產(chǎn)品和溶劑，保護臭氧層的一個國際條約 )，就有對環(huán)境與影響它的工業(yè)和活動的高度關注。今天，這個關注已經(jīng)擴大到包括一個從電子制造中消除鉛的全球利益。 自從印刷電路板的誕生，鉛錫結合已經(jīng)是電子工業(yè)連接的主要方法?，F(xiàn)在，在日本、歐洲和北美正在實施法律來減少鉛在制造中的使用 。這個運動，伴隨著在電子和半導體工業(yè)中以增加的功能向更加小型化的推進，已經(jīng)使得制造商尋找傳統(tǒng)焊接工藝的替代者。 新的工業(yè)革命 這是改變技術和工業(yè)實踐的一個有趣時間。五十多年來，焊接已經(jīng)證明是一個可靠的和有效的電子連接工藝?？墒?，對人們的挑戰(zhàn)是開發(fā)與焊錫好的特性，如溫度與電氣特性以及機械焊接點強度，相當?shù)男虏牧希煌瑫r，又要追求消除不希望的因素，如溶劑清洗和溶劑氣體外排。在過去二十年里，膠劑制造商在打破焊接障礙中已經(jīng)取得進展，我認為值得在今天的市場中考慮。 都是化學有關的東西 在化學和粒子形態(tài)學中的技術 突破已經(jīng)導致新的焊接替代材料的發(fā)展。在過去二十年期間，膠劑制造商已經(jīng)開發(fā)出導電性膠 (ECA, electrically conductive adhesive)，它是無鉛的，不要求鹵化溶劑來清洗，并且是導電性的。這些膠也在低于 150 C 的溫度下固化 (比較焊錫回流焊接所要求的 220 C)，這使得導電性膠對于固定溫度敏感性元件 (如半導體芯片 )是理解的，也可用于低溫基板和外殼 (如塑料 )。這些特性和制造使用已經(jīng)使得它們可以在一級連接的特殊領域中得到接受，包括混合微電子學 (hybird microelectronics)、全密封封裝 (hermetic packaging)、傳感器技術以及裸芯片 (bare die)、對柔性電路的直接芯片附著 (direct-chip attachment)。 混合微電子學、全密封封裝和傳感器技術 ：環(huán)氧樹脂廣泛使用在混合微電子和全密封封裝中，主要因為這些系統(tǒng)有一個環(huán)繞電子電路的盒形封裝。這樣封裝保護電子電路和防止對元件與接合材料的損傷。焊錫還傳統(tǒng)上使用在第二級連接中，這里由于處理所發(fā)生的傷害是一個問題，但是因為整個電子封裝是密封的，所以焊錫可能沒有必要?；旌衔㈦娮臃庋b大多數(shù)使用在軍用電 子中，但也廣泛地用于汽車工業(yè)的引擎控制和正時機構 (引擎罩之下 )和一些用于儀表板之下的應用，如雙氣控制和氣袋引爆器。傳感器技術也使用導電性膠來封裝壓力轉換器、運動、光、聲音和振動傳感器。導電性膠已經(jīng)證明是這些應用中連接的一個 可靠和有效的方法。 柔性電路 ：柔性電路是使用導電性膠的另一個應用領域。柔性電路的基板材料，如聚脂薄膜 (Mylar)1，要求低溫處理工藝。由于低溫要求，導電性膠是理想的。柔性電路用于消費電子，如手機、計算機、鍵盤、硬盤驅動、智能卡、辦公室打印機，也用于醫(yī)療電子，如助聽器。 空間的需求 膠劑制造商正在打破焊接障礙中取得進步，由于空間和封裝的考慮，較低溫度處理工藝和溶劑與鉛的使用減少。由于空間在設計 PCB 和電子設備時變得越來越珍貴，裸芯片而不是封裝元件的使用變得越來越普遍。封裝的元件通常有預上錫的連接，因此它們可以焊接到 PCB 上。通過消除這些元件和使用半導體裸芯片，空間減少并且環(huán)氧樹脂可替代連接方法。環(huán)氧樹脂固化溫度不會負面影響芯片，該連接也消除了鉛的使用。在產(chǎn)品設計可受益于整體尺寸減少的情況中 (如，助聽器 )，從表面貼裝技術封裝消除焊接點和用環(huán)氧樹脂來代替，將幫助減少整體尺寸?？梢岳斫猓?過減小尺寸，制造商由于增加市場份額可以經(jīng)常獲得競爭性邊際利潤。 在開發(fā)電子元件中從一開始，封裝與設計工程師可以利用較低成本的塑料元件和基板，因為導電性膠可用于連接。另一個消除鉛而出現(xiàn)的趨勢是貴金屬作為元件電極的更多用量，如金、銀和鈀，環(huán)氧樹脂可取代這些金屬用作接合材料。 另外，用環(huán)氧樹脂制造的 PCB 和電子元件不要求溶劑沖刷或溶劑的處理，因此這給予重大的成本節(jié)約。 未來是光明的 導電性膠已經(jīng)在滲透焊錫市場中邁進重要的步子。隨著電子工業(yè)繼續(xù)成長與發(fā)展，我相信導電性膠 (ECA)將在電路連接中起重要作用 - 特別作為對消除鉛的鼓勵，將變得更占優(yōu)勢。并且隨著在電子制造中使用小型和芯片系統(tǒng) (system-on-chip)的設計，對環(huán)氧樹脂作為一級和二級連接使用的進一步研究將進行深入。 再流焊溫度曲線記錄器的研究與應用 第七研究室作者：常青 鄭毅 張小燕 摘要：再流焊是表面安裝組件生產(chǎn)中的關鍵工序。焊接中的印制板從材質、結構、元件布局、焊膏牌號等都各不相同，因此印制板焊接的溫度曲線也就均有差異。目前由于 QFP 和 BGA等器件大量采用，如何準確地測試、調整印制板溫度曲線是提高焊接質量的關鍵。國 外 SMT 行業(yè)已經(jīng)認識到這點，相繼地開發(fā)出了各種溫度曲線記錄器，在國內也有越來越多的專業(yè)人員投入到這個課題的研究開發(fā)中來。本文重點闡述了 WJQ 3 溫度記錄器的結構與工作原理及應用。 關鍵詞：再流焊；溫度曲線；溫度記錄器 表面安裝技術 (SMT)是包括從元器件、貼裝設備、焊接設備 及組裝輔助材料等內容的綜合系統(tǒng)技術。實踐證明，要想做出高質量產(chǎn)品，僅僅具有高級的 SMT 硬件設備是不夠的，還依賴于對設備正確的使用和調節(jié)。而再流焊是印制板組裝過程中最后一道關鍵工序，印制板 (PCB)的焊接溫度曲線設置 是否正確直接決定焊接質量。 1 再流焊溫度曲線測試的必要性 再流焊是通過加熱融化預先涂敷到印制板焊盤上的焊膏，冷卻后實現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣聯(lián)接。影響焊接效果的主要因素包括：元器件的可焊性、焊料的性能和給印制板提供的熱量。為給印制板提供適當且足夠的熱量，就需要準確地控制加熱溫度與時間。實際組裝的印制板組件千差萬別，從材質上分，有環(huán)氧玻璃布板、陶瓷板、鋁基板和柔性印制板等；從構造上分，有單面板、雙面板、多層板；而且印制板的元件布局、密度、走線也各不相同。所以需要 針對板子的具體情況調整加熱溫度和時間。 加熱過程中，必須考慮對元器件的熱沖擊。例如，有機半導體電解電容是表面貼裝元件 (SMC)中對熱比較敏感的元件。材料與結構使它能承受的溫度與時間是 230 ， 3OS。片式多層陶瓷電容的脆性和精細多層結構也使得它對熱沖擊相當敏感。當今小型細間距 QFP 和 BGA 等器件大量采用，它們的焊接效果直接決定了整塊印制板焊接的成敗。所以，越來越多的 SMT 工藝技術人員認識到控制再流焊溫度曲線的重要性。 在 SMT 生產(chǎn)中為滿足自動化生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)的需要，絕大多數(shù)均采用隧 道式連續(xù)傳送結構的再流焊爐。這種再流焊爐普遍具有 3 個以上的溫區(qū)。