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发布时间:2022-01-14 20:18:05

回流焊接工艺

回流焊接工艺 2011年12月10日 来源: 无铅技术在焊接工艺上造成的变化最大,也是整个工艺技术中最难处理的部分。这方面的变化,是来自取出铅金属后的焊接金属在熔点和表面张力上的变化。这两方面的特性变化,使原先使用在锡铅中的焊剂配方必须重新设计或调整。熔点温度的改变和焊剂成分的不同也对焊接工艺造成工艺参数上的改变。从目前的研究结果中,所有较可替代的合金中,熔点温度都高于现有的锡铅合金。例如从目前较可能被业界广泛接受的‘锡-银-铜’合金看来,其熔点是在217oC。以此作为例子来看,无铅技术的采用将在焊接工艺中造成工艺窗口的大大缩小。理论上在工艺窗口的萎缩从锡铅焊料的37oC降到只有23oC,约38%的萎缩(见图一)。实际上,工艺窗口的萎缩还比以上的理论值还大。原因是在实际工作上,我们的测温(Profiling)做法含有一定的不确定性,加上DFM的限制,以及要很好的照顾到焊点‘外观’(不少工厂还是以外观做为主要的质量检查依据)等等,这个回流焊接工艺的窗口其实只约有14oC(约53%的萎缩)。这只有14oC的工艺窗口,事实上在工艺调制上是有很大的挑战性的。而对设备(回流炉)和DFM的要求也比锡铅技术的应用要求高出许多。

理论上在焊接过程时,焊点的温度只要达到焊料合金的熔点温度就行了。但在实际情况下,刚达到熔点温度的焊料,其润湿性特差。所以我们必须提高实际焊点的温度以增加润湿能力。由于无铅合金的润湿性比起锡铅合金还差,这做法在无铅技术上更是必要。PCBA上的器件和板材都有承受温度的极限,目前在无铅技术中对这承受温度提出的要求是260oC。虽然这温度和含铅技术的240oC比较下有所提高,但因为焊点温度受到熔点温度和润湿性考虑的影响提高的幅度更大,这就造成了容许的工艺窗口(温度的上下限)在无铅技术中小了许多。

事实上,如果器件供应商在器件设计上只满足国际建议的260oC为上限,用户所面对的问题还更大。所拥有的焊接温度工艺窗口就可能连上面所说的14oC都不到了。这是因为有些器件如BGA之类的封装设计,在对流加热的应用中,封装本体的温度是常常高于底部的焊点温度的。这原本还不算是个大问题,使问题恶化的是,这些器件一般也都是热容量较大的器件,封装导热性不是十分优良。而由于同一PCBA上总有些热容量小很多的器件(注三),所以就造成了实际温差十分难通过工艺调整来缩小和确保都在工艺窗口内。

不只是工艺窗口的缩小给工艺人员带来巨大的挑战,焊接温度的提高也使焊接工作更加困难。其中一项就是高温焊接过程中的氧化现象。我们都知道,氧化层会使焊接困难、润湿不良以及造成影响焊点寿命的虚焊。而氧化的程度,除了器件来料本身要有足够的控制外,用户的库存条件和时间、加工前的处理(例如除湿烘烤)、以及焊接中预热(或恒温)阶段所承受的热能(温度和时间)等等都是决定因素。无铅技术的温度提高,正使焊端在预热段造成更多的氧化。如果锡膏的助焊剂能力不足,或是回流温度曲线在‘清洁/除氧化’段的工艺设置不当的话,回流时就可能出现焊接不良的问题。

‘爆米花’现象是另外一项在无铅技术中会加重的问题。业界有一些研究报告指出,由于温度的升高,在无铅焊接中许多IC的防潮敏感性都会提高了一到两个等级。也就是说,用户的防潮控制或处理必须也给于加强。这对于那些很小批量生产的用户将有较严重的影响。因为许多很小批量生产的用户都有较长时间的来料库存时间。如果库存的防潮设施不理想,就必须通过组装前烘烤除湿的做法来防止‘爆米花’问题。这做法在进入无铅时代后由于其对吸潮的更加敏感而更频繁。烘烤虽然能够解决‘爆米花’问题,但烘烤过程会加剧器件焊端的氧化,带来了焊接的难度。一个可行的做法是使用惰 ‘立碑’是另外一个在无铅技术中较在含铅技术严重的问题。这是因为无铅合金的表面张力较强的原因。解决的原理和含铅技术一样,其中通过DFM控制器件焊端和焊盘尺寸,以及两端热容量最为有效。其次可通过工艺调整减少器件两端的温差。该注意的是,虽然原理不变,但无铅的工艺窗口会小一些,所以用户必须首先确保本身使用的炉子有足够的能力。即有良好的加热效率以及稳定的气流。

