繁體中文  
设为首页
加入收藏
欢迎光临SMT技术天地网站,今天是:
Surface Mount Technology
    表面贴装技术:一种现代的电路板组装技术,它实现了电子产品组装的小型化、高可靠性、高密度、低成本和生产自动化。目前,先进的电子产品特别是在计算机及通讯类电子产品组装中,已普遍采用表面贴装技术。本网站主要介绍有关表面贴装技术的基础知识,生产设备,工艺流程,行业质量标准,探讨常见工艺质量问题,发布技术发展新动态及最新的技术文章,同时也介绍电子制造业的其它技术。
 
== 本网站栏目介绍 ==
网 站 首 页
    SMT技术天地网站,由来自深圳的阿红管理,为大家服务。
生 产 前 线
    这里主要介绍SMT基础知识,工艺流程以及SMT 技术新动态。
技 术 文 章
    这里有许多有关SMT技术方面的文章,可要常来看看哟!
会 员 天 地
    SMT从业朋友探讨问题,相互交流的好去处,欢迎您的到来。
联 系 我 们
    您有好的建议或是需要我们的帮助,请联系我们吧!
焊接(Soldering)

By Phil Zarrow

  回流焊接表面贴装元件现在有二十年之久了。虽然基本理论没有改变,但在元件包装和材料方面已经有进步,再加上新一代的、“对流为主(convection-dominant)”的、极大改善热传导效率的回流炉。

  大规模的回流焊接,特别是在对流为主的(强制对流forced convection),以及激光和凝结惰性的(condensation-inert)(即汽相Vapor phase)焊接中,在可见的未来将仍然是大多数表面贴装连接工艺的首选方法。尽管如此,新的装配工艺和那些要求整个基板均匀加热、温度变化很小、高的温度传导效率的新应用技术,在促进对流为主的回流焊接的进化。无数的因素,包括增加的装配复杂性、更新的互连材料和环境考虑,结合在一起对工艺和设备提出了额外的要求。更快更经济地制造产品,这个持之以恒不断增长的要求驱动这一切的前进。

  回流焊接温度曲线

   作温度曲线(profiling)是确定在回流整个周期内印刷电路板(PCB)装配必须经受的时间/温度关系的过程。它决定于锡膏的特性,如合金、锡球尺寸、金属含量和锡膏的化学成分。装配的量、表面几何形状的复杂性和基板导热性、以及炉给出足够热能的能力,所有都影响发热器的设定和炉传送带的速度。炉的热传播效率,和操作员的经验一起,也影响反复试验所得到的温度曲线。

   锡膏制造商提供基本的时间/温度关系资料。它应用于特定的配方,通常可在产品的数据表中找到。可是,元件和材料将决定装配所能忍受的最高温度。

   涉及的第一个温度是完全液化温度(full liquidus temperature)或最低回流温度(T1)。这是一个理想的温度水平,在这点,熔化的焊锡可流过将要熔湿来形成焊接点的金属表面。它决定于锡膏内特定的合金成分,但也可能受锡球尺寸和其它配方因素的影响,可能在数据表中指出一个范围。对Sn63/Pb37,该范围平均为200 ~ 225°C。对特定锡膏给定的最小值成为每个连接点必须获得焊接的最低温度。这个温度通常比焊锡的熔点高出大约15 ~ 20°C。(只要达到焊锡熔点是一个常见的错误假设。)

   回流规格的第二个元素是最脆弱元件(MVC, most vulnerable component)的温度(T2)。正如其名所示,MVC就是装配上最低温度“痛苦”忍耐度的元件。从这点看,应该建立一个低过5°C的“缓冲器”,让其变成MVC。它可能是连接器、双排包装(DIP, dual in-line package)的开关、发光二极管(LED, light emitting diode)、或甚至是基板材料或锡膏。MVC是随应用不同而不同,可能要求元件工程人员在研究中的帮助。

   在建立回流周期峰值温度范围后,也要决定贯穿装配的最大允许温度变化率(T2-T1)。是否能够保持在范围内,取决于诸如表面几何形状的量与复杂性、装配基板的化学成分、和炉的热传导效率等因素。理想地,峰值温度尽可能靠近(但不低于)T1可望得到最小的温度变化率。这帮助减少液态居留时间以及整个对高温漂移的暴露量。