各溫區(qū)溫控儀表顯示的溫度只是控溫熱電偶所處位置即爐膛內若干個固定點的溫度，由于控溫熱電偶測試點與印制板有一段距離，而且印制板是從爐膛中動態(tài)地穿過，所以溫區(qū)設定溫度并不是印制板上的實際溫度。實際上，印制板上的溫度變化遠比儀表的顯示溫度復雜得多，因此對于再流焊爐操作者來說只憑經(jīng)驗，很難在短時間內把這種再流焊爐的溫度設定和傳動速度調節(jié)到最佳狀態(tài)。現(xiàn)在，大型的由計算機控制的再流焊爐普遍帶有測試熱電偶接口。將這種接口接上長熱電偶，再把熱電偶和印制板一起送 入爐膛，可以實測印制板在爐內的溫度曲線，并且可以由軟件實現(xiàn)對測量結果的存儲、調用和打印。而對于儀表控制的再流焊爐來說，沒有這樣的裝置，操作者也就無法知道印制板上的實際溫度曲線。針對這種情況，國外有些如ECD、 DATAPAQ、 ERSA 等公司開發(fā)了多種型號的溫度曲線記錄器。在國內也有越來越多的專業(yè)人員開始投入這個課題的研究開發(fā)中來， 1999 年 4 月信息產(chǎn)業(yè)部電子第二研究所 SMT 系統(tǒng)工程部研制成了 WJQ 3 溫度記錄器，并已投放市場。 2 WJQ 3 型溫度記錄器的結構與原理 WJQ 3 溫度記錄器組件 如圖 l 所示： RS232 通訊線 用它可把記錄器的通訊插座與 PC 機RS232 口連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。 印制板 為具體測試用的板子。 熱電偶 測量溫度傳感器。 插頭 可連接熱電偶至記錄器。 保溫套 它保護記錄器內部電路板免受高溫影響。 安裝盤 WJQ 3 數(shù)據(jù)分析軟件。 WJQ 3 溫度記錄器的外殼是由不銹鋼制成的扁平金屬盒子。側面帶有 3 個熱電偶插座，內芯的另一側面帶有電源開關、通訊插座和充電器插座。所配熱電偶為 K 型， 偶絲直徑 0.2mm。它的工作原理是：將三支 (也可用一支或兩支 )細絲狀微型 K 型熱電偶的探頭用焊料或膠粘劑固定在印制板上需要監(jiān)測的三點上，再把熱電偶與溫度記錄器上的熱電偶插座相連。打開溫度記錄器的電源開關，套好保溫罩，記錄器和被測印制板一起隨爐子的傳送網(wǎng)或傳送鏈從爐膛中穿過，記錄器自動按程序以 0.5s 時間間隔采樣熱電偶的溫度信號，并將隨時間變化的溫度數(shù)據(jù)保存在記錄器內的非易失性存儲器中。當印制板和記錄器從爐膛內傳送出來后，取下保溫罩，關閉電源開關。用通訊電纜將記錄器聯(lián)接到PC 機 RS 232 串行口上，啟動 WJQ 3 溫度記錄器專用數(shù)據(jù)分析軟件后，打開記錄器電源開關，啟動通訊功能后，進入通訊狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳送完畢，軟件就將從記錄器內讀出的數(shù)據(jù)繪制成曲線(溫度曲線 )顯示在 PC 機屏幕上。需要時還可把曲線和數(shù)據(jù)打印出來。所測出的溫度曲線全面、準確地反映了印制板各測試點的溫度與時間關系。細絲狀熱電偶探頭微小，可監(jiān)視任何細小間距 器件引腳或焊盤的溫度，并且測量結果比較接近真實溫度。 3 wJQ 3 溫度記錄器的實際應用 下面僅以我們在沈陽某廠的調機過程為例說明如何使用溫度記錄器來調整焊接工藝參數(shù)。 該廠組 裝的印制板材質為環(huán)氧玻璃布板，厚 1.6mm，尺寸為200(L)100(W)mm，是典型的雙面混裝板，它的生產(chǎn)工序為： 先絲印 A 面 手工貼裝 焊接 A 面 翻轉印制板絲印 B 面 手工貼裝 焊接 B 面 手工焊接插裝元件 在 A 面板子中心有一 QFPl32 腳的大型器件，其余均為 SOP集成電路、片阻、片容和片式鉭電容，分布在它四周，其中靠近印制板邊緣還有一小的 PLCC20 腳器件。焊接所用設備為 P18T200 紅外熱風混合式鏈條傳送再流焊爐。 A 面印刷所用焊膏為Sn63 Pb37(熔點為 183 )。 B 面 正對 A 面 QFP 處有一 PLCC44腳器件，其余的 SOP 集成電路和片阻片容元件，分布在它四周。 B 面所用焊膏為 Sn62/Pb36 從 82(熔點為 179 )。要求在焊接 B面時必須確保印制扳 A 面的片式元器件均不能熔化脫落。一般情況下，處于下面的小元件如片式阻容元件和 SOP 集成電路即使再次熔化，由于熔融焊料表面張力的作用也不會脫落。但是QFPl32 腳器件體積大，在熔化后會因其重力大于焊料的表面張力而脫落，以前該廠曾發(fā)生過這種問題。原來該廠生產(chǎn)中設置的再流焊爐工藝參數(shù)為：預熱 l 275 ，預熱 2 210 ，焊接275 ，鏈速 300mm min，由于沒有測試手段，印制板上溫度 分布不合理，從而造成焊出的印制板焊點不光亮。 這次廠方給我們提供了一塊同樣的印制板，我們首先對印制板進行分析。 A 面的 QFP 是大型關鍵器件， B 面的 PLCC44 在焊接時吸熱較多，是印制板上溫度最低的區(qū)域。印制板上無元件的邊緣，是印制板上溫度最高的區(qū)域，在焊接時要確保它的溫度不超過印制板所能承受的最高溫度，否則印制板會受高溫而損壞。我們將 A 路熱電偶焊在小型 SOP 引腳上， B 路熱電偶焊在QFPl32 的引腳上， C 路熱電偶焊在無元件的印制板邊緣過孔處 。焊接時采用高熔點焊膏 (如熔點為 268 的 Snl0 Pb88/Ag2 焊膏 )，以確保熱電偶在升溫過程中不脫焊。測試后的溫度曲線如圖 2 所示： 從圖 6 中可看出 B 面除 PLCC 外的元件均達到焊接熔化溫度，同時 A 面 QFP 元件的溫度在熔點附近，沒有熔化脫落。于是采取折衷辦法，焊接完 B 面后，再用熱風槍單獨焊接 PLCC44腳元件。 從整個調整過程我們有幾點體會： 1從焊接工藝角度考慮，兩個大元件 (QPPl32 和 PLCC44)在 A 面與 B 面正對放置，板子布局不合理，因為它們均吸熱很多，如果要保證 它們得到良好焊接，印制板上其它元件勢必過熱。 2， Sn63 Pb37 和 Sn62 Pb36 Ag2 焊膏熔點相差不大，起不到分次焊接的作用。我們建議該廠今后可采取在一面的 PCB焊盤圖形中央涂敷粘接劑以加強 SMD 的固定或印制板兩面采用 不同熔點的焊膏 (至少相差 30 ，如一面用 183 的焊膏，另一面用 22l 的焊膏 )的方法來解決。 如上所述，用溫度記錄器測試后，操作者可用溫度曲線與所用焊膏的推薦曲線比較，從而能夠實現(xiàn)對再流焊工藝的溫度、速度實現(xiàn)精確的調整，獲得最佳焊接質量。除此之外， WJQ 3溫 度記錄器數(shù)據(jù)分析軟件可以對記錄后的數(shù)據(jù)作深入的分析 可以計算 3 條曲線每一段的升溫速率：能夠對熱電偶的偏差進行修正：還可輸入記錄曲線時爐子的工作狀態(tài)信息。在實際生產(chǎn)中，對于多品種、小批量的場合，記錄工作狀態(tài)信息是非常必要的功能。它可以將當時爐子的各溫區(qū)設定溫度、傳動速度、印制板尺寸和名稱保存在與溫度曲線對應的數(shù)據(jù)文件中，方便存檔及日后重新生產(chǎn)時直接調用。使用溫度記錄器能夠在短時間內準確的把再流焊爐的工藝參數(shù)調整好，克服了以前缺乏測試手段而造成的印制板浪費和次品率高等等弊端，給 SMT 工藝人員帶來極大的便利，生 產(chǎn)效率明顯提高。