‘气孔’在锡铅技术中原已经是个不容易完全解决的问题。而进入无铅技术后,这问题还会随无铅合金表面张力的提高而显得更严重。要消除‘气孔’问题,有三个因素必须紧密配合和给于照顾。就是锡膏特性(锡膏的认证选择)、DFM(器件焊端结构、焊盘和钢网开口设计)、以及回流工艺(温度曲线的设置)。其控制原理和含铅技术中没有不同,只是窗口小了些。

由于无铅焊接工艺窗口比起含铅焊接工艺窗口有显著的缩小,业界有些人认为氮气焊接环境的使用也许有必要。氮气焊接能够减少熔锡的表面张力,增加其润湿性。也能防止预热期间造成的氧化。但氮气非万能,它不能解决所有无铅带来的问题。尤其是不可能解决焊接工艺前已经造成的问题。例如锡膏、回流炉能力、DFM等问题。而且氮气的使用增加成本,所以它不应该是个首要考虑点。应该定位为是一种‘补救手段’。也就是说正确的处理态度,应该是在实施‘技术整合’中确认其他有效因素无法改善或控制得当之后,才考虑是否要实施氮气焊接工艺。国内使用氮气的用户不多,但在我接触的两家企业中,其实都不需要使用氮气。其工艺问题都应该从其他更经济有效的做法来解决。所以这里提醒用户们,虽然氮气会有所帮助,但您不一定要借助于它。不宜在您未掌握其他方面的知识前别匆匆作出使用的决定。

工艺窗口小不仅对工艺调制准确性的要求高,还同时要求工艺的稳定性也必须非常高。否则即使工艺设置到最优化点,工艺的偏移也会使质量很快的偏移出受控区。要工艺稳定,设备是个关键的因素。在目前的回流焊接设备中,使用强制热风对流原理的炉子设计是个主流。热风对流技术能够取代早期的气相和稍后的红外辐射技术,在于它的升温速度的可控性以及恒温能力较强。但可惜的是,热风对流在加热效率和加热均匀性以及重复性等都是其弱点。这些弱点,在含铅技术中体现的并不严重,许多情况下还可以被接受。随着无铅技术在工艺窗口上的缩小和对重复性的更高要求,热风对流技术将受到挑战。一些在热风对流技术上设计得不太好的中低档次设备,将不能够有效的支持了解工艺和关心质量的用户。

热风回流炉的原理是通过热空气作为传热的媒介。空气本身并不是个良好的热导体。而必须通过足够的‘对流’来达到传热目的。所以炉子如何控制内部气流的设计是个关键。而空气的流动是十分难控制得精准的。即使是设计优良的炉子,其传热效益也会因为炉膛内气压的变化(来自排风系统的变化、风扇老化、出风口的逐渐堵塞等)、负荷的变化(入炉时间或间隔时间)、锡膏挥发物、设备的老化等等变数而产生变化。因此如果要最好的控制住焊接工艺,就必须要有个不断监督的做法。

目前国内的许多用户还不是很注重焊接的工艺管制。许多用户其实在整个焊接过程中并没有任何监控手段。一些做得较好的,就会使用测试板定期通过炉子测量炉温的变化。虽然这也是个可行的办法,但存在两个弱点:

1. 成本高 – 测量板必须是产品才有意义。空板并不能真正测出所有的可能变化。模拟板的效果可以令人满意,但设计有一定的难度。如果使用实际产品,则成本可能会高。而且测试板并非无限寿命,经过一定次数后必须更换。除了板材成本外,测试认证所需的人员、时间等也是成本的元素。

2. 漏检 – 以上的做法不可能是持续不断的。一般用户会在班次的开始或交接班时,以及班次中间某段时间进行。所以是属于一种抽样检查技术。而且抽样的样本数并不高。所以其漏检误判率也偏高。

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