   传统地,作回流曲线就是使液态居留时间最小和把时间/温度范围与锡膏制造商所制订的相符合。持续时间太长可造成连接处过多的金属间的增长,影响其长期可靠性以及破坏基板和元件。就加热速率而言,多数实践者运行在每秒4°C或更低,测量如何20秒的时间间隔。一个良好的做法是,保持相同或比加热更低的冷却速率来避免元件温度冲击。

Fig. 1 traditional reflow profile  图一是最熟悉的回流温度曲线。最初的100°C是预热区,跟着是保温区(soak or preflow zone),在这里温度持续在150 ~ 170°C之间(对Sn63/Pb37)。然后,装配被加热超过焊锡熔点,进入回流区,再到峰值温度,最后离开炉的加热部分。一旦通过峰值温度,装配冷却下来。

  温度热电偶的安装

   适当地将热电偶安装于装配上是关键的。热电偶或者是用高温焊锡合金或者是用导电性胶来安装,提供定期检测板的温度曲线精度和可重复性的工具。对很低数量的和高混合技术的板,也可使用非破坏性和可再使用的接触探头。

   应该使用装配了元件的装配板来通过炉膛。除非是回流光板(bare board),否则应该避免使用没有安装元件的板来作温度曲线。热电偶应该安装在那些代表板上最热与最冷的连接点上(引脚到焊盘的连接点上)。最热的元件通常是位于板角或板边附近的低质量的元件,如电阻。最冷的点可能在板中心附近的高质量的元件,如QFP(quad flat pack)、PLCC(plastic leaded chip carrier)或BGA(ball grid array)。其它的热电偶应该放在热敏感元件(即MVC)和其它高质量元件上,以保证其被足够地加热。

   如果用前面已经焊接的装配板,则必须从那些热电偶将要安装的连接点上去掉焊锡。因为板可能是用Sn63/Pb37焊接的,而现在将要用Sn10/Pb90,用后者来简单焊接热电偶将会产生一种“神秘”合金,或者一种不能维持测试板所要求的多个温度变化的合金。在去掉老的焊锡后,用少量助焊剂,跟着用少量而足够的高温焊锡。如果用导电性胶来安装热电偶,同样的步骤去掉下面的Sn63/Pb37(或其它合金)。这是为了避免破坏热电偶的胶合附着,从而可能导致回流期间的托焊。

   推荐使用K型、30 AWG 的热电偶线,最好预先焊接。在安装之后,热电偶引线引到PCB装配的后面(相对行进方向)。有人宁愿用一个接头接在热电偶引线的尾沿。这样测量设备可很快连接和分开。开普敦(Kapton)胶带(一种耐高温胶带)用来在适当位置固定热电偶的引线。

   多数回流机器装备有机上作温度曲线的软件,允许热电偶引线插在炉子上,实时地从系统显示屏幕上跟踪。有人宁愿使用数据记录设备,和测试装配板一起从炉中通过,以可编程的时间间隔从多个热电偶记录温度。这些系统是作为“运行与读数(run-and-read)”或数据发送单元来使用的,允许实时地观察温度曲线。对后者,系统必须不受射频干扰(RFI, radio frequency interference)、电磁干扰(EMI, electromagnetic interference)和串扰(crosstalk)的影响,因此当来自发射机的数据还没有来时,不会去“猜测”温度。不管用哪一种数据记录器,定期的校准是必要的。

  渐升式温度曲线(Ramp profile)

Fig.2 An RMA reflow profile  保温区(soak zone)有热机械的(thermomechanical)重要性,它允许装配的较冷部分“赶上”较热部分,达到温度的平衡或在整个板上很低的温度差别。在红外(IR, infrared)回流焊接开始使用以来,这个曲线是常用的。在加热PCB装配中,SMT早期的红外与对流红外炉实际上缺乏热传导能力,特别是与今天的对流为主的(convection-dominant)炉相比较。这样,锡膏制造商们配制它们的几乎松香温和活性(RMA, rosin mildly active)材料,来满足回流前居留时间的要求,尝试减少温度差别(图二)。

另一方面,以对流为主要热机制的对流为主的(convection-dominant)炉通常比其前期的炉具有高得多的热传导效率。因此,除非装配的元件实在太多,需要保温来获得所希望的温度差别,否则回流前的保温区是多余的,甚至可能是是有害的,如果温度高于基板玻璃态转化温度(substrate glass-transition)Tg的时间过长。Fig.3 The ramp reflow profile在大多数应用中,渐升式温度曲线(ramp profile)是非常好的(图三)。尽管有人认为锡膏助焊剂配方要求回流前保温(preflow soak),事实上,这只是为了能够接纳那些老的、现在几乎绝种的、对流/IR炉技术。