因為可以精確地測出印制板上實際溫度，所以有時可以通過調整工藝參數(shù)，省略點膠等生產(chǎn)工藝，達到節(jié)省時間和節(jié)約原材料消耗的效果。 WJQ 3 溫度記錄器在具體使用時，要注意以下幾點： (1)選取能代表印制板上溫度最高、最低、中間部位的 3 點放置熱電偶探頭。再流焊爐所用的傳動方式不同會影響最高、最低部位的溫度分布情況。對此，應結合爐子的具體情況分析，以便全面的反映印制板各部位的真實受熱狀態(tài)。調整工藝參數(shù)時，要 保證對熱敏感的元器件不超過最高承受溫度，同時也要保證處于最低溫度區(qū)域的器 件得到良好的焊接。 (2)放置熱電偶探頭時應先清理測試點表面。將測試點 (器件引腳或焊盤 )表面的焊錫和助焊劑殘留物清理干凈，并用酒精擦洗。用高熔點焊料 (例如 SnIO Pb88 A82 熔點 268 的焊錫 )焊接，或用膠粘劑將熱電偶探頭固定在測試點。采用焊接方法固定時注意焊點盡量小，并且各焊點保持大小均勻，以免影響測量溫度的真實性。熱電偶固定好以后，再把熱電偶探頭后的熱電偶絲用耐高溫膠帶或細金屬絲固定，否則受熱松動，偏離測試點會引起測試誤差。 (3)測試時，溫度記錄器和測試板的距離最好大于 100mm。調整再流焊爐的設定參數(shù)后，需要等爐溫穩(wěn)定，并且等待溫度記錄器和測試板的溫度冷卻至室溫后才能開始下一次測試。 現(xiàn)在很多廠家用免洗焊膏，這里也給出它的推薦曲線作為參考，如圖 7： 4 4 wJQ 3 溫度記錄器主要性能指標 測溫范圍 0 350 熱電偶類型 K 型 (偶絲直徑 0.2mm，長 0.5m標準配置 ) 分辨率 0 1 測量精度 2 記錄時間 7 5min(可擴充 ) 采樣間隔 0 5s 電源供應 可充電電池 (配專用充電器，充足電可連續(xù)使用4h) PC 機配置 WINDOWS95 中文版， 256 色 VGA 顯示器 外形尺寸 215(L)115(W)25(H) 怎樣設定錫膏回流溫度曲線 約翰 .希羅與約翰 .馬爾波尤夫 (美 ) “正確的溫度曲線將保證高品質的焊接錫點?！?在使用表面貼裝元件的印刷電路板 (PCB)裝配中，要得到優(yōu)質的焊點，一條優(yōu)化的回流溫度曲線是最重要的因素之一。溫度曲線是施加于電路裝配上的溫度對時間的 函數(shù)，當在笛卡爾平面作圖時，回流過程中在任何給定的時間上，代表 PCB 上一個特定點上的溫度形成一條曲線。 幾個參數(shù)影響曲線的形狀，其中最關鍵的是傳送帶速度和每個區(qū)的溫度設定。帶速決定機板暴露在每個區(qū)所設定的溫度下的持續(xù)時間，增加持續(xù)時間可以允許更多時間使電路裝配接近該區(qū)的溫度設定。每個區(qū)所花的持續(xù)時間總和決定總共的處理時間。 每個區(qū)的溫度設定影響 PCB 的溫度上升速度，高溫在 PCB與區(qū)的溫度之間產(chǎn)生一個較大的溫差。增加區(qū)的設定溫度允許機板更快地達到給定溫度。因此，必須作出一個圖形來決定 PCB的溫度曲線。接下 來是這個步驟的輪廓，用以產(chǎn)生和優(yōu)化圖形。 在開始作曲線步驟之前，需要下列設備和輔助工具：溫度曲線儀、熱電偶、將熱電偶附著于 PCB 的工具和錫膏參數(shù)表?？?從大多數(shù)主要的電子工具供應商買到溫度曲線附件工具箱，這工具箱使得作曲線方便，因為它包含全部所需的附件 (除了曲線儀本身 )。 現(xiàn)在許多回流焊機器包括了一個板上測溫儀，甚至一些較小的、便宜的臺面式爐子。測溫儀一般分為兩類：實時測溫儀，即時傳送溫度 /時間數(shù)據(jù)和作出圖形；而另一種測溫儀采樣儲存數(shù)據(jù)，然后上載到計算機。 熱電偶必須長度足夠，并可經(jīng)受典型的爐膛溫度。一 般較小直徑的熱電偶，熱質量小響應快，得到的結果精確。 有幾種方法將熱電偶附著于 PCB，較好的方法是使用高溫焊錫如銀 /錫合金，焊點盡量最小。 另一種可接受的方法，快速、容易和對大多數(shù)應用足夠準確，少量的熱化合物 (也叫熱導膏或熱油脂 )斑點覆蓋住熱電偶，再用高溫膠帶 (如 Kapton)粘住。 還有一種方法來附著熱電偶，就是用高溫膠，如氰基丙烯酸鹽粘合劑，此方法通常沒有其它方法可靠。 附著的位置也要選擇，通常最好是將熱電偶尖附著在 PCB 焊盤和相應的元件引腳或金屬端之間。 (圖一、將熱電偶尖附著在 PCB 焊盤和 相應的元件引腳或金屬端之間 ) 錫膏特性參數(shù)表也是必要的，其包含的信息對溫度曲線是至關重要的，如：所希望的溫度曲線持續(xù)時間、錫膏活性溫度、合金熔點和所希望的回流最高溫度。 開始之前，必須理想的溫度曲線有個基本的認識。理論上理想的曲線由四個部分或區(qū)間組成，前面三個區(qū)加熱、最后一個區(qū)冷卻。爐的溫區(qū)越多，越能使溫度曲線的輪廓達到更準確和接近設定。大多數(shù)錫膏都能用四個基本溫區(qū)成功回流。 (圖二、理論上理想的回流曲線由四個區(qū)組成，前面三個區(qū)加熱、最后一個區(qū)冷卻 ) 預熱區(qū)，也叫斜坡區(qū)，用來將 PCB 的溫度從周圍環(huán) 境溫度提升到所須的活性溫度。在這個區(qū)，產(chǎn)品的溫度以不超過每秒25 C 速度連續(xù)上升，溫度升得太快會引起某些缺陷，如陶瓷 電容的細微裂紋，而溫度上升太慢，錫膏會感溫過度，沒有足夠的時間使 PCB 達到活性溫度。爐的預熱區(qū)一般占整個加熱通道長度的 2533%。 活性區(qū)，有時叫做干燥或浸濕區(qū)，這個區(qū)一般占加熱通道的3350%，有兩個功用，第一是，將 PCB 在相當穩(wěn)定的溫度下感溫，允許不同質量的元件在溫度上同質，減少它們的相當溫差。第二個功能是，允許助焊劑活性化，揮發(fā)性的物質從錫膏中揮發(fā)。一般普遍的活性溫度范圍是 120150 C，如果活性區(qū)的溫度設定太高，助焊劑沒有足夠的時間活性化，溫度曲線的斜率是一個向上遞增的斜率。雖然有的錫膏制造商允許活性化期間一些溫度的增加，但是理想的曲線要求相當平穩(wěn)的溫度，這樣使得 PCB的溫度在活性區(qū)開始和結束時是相等的。市面上有的爐子不能維持平坦的活性溫度曲線，選擇能維持平坦的活性溫度曲線的爐子，將提高可焊接性能，使用者有一個較大的處理窗口。 回流區(qū)，有時叫做峰值區(qū)或最后升溫區(qū)。這個區(qū)的作用是將 PCB 裝配的溫度從活性溫度提高到所推薦的峰值溫度。活性溫度總是比合金的熔點溫度低一點，而峰值溫度總 是在熔點上。典型的峰值溫度范圍是 205230 C，這個區(qū)的溫度設定太高會使其溫升斜率超過每秒 25 C，或達到回流峰值溫度比推薦的高。這種情況可能引起 PCB 的過分卷曲、脫層或燒損，并損害元件的完整性。 今天，最普遍使用的合金是 Sn63/Pb37，這種比例的錫和鉛 使得該合金共晶。共晶合金是在一個特定溫度下熔化的合金，非共晶合金有一個熔化的范圍，而不是熔點，有時叫做塑性裝態(tài)。本文所述的所有例子都是指共晶錫 /鉛，因為其使用廣泛，該合金的熔點為 183 C。 理想的冷卻區(qū)曲線應該是和回流區(qū)曲線成鏡像關系。越是靠近這種鏡像關系，焊點達到固態(tài)的結構越緊密，得到焊接點的質量越高，結合完整性越好。 作溫度曲線的第一個考慮參數(shù)是傳輸帶的速度設定，該設定將決定 PCB 在加熱通道所花的時間。典型的錫膏制造廠參數(shù)要求 34分鐘的加熱曲線，用總的加熱通道長度除以總的加熱感溫時間，即為準確的傳輸帶速度，例如，當錫膏要求四分鐘的加熱時間，使用六英尺加熱通道長度，計算為： 6 英尺 4 分鐘 = 每分鐘 1.5 英尺 = 每分鐘 18 英寸。 接下來必須決定各個區(qū)的溫度設定，重要的是要了解實際的區(qū)間溫度不一定就是該區(qū)的顯示溫度。顯示 溫度只是代表區(qū)內熱敏電偶的溫度，如果熱電偶越靠近加熱源，顯示的溫度將相對比區(qū)間溫度較高，熱電偶越靠近 PCB 的直接通道，顯示的溫度將越能反應區(qū)間溫度。明智的是向爐子制造商咨詢了解清楚顯示溫度和實際區(qū)間溫度的關系。本文中將考慮的是區(qū)間溫度而不是顯示溫度。表一列出的是用于典型 PCB 裝配回流的區(qū)間溫度設定。 表一、典型 PCB 回流區(qū)間溫度設定 區(qū)間 區(qū)間溫度設定 區(qū)間末實際板溫 預熱 210 C(410 F) 140 C(284 F) 活性 177 C(350 F) 150 C(302 F) 回流 250 C(482 C) 210 C(482 F) 速度和溫度確定后，必須輸入到爐的控制器?？纯词謨陨掀渌枰{整的參數(shù)，這些參數(shù)包括冷卻風扇速度、強制空氣沖擊和惰性氣體流量。一旦所有參數(shù)輸入后，啟動機器，爐子穩(wěn)定后(即，所有實際顯示溫度接近符合設定參數(shù) )可以開始作曲線。下一部將 PCB 放入傳送帶，觸發(fā)測溫儀開始記錄數(shù)據(jù)。為了方便，有些測溫儀包括觸發(fā)功能，在一個相對低的溫度自動啟動測溫儀，典型的這個溫度比人體溫度 37 C(98.6 F)稍微高一點。例如， 38 C(100 F)的自動觸發(fā)器，允 許測溫儀幾乎在 PCB 剛放入傳送帶進入爐時開始工作，不至于熱電偶在人手上處理時產(chǎn)生誤觸發(fā)。 一旦最初的溫度曲線圖產(chǎn)生，可以和錫膏制造商推薦的曲線或圖二所示的曲線進行比較。 首先，必須證實從環(huán)境溫度到回流峰值溫度的總時間和所希望的加熱曲線居留時間相協(xié)調，如果太長，按比例地增加傳送帶速度，如果太短，則相反。 下一步，圖形曲線的形狀必須和所希望的相比較 (圖二 )，如果形狀不協(xié)調，則同下面的圖形 (圖三 六 )進行比較。選擇與實際圖形形狀最相協(xié)調的曲線。應該考慮從左道右 (流程順序 )的偏差，例如，如果預熱和回流區(qū)中存在 差異，首先將預熱區(qū)的差異調正 確，一般最好每次調一個參數(shù)，在作進一步調整之前運行這個曲線設定。這是因為一個給定區(qū)的改變也將影響隨后區(qū)的結果。我們也建議新手所作的調整幅度相當較小一點。一旦在特定的爐上取得經(jīng)驗，則會有較好的“感覺”來作多大幅度的調整。 圖三、預熱不足或過多的回流曲線 圖四、活性區(qū)溫度太高或太低 圖五、回流太多或不夠 圖六、冷卻過快或不夠 當最后的曲線圖盡可能的與所希望的圖形相吻合，應該把爐的參數(shù)記錄或儲存以備后用。雖然這個過程開始很慢和費力，但最終可以取得熟練和速 度，結果得到高品質的 PCB 的高效率的生產(chǎn)。 得益于升溫 -到 -回流的回流溫度曲線 如果遵循某些指引，和對回流過程中可能遇見的參數(shù)有很強的理解，經(jīng)常和溫度曲線聯(lián)系在一起的苦惱可以大大減輕。 大衛(wèi) .蘇拉斯基 (美 ) 許多舊式的爐傾向于以不同速率來加熱一個裝配上的不同零件，取決于回流焊接的零件和線路板層的顏色和質地。一個裝配上的某些區(qū)域可以達到比其它區(qū)域高得多的溫度，這個溫度變化叫做裝配的 D T。如果 D T 大，裝配的有些區(qū)域可能吸收過多熱量，而另一些區(qū)域則熱量不夠。這可能引起許多焊接缺陷，包括焊錫球、不熔濕、損壞元 件、空洞和燒焦的殘留物。 較新式的回流焊接爐 大多數(shù)新式的回流焊接爐，叫做強制對流式，將熱空氣吹到裝配板上或周圍。這種爐的一個優(yōu)點是可以對裝配板逐漸地和一致地提供熱量，不管零件的顏色和質地。雖然，由于不同的厚度和元件密度，熱量的吸收可能不同，但強制對流式爐逐漸地供熱，其 D T 沒有太大的差別。另外，這種爐可以嚴格地控制給定溫度曲線的最高溫度和溫度速率，其提供了更好的區(qū)到區(qū)的穩(wěn)定性， 和一個更受控的回流過程。 為什么和什么時候保溫 保溫區(qū)的唯一目的是減少或消除大的 D T。保溫應該在裝配達到焊錫回流溫度之前 ，把裝配上所有零件的溫度達到均衡，使得所有的零件同時回流。由于保溫區(qū)是沒有必要的，因此溫度曲線可以改成線性的升溫 -到 -回流 (RTS)的回流溫度曲線。 應該注意到，保溫區(qū)一般是不需要用來激化錫膏中的助焊劑化學成分。這是工業(yè)中的一個普遍的錯誤概念，應予糾正。當使用線性的 RTS 溫度曲線時，大多數(shù)錫膏的化學成分都顯示充分的濕潤活性。事實上，使用 RTS 溫度曲線一般都會改善濕潤。 升溫 -保溫 -回流 升溫 -保溫 -回流 (RSS)溫度曲線可用于 RMA 或免洗化學成分，但一般不推薦用于水溶化學成分，因為 RSS 保溫區(qū)可能過早地破壞錫膏活性劑，造成不充分的濕潤。使用 RSS 溫度曲線的唯一目的是消除或減少 D T。 如圖一所示， RSS 溫度曲線開始以一個陡坡溫升，在 90 秒的目標時間內大約 150 C，最大速率可達 23 C。隨后，在150170 C 之間，將裝配板保溫 90 秒鐘；裝配板在保溫區(qū)結束時應該達到溫度均衡。保溫區(qū)之后，裝配板進入回流區(qū)，在183 C 以上回流時間為 60( 15)秒鐘。 整個溫度曲線應該從 45 C 到峰值溫度 215( 5) C 持續(xù) 3.54 分鐘。冷卻速率應控制在每秒 4 C。一般，較快的冷 卻速率可得 到較細的顆粒結構和較高強度與較亮的焊接點?？墒?，超過每秒 4 C 會造成溫度沖擊。 柔性電路的脈沖加熱回流焊接 By Paul Brackell 本文介紹，零件設計與工藝過程指南。 脈沖加熱回流焊接 (pulse-heated reflow soldering)是一種工藝，將兩個預先上好助焊劑的、鍍錫的零件加熱到足以使焊錫熔化、流動的溫度，固化后，在零件與焊錫之間形成一個永久的電氣機械連接。與傳統(tǒng)的焊接相反，脈沖加熱回流焊接通過對每個連接使用一個熱電極加熱和冷卻來焊接。在整個加熱、回流和 冷卻周期內要施加壓力。脈沖加熱控制將能量傳送到安裝在回流焊接頭上的熱電極。附著在熱電極上的熱電偶為可重復的、持續(xù)的熱源控制提供反饋。 焊接頭將兩個零件直接接觸。以一個精確的壓力，頭發(fā)信號給控制器，開始熱電極的加熱循環(huán)。熱電極將熱傳導給零件，隨后的熱傳導將零件之間的焊錫熔化。熔化的區(qū)域開始流動，造成 兩群焊錫的接合。當控制器終止回流循環(huán)，在冷卻循環(huán)中零件繼續(xù)保持在一起，因此焊錫重新固化，形成焊點。一個好焊點應該是焊錫充分地結合兩個表面，在兩個零件表面發(fā)生熔濕 (wetting)。 