   一项最近的有关锡膏配方的调查显示,大多数RMA、免洗和水溶性材料都将在渐升式温度曲线上达到规定要求1。事实上,许多有机酸(OA, organic acid)水溶性配方地使用的保温时间也要尽可能小 — 由于有大量的异丙醇含量作为溶剂,它们容易很快挥发。

   在使用渐升式温度曲线(ramp profile)之前,应该咨询锡膏制造商,以确保兼容性。虽然一些非常量大或复杂的PCB装配还将要求回流前的保温,但大多数装配(即,那些主要在线的)将受益于渐升式温度曲线(ramp profile)。事实上,后者应该是如何锡膏评估程序中的部分,不管是免洗,还是水溶性。

  氮气环境

   一个焊接的现有问题是有关在回流焊接炉中使用氮气环境的好处。这不是一个新问题 — 至少一半十年前安装的回流炉被指定要有氮气容器。而且,最近与制造商的交谈也显示还有同样的比例存在,尽管使用氮气的关键理由可能现在还未被证实。

   首先,重要的是理解使回流环境惰性化是怎样影响焊接过程的。焊接中助焊剂的目的是从要焊接的表面,即元件引脚和PCB焊盘,去掉氧化物。当然,热是氧化的催化剂。因为,根据定义,热是不可能从基本的温度回流焊接过程中去掉的,那么氧 — 氧化的另一元素 — 通过惰性的氮气的取代而减少。除了大大地减少,如果没有消除,可焊接表面的进一步氧化,这个工艺也改善熔锡的表面张力。

   在八十年代中期,免洗焊锡膏成为可行的替代品。理想的配方是外观可接受的(光亮的、稀薄的和无粘性的)、腐蚀与电迁移良性的、和足够薄以致于不影响ICT(in-circuit test)针床的测试探针。残留很低的锡膏助焊剂(固体含量大约为2.1 ~ 2.8%)满足前两个标准,但通常影响ICT。只有固体含量低于2.0%的超低残留材料才可看作与测试探针兼容。可是,低残留的好处伴随着低侵蚀性助焊剂处理的成本代价,需要它所能得到的全部帮助,包括回流期间防止进一步氧化的形成。这个要用氮气加入到回流过程来完成。如果使用超低残留焊锡膏,那么需要氮气环境。可是,近年来,也可买到超低残留的焊锡膏,在室内环境(非氮气)也表现得非常的好。

   原来的有机可焊性保护层(OSP, organic solderability preservative)在热环境中有效地消失,对双面装配,要求氮气回流环境来维持第二面的可焊性。现在的OSP也会在有助焊剂和热的时候消失,但第二面的保护剂保持完整,直到印有锡膏,因此回流时不要求惰性气体环境。

   氮气回流焊接的最古老动机就是前面所提到的改善表面张力的优点,通过减少缺陷而改善焊接合格率即是归功于它。其它的好处包括:较少的锡球形成、更好的熔湿、和更少的开路与锡桥。早期的SMT手册提倡密间距的连接使用氮气,这是基于科学试验得出的结论。可是,这测试是实验室的试验,即,“烧杯试验”与实际生产的关系,没有把使用氮气的成本计算在内。

   应该记住,在过去十五年,炉的制造商已经花了许多钱在开发(R&D)之中,来完善不漏气的气体容器。虽然当使用诸如对流为主的(convection-dominant)这类紊流空气时,不容易将气体消耗减到最小,但是有些制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消耗,已经达到非常低的氧气水平。这样做,他们已经大大地减低了使用氮气的成本。

   随着连接的密度增加,过程窗口变小。在这个交接口,在有CSP(chip scale package)和倒装芯片(flip chip)的应用中使用氮气是很好的保证。

  双面回流焊接

   人们早就认识到的SMT的一个优点是,元件可以贴装在基板的两面。可是,问题马上出现了:怎样将前面回流焊接的元件保持在反过来的一面上完好无损,如果第二面也要回流焊接?人们已经采取了无数的方法来解决这个困难:

  • 一个方法是有胶将元件粘在板上,这个方法只用于波峰焊接无源元件(passive component)、小型引脚的晶体管(SOT)和小型引脚集成电路(SOIC)。可是,这个方法涉及增加步骤和设备来滴胶和固化胶。
  • 另一个方法是为装配的顶面和底面使用两种不同的焊锡合金,第二面的锡膏的熔点较低。
  • 第三个方法是企图在炉内装配板的顶面和底面之间产生一个温度差。可是,由于温度差,基板Z轴方向产生的应力可能对PCB结构,包括通路孔和内层,有损耗作用。在有些应用中,虽然这种应力可能是有名无实的,但还是需要小心处理。
  • 事实上,有更实际的解决办法。人们不要低估熔化金属的粘性能力 — 它远比锡膏的粘性强。 记住这一点,元件绑解的表面积越大,保持它掉落的力就越大。

  为了决定哪些元件可用作底面贴附与随后的“回流”,导出了一个比率,评估元件质量与引脚/元件焊盘接触面积之间的关系2

元件重量(克)
焊盘配合的总面积(平方英寸)

  这里,第二面的每平方英寸克必须小于或等于30。

  侵入式焊接(Intrusive Soldering)

   波峰焊接是一个昂贵的工艺,因为伴随着越来越多的对其废气排放的研究 — 这也是工业为什么要减少波峰焊接需求的一个理由。另一个理由是随着表面贴装元件(SMD)的使用,放用回流焊接传统通孔元件(特别是连接器)的兴趣越来越多。取消波峰焊接不仅经济上和制造上有好处,而且消除了一个处理中心,通过减少周期时间和占地面积使得装配线更流畅。从工艺观点来看,PCB减少一次加热过程,这一点对潜在的温度损害和金属间增长是很重要的。

   侵入式焊接(即通孔回流through-hole reflow、单中心回流焊接single-center reflow soldering、引脚插入锡膏pin-in-paste,等)是一个表面贴装和通孔元件都在回流焊接系统中焊接的工艺。采用该工艺可减少波峰和手工焊接。这不是一个“插入式(drop-in)”的工艺 #151; 因为沉积的焊锡用来连接SMD和传统两种元件,控制锡量是必须的。

   有人用模板(stencil)来将锡膏印刷到孔内。这里,小心是很重要的,以保证插入的通孔元件引脚不会带走太多的锡膏。其它的使用者将焊锡预成型结合到工业中,来提供足够的锡量给插入的元件。可是,这是一个昂贵的选择,并且不太适合于自动过程。一个更先进的方法是调节围绕电镀通孔周围的焊盘直径与几何形状。最主要的问题是多少锡量才达到“足够的”通孔连接(以及“最佳的”锡膏沉积方法),该工艺还处在试验阶段。

   侵入式焊接(Intrusive soldering)也要求回流系统比平常多的加热能力。工艺中增加的通孔元件数量对回流系统的热传送效率的要求更高。许多混合技术装配的复杂表面几何形状要求一个很高的热传送系数,以可接受的温度差来充分地回流装配。虽然大多数对流为主的炉可胜任这个任务,在某些装配上的某些元件的热敏感性可能阻碍其通过回流焊系统。这个情况可能在使用较高熔点的无铅焊锡时,变得更富挑战性。可是,对大多数应用,侵入式焊接具有很大的吸引力,理所当然应该得到考虑。

  结论

   虽然本文重点在量的回流焊接上面,但相同的原则与惯例对其它的(选择性的)回流工艺,包括激光,都是可应用的。虽然回流焊接是一个高要求的工艺,但它不是“火箭科技” — 必须控制但非常可受的。适当的设备与材料选择,以及理解主要的热、化学和冶金的工艺,将向高合格率的焊接工艺迈出一大步。

    References
  1. ITM Inc. solder paste charaterization project for KIC Thermal Profiling, 1999.
  2. Joe Belmonte and Phil Zarrow, "Single Center Reflow of Through-hole Components," .

Phil Zarrow, may be contacted at ITM Consulting, P.O. Box 921, Durham, NH 03824; (603) 868-1754; Fax: (603) 868-3623; E-mail: ITMConsulting@aol.com; Web site: www.ITM-SMT.com.

声   明:本站的内容仅供网友个人学习和研究用,若其真正的版权拥有者发现本站部分内容有伤害到您或您公司的利益,有侵犯您版权之嫌的,请来信告知,我马上删除这些内容。任何涉及商业赢利目的时不能使用本站信息!否则产生的一切后果将由使用者自己承担,本站不负任何责任。如您发现本网站有链接错误或者其它问题,请及时反馈给我

建议使用IE5.0以上,最佳分辨率1024x768浏览本站。

SMTonline.CN© Copyright 2010~2013 SMTonline.CN  All Rights Reserved.