電線元件 (Flex Component) 用于脈沖加熱回流焊接工藝的最常見類型的電線是由聚酰亞胺 (polyimide)制造的，也叫做“ Kapton”。兩層聚酰亞胺包膠銅跡線 (trace) - 一般 0.52 盎司 (ounce)。兩種最常見的銅導線是軋制韌化 (RA, rolled annealed)銅和電解沉淀 (ED, electrodeposited)銅；電解沉淀銅最有成本效益，被廣泛使用。銅跡線的厚度范圍是 0.00070.004 (0.020.10mm)。聚酰亞胺的可操作溫度范圍是 130200 C，可經(jīng)受高達 300 C 的短期焊接溫度。熱電極的溫度總是高于被熱電極加熱的零件溫度。在熱電極與焊點之間、橫 穿 Kapton 電線，可能發(fā)生 5080 C 的溫降，決定于厚度。電線 (flex)的厚度范圍是 0.0010.0047 (0.02540.12mm)。 在脈沖加熱回流焊接工藝的柔性電路上使用的三種常見類型的端子設計是： 暴露引線設計 (exposed lead design) - 這種設計將聚酰亞胺材料的兩面去掉，留下不 絕緣的跡線。熱電極直接接觸跡線，將熱傳導給零件。如果 PCB 焊盤與熱電極腳印尺寸正確，這種 設計 將容許一些多余的焊錫在焊盤上，因為焊錫可能流到開放的區(qū)域。在工藝過程中，焊錫也將熔濕跡線頂部。在處理零件時必須小心，因為跡線容易彎曲或損壞。 單面電線設計 (single-sided flex design) - 這種設計只從一面去掉聚酰亞胺。熱量從熱電極通過固體聚酰亞胺表面?zhèn)鲗У降紫卤┞兜嫩E線。聚酰亞胺通過絕緣體傳導熱量到暴露的跡線和 PCB焊盤。在焊接點區(qū)域的聚酰亞胺的厚度限制在 0.002，使得可 以熱傳導。如果聚酰亞胺必須加熱超過 260 C，可能造成表面燒傷和熱電極污染。這個設計不容許過多焊錫在 PCB 焊盤上，因為存在很少空間來過多流動。 開窗式電線設計 (open-windowed flex design) - 這種設計將焊接區(qū)域的兩面的聚酰亞胺去掉，但在邊緣和跡線尾端都有剩下的聚酰亞胺材料支持。該設計給予裝配一定的強度，并對較生硬的處理有彈性。因為跡線暴露，對零件的熱傳導是良好的，有額外的空間給剩余的焊錫流動。熱電極的尺寸是關鍵的，因為它必須適合窗口，并允許熔化的焊錫流動的空間。 電線與 PCB 跡線的尺寸 (Flex and PCB Trace Sizes) 理想地，柔性電路的焊盤應該比 PCB 上的 焊盤在寬度上更窄。隨著焊錫熔化、零件壓下，焊錫被擠到旁邊。該設計將允許焊錫在柔性焊盤的另一面流動的空間，將容許 PCB 上更多的焊錫，避免錫橋問題。 柔性電路上更小的焊盤寬度將幫助兩個零件的定位與對中。 對于密間距 (fine pitch)的應用， PCB 跡線的寬度設計成間距的50%。這種設計減少由于不對準所造成的短路。 通用基板零件設計指南 多數(shù) PCB 材料諸如 FR-2 和 FR-4 對于工藝期間的局部受熱是很有彈性的。象陶瓷基板這樣的材料必須以一種更受控的方式來加熱，以減少破裂的機會。兩個零件的散熱能力太大的差 距也可能引起冷卻期間的焊接破裂。 沿焊接點長度上的散熱差異是最常見的要克服的設計問題。小的差別影響也小，但沿焊接區(qū)域的任何熱質量改變都將引起溫度和焊接點質量的不一致。 散熱、焊盤區(qū)域設計問題，解決方案 熱可能很容易從焊接區(qū)域傳導到大的焊盤，如果位置太靠近焊接區(qū)域 (圖一 A)。加大的跡線寬度和電鍍的通孔從焊接區(qū)域吸走熱量 (圖一 B)。寬度減小的跡線就好象擋熱墻，阻止焊盤的任何散熱 (圖 一 C)。如果使用小跡線擋熱墻，沒有散熱存在的有效的最小面積是 0.08(0.2mm)(圖一 D)。相等尺寸的小跡線作擋熱墻 用，保證焊接區(qū)域相同的加熱。 從焊盤引出的跡線應該相同的寬度，盡可能地窄 (圖二 )。這種設計將起擋熱墻的作用，防止焊接期間過多的熱量從焊盤區(qū)域排走。對于多層板，將粘結區(qū)域下的跡線限制為最小寬度的 (信號 )跡線，在 PCB 的焊盤之下均勻地分布。 PCB 上任何屏蔽都在焊接區(qū)域有同等的影響。 PCB 焊盤的焊接要求 焊錫沉積的可重復性對達到良好的過程控制是關鍵的。在許多情況中可能要求試驗來獲得理想的焊錫量。一個良好的開始點是使用一塊 0.006的絲印模板， 40%的焊盤覆蓋面積。 PCB 焊盤上要求的焊錫數(shù)量取決于 幾個因素。焊盤尺寸與間距決定可施用的焊錫量的最大與最小，使用絲印模板工藝。模板印刷的焊錫在回流工藝之前應該熔合。小焊盤與小間距要求較少的焊錫，防止焊點形成錫橋。 電線 (flex)的設計也將影響焊錫量。開窗的電線和暴露的跡線的電線將得到比單面電線稍微較多的焊錫量。 熱電極尺寸與對零件的定位 熱電極應該按照焊盤和電線的尺寸來確定尺寸，如圖三所示。熱電極的長度必須完全覆蓋跡線，在每一邊超出至少一個焊盤間距。熱電極的寬度應該提供充分的熱傳導，以達到在最短的時間內完成焊接，因此消除對零件的溫度危害。熱電極 的寬度也應該接納足夠的空隙給熔化的焊錫位移，消除錫橋的任何機會。 熱電極的寬度 為了熱電極最好的熱性能和壽命，最小尺寸應該是 0.059。標準尺寸是 0.079，以達到更好的性能和壽命。在焊錫量沒有好 好控制或者空間受限制的地方，可以使用 0.047寬的熱電極，可是，熱電極的壽命與性能將減少。 電線 (flex)焊盤寬度 注意，電線焊盤短于 PCB 焊盤 (圖四 )，這樣方便焊點的檢查。 PCB 焊盤寬度 額外的寬度允許額外的焊錫和方便檢查。 PCB 焊盤大約是熱電極寬度的三倍。表一的尺寸只是指導性的?？赡芤笠?些試驗，因為焊錫量不同。 熱電極定位 當在暴露的或開窗的電線 (flex)上面定位熱電極時，熱電極不應該定位太靠近電線主體的邊緣 (圖五 )。一些柔性電路有較薄和較厚的涂層在其中等跡線兩面。如果是這樣，將跡線較薄的一面定位在 PCB 上，這將減少當熱電極推下跡線時熱電極損傷跡線的機會。 表一、建議熱電極的寬度 /焊盤長度與間距 PCB PCB 焊盤間距(mm/inches) 熱電極寬度(mm/inches) 焊盤長度(mm/inches) 0.8/0.031 1.5/0.059 4.5/0.177 1.2/0.047 1.5/0.059 4.5/0.177 1.4/0.055 2.0/0.079 5.0/0.197 1.5/0.059 2.5/0.098 5.5/0.217 1.6/0.069 2.5/0.098 5.5/0.217 1.8/0.071 2.5/0.098 6.0/0.236 2.0/0.079 3.0/.0118 6.0/0.236 3.0/0.119 3.0/0.118 6.0/0.236 熱電極制造、溫度特 性 現(xiàn)代線路腐蝕技術如 EDM和高級材料已經(jīng)允許精密設計的熱電極的制造，以適合大多數(shù)應用。三維的熱電極在表面周圍通過電流，因此，在跡線之間具有零電勢。在機器工藝中的這些技術進步產(chǎn)生在橫跨長度上的恒溫設計，專門的合金取得平整與共面性。焊錫將不會熔濕到使用的材料，它們對氧化是 有彈性的。 工具與零件定位 熱彈性的、高溫塑料如 peek(Kepton) 或 tuffnel 應該用在回流區(qū)域的下面，來防止從焊接區(qū)散熱。模具座應該完全平整，因為該工藝的質量決定于當施加熱電極壓力時達到熱量均勻分布。最好的表面 處理技術是用磨削來拋磨表面。如果可能，零件應該定位在與回流區(qū)靠近的定位銷上。經(jīng)常，電線 (flex)上的定位孔用銅跡線來加固，得到更好的強度與精度。如果不可能有定位孔，零件可以從方邊上定位和夾緊。因為電線 (flex)不是剛性 的，可能要求零件座中的真空孔來把它保持平整。對于密間距電線， X-Y 定位臺和相機系統(tǒng)可能是有用的。由于設計零件時尺寸上的誤差或批量與批量之間的變化，夾具是重要的。 準備 較常見的，兩個零件都要預先鍍錫。如果沒有，達到單面電線 (flex)與鍍金或錫的焊盤之間的熔濕還是可能的。兩個零件的基 礎電鍍經(jīng)常有足夠的焊錫達到單面電線的可靠焊點。 可是，多數(shù)電線設計將要求額外的焊錫，通常用絲印工藝來施用，預先回流。對于較密間距的應用，焊錫通常在回流之前通過熱空氣均勻。熱空氣均勻法 (hot air leveling)可使焊盤上的焊錫均勻分布，達到更好的熱傳導。這個方法也使在加熱條的壓力作用下的對位更容易保持。零件必須沒有灰塵，一般要清潔和沒有氧化。通常用助焊劑來保證清除任何氧化物障礙，以允許適當?shù)娜蹪癜l(fā)生。 助焊劑 助焊劑有兩個重要特性：把熱傳導給焊錫和通過清潔和除掉表面氧化物來促進表面熔濕 (wetting)。對于容易焊接的零件，脈沖加熱焊接工藝只要求少量非活性的助焊劑。通常使用免洗助焊劑。推薦使用低固含量的助焊劑，因為固體含量越低，熱電極的污染越少。在開始焊接工藝之前，應該允許任何有的溶劑干燥。 安全 脈沖加熱熱電極焊接工藝是安全的，因為當壓向零件時只有 加熱單元是熱的。另外，只需要很少數(shù)量的助焊劑，比傳統(tǒng)的焊接產(chǎn)生較少的煙霧。操作員在這個期間還應該防止碰到熱電極，也應該防止夾住的危險。 焊接方法：工藝步驟 基板放入夾具，助焊劑施加到焊盤。 電線定位在零件夾具內，保證兩套焊盤的對準。 給出工藝開始信號到焊接控制器。 焊接控制器驅動焊接頭和熱電極模塊到零件 以一個預設的壓力，開始加熱過程。 加熱過程 預熱 將一個長度達到 2的現(xiàn)代設計的熱電極加熱到焊接溫度需要大約兩秒鐘。在這期間，助焊劑活化，開始通過去掉氧化層來提高熔濕。預熱只是當過多的散熱片影響熱電極時使用，或者當應用了脆弱的基板如陶瓷需要以更加受控的方式加熱以避免破裂的時候。 升溫 升溫到焊接溫度的時間應該可編程，以允許精確的加熱率控制。當脆弱基板可容易地被太快的加熱率損壞時，這個特性特別有用。對于大多數(shù)熱電極一般的升 溫時間為 1.52 秒。 回流 實際時間與溫度可以在這個階段編程控制。理想地，可編程 時間為 0.1 秒遞增，溫度為一度的遞增。通常，對于用直接熱電極接觸到零件的開放式焊點，溫度設定點為 280330 C。雖然正常的焊錫在 180 C 回流，熱電極必須設定更高，因為熱傳導損失。一個典型的單面電線將要求 330400 C，由于在Kapton材料內的溫度損失。用最少的時間和溫度來達到所希望的焊接點，以減少零件對熱的暴露和損壞的機會。 冷卻 冷卻是一個可編程溫度，在這一點，控制器將驅動頭到上面的位置。這個 溫度將設定到剛好在焊錫的固化溫度之下。因此，只要焊錫變成固體，過程即終止，焊點形成。冷卻過程可用強制空氣冷卻來縮短。電源供應可編程來觸發(fā)一個繼電器，這個繼電器是控制回流階段結束時的空氣流動和迅速冷卻焊接點與熱電極。因為多數(shù)連接都有相對高的散熱，焊錫的溫度比測量的熱電極的溫度較低，甚至當使用冷卻空氣時。因此，在大多數(shù)情況下，釋放溫度可以設定在 180 C，而沒有機會碰到干焊點。 力的控制和簡單系統(tǒng)的例子 多數(shù)這類回流焊點要求少于 20 磅的壓力。壓力必須精確控制。應該校準，設定到正確的水平，以達到適當?shù)臒醾鲗?到達焊接點。熱電極安裝應該包括共面性調整，或者頭本身易于安裝?，F(xiàn)代設計有或者氣動或者馬達驅動裝置，熱電極冷卻的內置閥。許多頭結構上是模塊式的，因此，對定位與半自動夾具都是通用的。線性滑動允許零件從焊接區(qū)域的安裝與卸裝。對于高產(chǎn)量的 生產(chǎn)可能寧可使用旋轉式工作臺系統(tǒng)，因為操作員可在一套零件正在焊接的同時裝載另一套零件。 質量控制與檢查 當焊點冷卻時維持壓力，減少干焊點 (dry joint)的可能性。熱電極的壓印應該在焊接點上看到，甚至寬度與長度。視覺跡象應該顯示回流已經(jīng)發(fā)生，當零件撕開時結果焊點應該在焊接 區(qū)域有顆粒狀外形。焊盤到板或電線的熔焊或脫層不應該明顯。在使用單面電線的地方，在聚酰亞胺的上面可能有記號或變色，但不應該看到燒結或分離。助焊劑殘留物可以在回流過程之后清潔。免洗、低殘留助焊劑不要求焊后清潔。 溫度與時間過程數(shù)據(jù)可以從控制器收集，以圖表格式顯示，以說明過程的穩(wěn)定性。 過程維護 要求零件夾具清潔度的維護，以保證零件繼續(xù)平齊地坐入底座。熱電極的定期維護也是必要的，以防止烤焦的助焊劑的積累。使用助焊劑溶劑或用很細的金剛砂或研磨紙放置在平的剛性表面清洗熱電極，將維持對零件的良好的熱傳導。不要 圓整熱電極的邊或損壞平整性。在對那些熱電極直接定位在與焊錫接觸的引腳上的焊接過程和對那些熱電極接觸 Kapton 表面的焊接過程的熱電極污染之間有明顯的不同。在第一種情況，污染與熱電極磨損是高得多的，清潔必須定期進行。熱電偶節(jié)點連接必須保持清潔和整齊，以保證可重復的溫度控制。熱電偶類型 K 與 E 不受 助焊劑腐蝕，但 J 型可能被侵蝕。 結論 如果遵循某種基本的設計規(guī)則，將柔性電路焊接到 PCB 的脈沖加熱熱電極回流焊接是一個穩(wěn)定的和很好控制的工藝過程。這些規(guī)則不同于應用于傳統(tǒng)焊接工藝的規(guī)則。通過焊點設計提供容易和均等的 熱量產(chǎn)生，工藝窗口可以實際上更寬。窗口甚至可以通過一個設計增加更多，該設計接納焊錫流動和可以補償在前面工藝步驟中的變化。良好的焊點設計和可重復的焊錫量的精密控制是生產(chǎn)成功的關鍵。對產(chǎn)品小型化和減少重量的日益增長的需求是電子工業(yè)柔性電路使用增加的主要驅動力。今天的對熱電極焊接工藝的控制為這個增長市場的內連接需求提供一個適于生產(chǎn)的、可靠的解決方案。 開發(fā)通孔回流焊接工藝 By R. Glenn Robertson and Nathalie Nguyen 本文介紹：“通孔回流焊接工藝消除許多混合 技術 PCB 的波峰焊接的需要。” 在過去三到四年期間，美國 Alcatel 公司 (Richardson, TX)已經(jīng)在作消除對盡可能多的混合技術 PCB的波峰焊接需要的工作。減少波峰焊接的計劃已經(jīng)提供了成本與周期時間的重要改善。 通孔回流焊接工藝的實施已經(jīng)是該計劃的一個必要部分。該工藝涉及在通孔 (through-hole)元件要插位置印刷錫膏。這些元件然后在表面回流焊接爐之前安裝，并與其它元件一起焊接。適合該工藝的元件 類型包括針柵陣列 (PGA, pin grid array)、 DIP(dual in-line package)和各種連接器。 初始結果 能力分析 (capability studies) Alcatel 公司的工藝質量標準對所有通孔元件一直要求至少75%的通孔填充。焊接工業(yè)標準 J-STD-001 B1 (第三類應用 )要求垂直填充至少 75%，并明顯有良好的熔濕。計算顯示，假設將孔的尺寸從波峰焊接和手工焊接正常使用的減少， 0.007的模板可提供足夠的焊錫滿足這些要求。 通過使用一種為新工藝重新設計的波峰焊接產(chǎn)品電路板，對回流焊接爐提供必要溫度曲線的能力進行了研究。該電路板是 10x15.2 ，厚度 0.093，安裝一個 47-mm2 的陶瓷 PGA，以及一些典型的標準與密間距的表面貼裝元件。該爐子是標準的帶有氮氣的強制對流型的。 圖一顯示得到的溫度曲線。板上所有的點都在錫膏供應商對峰值溫度和回流以上時間的規(guī)格內。 PGA 引腳的溫度實際上是 兩面相同的，盡管有元件的熱質量 (thermal mass)。小型表面貼裝電阻與 PGA 引腳之間的峰值溫度之差只有 9 C 初始實施 當工藝在產(chǎn)品電路板實施時，遇到許多的問題。由于焊錫對引腳的分布不均，有時要求焊接點的返工。有些引腳特別少錫，而相 鄰的引腳又多錫。其它的情況，大的錫“塊”保留在引腳端上，因此由于孔內少錫而要求手工的補焊。最后，舊的電路板經(jīng)常通孔太大，用 0.007厚度的模板不能充滿 75%的焊錫。沒有考慮用更厚的模板，因為使用了 0.020間距的表面貼裝元件。 對表面貼裝裝配過程的觀察發(fā)現(xiàn)，為通孔元件印刷的錫膏有時會在元件貼裝所要求的時間內塌落 (slump)，使得錫膏沉積跑到一起，或相互“匯合” (圖二 )。這些電路板的模板具有 0.090或0.092方形開孔，用來提供盡可能最大的錫膏量。這些開孔只允許 0.0080.010的錫膏 沉積之間的間隔，因為元件引腳之間的間距為 0.100。 回流焊接后對板的檢查證實，放在匯合的錫膏沉積中的連接器幾乎總會出現(xiàn)焊錫“搶奪”的效果，造成引腳之間焊錫分布不均勻。如果保持了錫膏沉積之間的分離，引腳的焊錫分配就會一致。 這些觀察提出了許多問題。特別是，錫膏沉積 (模板網(wǎng)格 )之間的分離怎樣達到最佳以避免匯合，同時又提供最大的錫量以形成焊接點？我們還不了解阻焊 (solder mask)開口的幾何形狀對引 腳之間焊錫分布的影響，如果有的話；需要更好的了解來促進回流期間焊錫從引腳端回到通孔內的運動。最后， 在基 本問題上還需要數(shù)據(jù)，多少焊錫、或多少百分比的孔內填充需要用力提供可靠的機械與電氣的連接？ 試驗程序 設計 使用專門的試驗板，建立一個試驗程序；有些試驗也在產(chǎn)品板上進行。使用 10 個引腳的直線插座 (in-line socket)，通常用于混合包裝，作為將要焊接的元件；設計出試驗板。引腳直徑是0.019，間距 0.100，錫 /鉛表面涂層。訂購的插座引腳長度為0.120和 0.180。 0.120引腳的基體金屬為紫銅 (copper)，而 0.180引腳為黃銅 (brass)。 0.120引腳長度用 于所有不涉及拉力試驗的應用，假設名義引腳的背部突出對 0.062厚度的板和 0.093的板分別 0.058和 0.027。 在用于拉力試驗的插座上，插座每一端的一個引腳向外彎曲，提供拉力試驗夾具所要求的離板高度 (standoff)。 0.120長的引腳用于在 0.062厚板上的拉力試驗，留下大約 0.0100.020的引腳突出。 0.180的引腳主要用于 0.093厚板上的拉力試驗，靠外引腳彎曲以提供 0.0300.040的突出。焊接之后，每個插座的引腳被分出來用于拉力試驗，使用手磨工具將塑料殼 從引腳去掉。 表一、試驗板與模板設計 板的材料 FR-4 厚度 0.062, 0.093 板的表面涂層 HASL, LPI 阻焊層 通孔直徑 0.028 焊盤直徑 0.050 阻焊層開口 (標準圓形 ) 0.058 直徑 模板開孔 0.040,0.050,0.060,0070,0.080, 0.085和 0.090方形 阻焊層開口 (特殊方形 ) 0.072, 0.077, 0.082 對方形阻焊開口的模板開孔 0.080, 0.085, 0.090分別 表一列出板與錫膏模板設計的詳細數(shù)據(jù)。包括了各種尺寸的方形阻焊層開口和標準的圓形開口，來評估阻焊層開口對“搶奪(robbing)”的效果。錫膏模板的厚度為 7-mil。對方形阻焊開口的模板開孔比阻焊開口大 0.008，以得到印刷期間良好的“密封(gasketing)”。對標準圓形開口的焊盤開孔覆蓋了 0.0400.090的范圍，對應于 0.062厚板的 36%185% 和 0.093板的 24%123%的計算通孔填充量。 試驗步驟 試驗板的裝配 試驗板用 標準的 Bellcore 檢定的免洗錫膏印刷。所有錫膏沉 積物在印刷之后馬上在四倍放大鏡下進行視覺檢查。將用于拉力試驗的插座放在各種提供所希望的通孔填充量的位置。其它插座用來評估由于錫膏匯合所引起的“搶奪”效果。通過在插座安裝后馬上故意的使插座引腳污染錫膏，來模擬這個效果。使用帶氮氣的強制對流爐來進行回流焊接，使用錫膏供應商所推薦的回流曲線。 視覺評估 完成的板使用 735 倍的立體顯微鏡來檢查。印刷于阻焊層上的錫膏全部流到通孔孔內，因此沒有形成錫球。搶奪效果的嚴重程度與回流前錫膏的匯合程度有關。阻焊層開口 的尺寸與形狀似乎很少或者沒有影響。 0.085或更小的錫膏沉積通常不容易產(chǎn)生搶奪作用，因為很難出現(xiàn)引腳尖的錫膏污染。 孔內焊錫分布是通過有代表性的電路板截面來評估的。除了一些放在 0.093厚度的板中的引腳有 24%的焊錫填充量之外，所有回流焊接的引腳 (圖三 )都顯示引腳整個周圍的焊錫熔濕(wetting)。對一些極其少錫的焊接點，幾乎所有的焊錫保持在引腳與通孔的接觸點上 (圖四 )，并且沒有形成引腳周圍一整圈。 拉力試驗 試驗板分開成 2x4.5的小板，進行拉力試驗。一個特制的鉤狀夾爪安裝在測試機的 橫臂上，然后鉤在要測試的引腳肩下。 表二、通孔回流焊接拉力試驗結果 PCB 厚 充 引腳 熱沖擊 平均斷 標準偏 最小斷 失效方 度 滿 % ( 計算值 ) 材料 循環(huán) 裂力 (磅 ) 差 (磅 ) 裂力 (磅 ) 式 0.062 波峰焊接 紫銅 0 19.5 0.6 18.3 所有針斷 0.062 手工焊接 紫銅 0 17.5 1.9 15.3 所有針斷 0.062 36 紫銅 0 13.9 0.8 12.8 所有針斷 0.062 36 紫銅 100 14.0 0.4 13.7 所有針斷 0.062 36 紫銅 500 13.6 0.5 13.1 9 針斷1 針出 0.062 36 紫銅 1000 13.6 0.6 13.2 所有針斷 0.062 146 紫銅 0 13.7 0.5 13.2 所有針斷 0.062 146 紫銅 100 14.5 0.9 13.1 所有針斷 0.062 146 紫銅 500 14.2 0.7 13.3 所有針斷 0.062 146 紫銅 1000 14.0 0.5 13.6 所有針斷 0.093 波峰焊接 黃銅 0 19.8 1.9 16.0 所有針斷 0.093 手工焊接 黃銅 0 20.9 1.0 19.5 9 針斷1 針出 0.093 24 黃銅 0 20.4 1.0 18.0 所有針斷 0.093 24 黃銅 100 19.2 1.5 16.5 5 針斷5 針出 0.093 24 黃銅 500 18.5 2.4 15.5 所有針出 0.093 24 黃銅 1000 19.1 1.9 15.0 所有針出 0.093 97 黃銅 0 20.6 1.3 18.5 所有針斷 0.093 97 黃銅 100 21.4 0.6 20.5 所有針斷 0.093 97 黃銅 500 20.1 1.3 17.8 8 針斷2 針出 0.093 97 黃銅 1000 20.3 1.1 18.0 所有針 斷 表二總結了拉力試驗的 結果。初始的試驗是在手工焊接和波峰焊接的引腳上，形成一個基線。除了一種情況之外，全部的引腳都是以傳統(tǒng)的拉力失效形式斷裂，沒有明顯的焊點變形。然后試驗回流焊接的引腳。在 0.062厚的板上、低至 36%與高至 146%通孔填充的焊接點沒有發(fā)現(xiàn)明顯的焊錫變形。都是引腳斷裂。手工焊接引腳的斷裂強度更高是由于焊錫熔濕到引腳肩部的整個長度。 在有 24%97%通孔填充的 0.093厚的板上的焊點試驗產(chǎn)生相同的結果。這些引腳是黃銅，而不是紫銅，大約高出 36 磅的斷裂力。 然后板放在空對空 (air-to-air)的熱 沖擊室內作加速老化。溫度周期的組成是， 9 分鐘 85 C，接著 11 分鐘 -40 C。溫度轉變速度是每分鐘 88 C 冷卻和每分鐘 115 C 加熱。 在 100 次溫度循環(huán)之后的拉力試驗結果顯示很少的變化，除了在 0.093厚的板上只有 24%的焊錫填充的引腳之外。這些焊接點的一半是通過把引腳拉出焊錫而失效的，但是最少的斷裂力還是 16.5 磅。焊接點的強度雖著進一步的加速老化而逐漸下降，因此拉出的失效多過引腳斷裂。 附加試驗 在前面的研究中注意到焊錫在引腳端形成“焊錫滴”的趨勢2,3。使用 0.093厚度的板對這個效 果作進一步的研究。有 0.180 焊錫尾的插座放置在印刷與標準焊盤上的 0.085的錫膏方塊內。一些插座完全座落，產(chǎn)生大約 0.087的引腳突出。其它插座進行調節(jié)以產(chǎn)生一個離板高度，留下大于 0.0200.030的引腳突出。圖五與圖六顯示該結果。在較長引腳上的錫膏分散在較大的面積上，不能移上到引腳上以形成與 PCB 可接受的焊接點。 討論 焊接點強度 拉力試驗結果證實了適當?shù)鼗亓鞯暮附狱c，甚至最小的焊錫填充量 (通常 3040%)，具有很高的機械強度，甚至在加速老化之后。這些結果與在最佳時間與溫 度條件下形成的通孔焊接點是一致的，通孔焊點具有比表面貼裝焊點相對較大的表面積。 加速老化是發(fā)現(xiàn)了焊接點強度的一點下降。這個作用在0.093的伴隨特別明顯，主要由于用于較厚板的黃銅引腳的較高強度。由于溫度疲勞引起的焊接點強度的下降是一個復雜的現(xiàn)象4,5。在任何情況中，焊接點要保持足夠的強度，要有超過 1000次溫帶沖擊循環(huán)的可靠性。 設計上的考慮 在為通孔回流焊接設計一個裝配時，必須考慮到許多因素。首先，必須用引腳形狀、通孔直徑和板的厚度來計算要用錫焊錫填充的體積。然后可以計算出達到通孔填充百分比 所需要的錫膏量，估計錫膏內金屬的體積含量大約為 50%。錫膏可得到的量受到模板厚度、通孔引腳間距和錫膏沉積物之間所要求的最小間隔 的限制，錫膏最小間隔將防止裝配過程中錫膏塌落而相互接觸。 因為許多通孔回流元件不適合機器貼裝，通孔必須足夠大，有助于手工安裝。通孔尺寸的上限是由可得到錫膏的量來決定的。多數(shù)裝配制造商使用的“現(xiàn)實世界”的兼顧尺寸是，通孔直徑比引腳尺寸 (直徑或對角線 )大大約 0.010。應該規(guī)定引腳長度，以產(chǎn)生板的底面最小所允許的突出高度。元件最大允許長度將決定于板的厚度、可得到的錫量、和引腳表面涂 層，并且必須經(jīng)常對一個給定的板用試驗的方法決定。 最后，注意現(xiàn)有的有關通孔填充的裝配工藝標準是基于上錫的工藝過程，在該過程中焊錫供應是無限的，通孔填充不完整通常表示工藝或元件的可能負面影響可靠性的問題 6。這個假設不適合于通孔回流焊接工藝，因為每個焊點可得到的焊錫供應是有限的。焊錫填充程度不可以用來指示良好的可焊性。 回流焊點的不同外表，不是拒絕或返工的理由。工藝標準應該談到對每個引腳的焊錫均勻分布和引腳與通孔的適當?shù)暮稿a熔濕。 結論 通孔元件的回流焊接是將這些元件結合到表面 貼裝工藝的一個有吸引力的工藝方法。通過適當?shù)脑O計與過程控制，回流焊接點的品質與可靠性將可以與通過傳統(tǒng)替代工藝所形成的焊接點相媲美。一個高效的工藝過程將要求對板與元件的仔細開發(fā)的設計指南，工藝標準必須與工藝特征相協(xié)調。 穿孔回流焊一種新型焊接技術 在傳統(tǒng)的電子組裝工藝中，對于安裝有過孔插裝元件（ THD）印制 板組件的焊接一般采用波峰焊接技術。但波峰焊接有許多不足之處：不適合高密度元件焊接；橋接、漏焊較多；需噴涂助焊劑；印制板受到較 大熱沖擊翹曲變形。因此波峰焊接在許多方面不能適應電子組裝技術的發(fā)展 。 為了適應表面組裝技術的發(fā)展，解決以上焊接難點的措施是采用穿 孔回流焊 PIHR（ p in in h ole ref lo w）。該技術原理是在印制板完成貼片后，使用一種安裝有許多針管的特殊模板，調整模板位置使 針管與插裝元件的過孔焊盤對齊，然后使用刮刀將模板上的錫膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件一起通過回流焊完成焊接。穿孔回流焊的優(yōu)越性在于：首先是減少了工序，省去了波峰焊這道工序，在費用上自然可節(jié)省不少，同時也減少了所需的工作人員，在效率上也得到了提高；其次回流焊相對于波峰焊， 產(chǎn)生橋接的可能性要小得多，這樣就提高了一次通過率。 穿孔回流焊相對傳統(tǒng)工藝在經(jīng)濟性、先進性上都有很大優(yōu) 勢。目前日本 SONY 公司有在 1 2 年內以穿孔回流焊全面代替波峰焊的計劃，而我國生產(chǎn)調諧器的企業(yè)和高技術、高附加值的一些通信產(chǎn)品已率先使用 PIHR 工藝，預計不遠的將來這項新技術將會得到普遍采用。 下一代的回流焊接技術 By Hiro Suganuma and Alvin Tamanaha 本文介紹，世界范圍內無鉛錫膏的實施出現(xiàn)加快，隨著元件變得更加形形色色，從大的球柵陣列 (BGA)到不斷更密 間距的零件，要求新的回流焊接爐來提供更精確控制的熱傳導。 表一、典型的無鉛焊錫特性 合金 熔點 蠕變強度 熔濕 熱阻 Sn/3.5Ag 216221C 良好 一般 良好 Sn/3.5Ag/0.7Cu 共晶 Sn/3.5Ag/4.8Bi Sn/5.8Bi 139200C 一般 一般 良好 Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5Cu Sn/0.7Cu 227C 一般 ？ ？ Sn/9.0Zn 190199C 良好 一般 良好 Sn/8.0Zn/3.0Bi 共晶 表一與表二列出了典型的無鉛 (lead-free)錫膏 (solder paste)的特性和熔濕 (wetting)參數(shù)。顯示各種無鉛材料 (不包括那些含鉍 )的主要金屬成分和特性的表一，揭示它們具有比傳統(tǒng)的 Sn/Pb 錫膏