高密度组装中微焊接技术跟踪.docx

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高密度组装中微焊接技术跟踪

电子产品高密度组装中“微焊接技术”跟踪

1现代电子产品高密度组装中的“微焊接技术”

1.1高密度组装中“微焊接技术”的出现

高密度电子产品组装中的微焊接技术，是随着高密度面阵列封装器件（如CSP、FCOB等）在工业中的大量应用而出现的。

其特点是：

·芯片级封装具有封装密度高，例如：

在一片5mm×5mm的面积上集成了5000个以上的接点数；

·焊点大小愈来愈微细化，例如：

间距为0.5mm的CSP其焊球的直径小于0.3mm。

像上述这样的凸形接合部的出现，加速了“微焊接技术”的快速发展，日本专家濱田正和认为：

目前正处于“微焊接技术”的黎明期。

1.2“微焊接技术”的工艺特征

顾名思义“微焊接技术”就意味着接合部（焊点）的微细化，密间距的焊点数急剧增加，接合的可靠性要求更高。

归纳起来，“微焊接技术”正面临着下述两个基本课题：

⑴“微焊接”工艺，由于人手不可能直接接近，基本上属于一种“无检查工艺”。

为了实现上述要求的无检查工艺的目的，必须要建立确保焊点接触可靠性的保证系统（对制造系统的要求）。

⑵由于焊点的微细化，焊接接合部自身的接续可靠性必须要确保。

为此，要求有最完全的接合，焊点内任何空洞、异物等都会成为影响接续可靠性的因素（对接合部构造的要求）。

1.3“微焊接”组装工程要求

基于上述分析，为了实现1.2节的要求，故必须导入“焊接工艺设计”的思维方法。

所谓“焊接工艺设计”，就是用计算机模拟焊接接合部的可靠性设计，从而获得实际生产线的可靠性管理措施和控制项目；对生产线可能发生的不良现象进行预测，从而求得预防不良现象发生原因的手段，这就是进行“工艺设计”的目的。

通过“工艺设计”，就预先构筑了实际的生产线和生产管理系统。

这样，就可以获得高的生产效率和焊接质量。

对焊接接合部的可靠性管理也就变得容易和可能了。

2再流炉的加热方式和加热机构

2.1基本的热量传递方式

·热传导（如热板等）；

·对流传热（如热风、液体等）；

·辐射传热（如远红外线等）。

在再流焊接设备系统中，热能的供给方式，目前在业界最常见的是：

对流传热（如热风、液体等）、辐射传热（如远红外线等）等两种。

2.2对流（热风）加热

2.2.1对流加热的物理过程

在物理学中，对流意味着靠物质移动而产生热的传递过程。

这种热传递现象是因为一部分液体或气体分子与另一部分液体或气体分子相互混合而产生的。

在采用此种方式的系统中，利用高温气流把热量施加于被焊件上，如图1所示。

该高温气体可以是还原性气体或者惰性气体。

热风再流焊是这种加热方式的典型应用。

图1

2.2.2对流加热的热传递

⑴平均热传递率

热风加热的热传递率可由传热媒体的温度、粘度、风速和流路的尺寸计算出来。

例如，若把平均热传递率作为αm（W／m²k），则对平板上的强制对流热传递率的基本方程为：

αm=Num×k/l

（1）

Num=0.664Pr

Re

（2）

Re=ul/ν（3）

式中：

Num：

平均努塞尔数；

k：

流体的热传导率[W/m·k]（200℃空气中为3.83）；

l：

PCB的长度[m]；

Pr：

普朗特数；

Re：

雷诺数（与层流状态的厚度有关，200℃空气中为0.71）。

例如：

当在200℃空气中，PCB的长度为0.3m、风速为3m/s时，根据上述公式可计算得：

αm=9.3（W／m²k）

⑵单位时间的热流量

对流传热单位时间的热流量的计算可按式⑷进行：

qconv＝αconv（T∞-TW）⑷

式中：

qconv：

单位时间的热流量；

αconv：

对流热传递率；

T∞：

流体的温度；

TW：

被加热体的温度。

2.3辐射（红外线）加热

2.3.1辐射（红外线）加热的物理过程

在物理学中，辐射包括发射、传播和吸收能量的全过程。

辐射加热是利用可视光或红外线来传递热量的，它们在光谱上的位置如图2所示。

图2

辐射热源是光谱中从纯白光到红外线光波，它可以通过一定的技术手段，将热源给出的能量集中或聚合于所要求的区域，以产生高强度热场，并且对周围区域的热影响减到最少。

通常PCB板、助焊剂、元器件的封装等材料都是由原子化学结合的分子层构成，这些高分子物质因分子伸缩、变换角度而不断地振动。

当这些分子的振动频率与相近的远红外线电磁波接触时，这些分子就会产生共鸣，振动就变得更激烈。

频繁的振动发热，热能在短时间内能够迅速均等地传到整个物体。

因此物体不需从外部进行高温加热，也会充分变热。

从远红外到近红外加热器的红外线辐射率和材料的吸收率沿波长的分布，如图3所示。

图3

在远红外波段范围对基板（环氧玻璃）的加热效率高，而近红外波段对器件体的加热效率要优越些。

从而，通常用远红外线向基板加热，可避免部件体不会过热，特别是对被塔載了30mm以上的QFP、BGA等，由于不能供给部件所需要的热量而出现加热不足。

故采取与近红外线併用的方法，既考虑了基板的耐热性，又兼顾了对部件的积极加热，这对比较复杂的基板（PCBA）是一种有效的加热方式。

2.3.2红外线的热传递率

⑴热传递率

红外线的热传递率随加热器的温度而急剧变化，红外线的热传递率的基本计算公式如下：

式中：

qrad：

单位时间的热流量；

σ：

斯蒂芬·波耳兹曼常数；

ε1：

加热器辐射率；

ε2：

被加热体的辐射率；

F12：

形态係数；

T1：

加热器温度；

T2：

被加热体温度。

⑵单位时间的热流量

红外线加热单位时间的热流量，可按下式计算：

qrad＝αrad（T1-T2）⑹

式中：

qrad：

单位时间的热流量；

αrad：

辐射热传递率；

T1：

加热器温度；

T2：

被加热体温度。

根据辐射热传递率的定义，在辐射率近似为1的埸合下，可得：

2.4热风加热和红外线加热的比较

⑴热传递率

在室温付近（300k）并假定形态系数为0.8时，对被加热的PCB基板的两种加热方式的热传递率，可由式⑴、⑺计算出其结果，如表1所示。

表1

传热方式

热源温度200℃

热源温度400℃

对流（热风）

9.3

11.7

辐射（红外线）

14.2

32.9

⑵对热源温度的依存性

由表1可知：

热风加热的热传递率对热源温度的依存关系很小，而红外线加热的热传递率随热源温度的变化而有很大的变化。

⑶对焊接工艺过程的影响

热风加热的热传递率与风速有较大的依存关系，且随风速的增加而升高。

这样就带来了有些元器件被吹飞的危險，因此工业应用中按经验风速都限制在3m/s以下的程度。

而红外线系统不存在在再流期间吹走或振动元件的气流的危害。

另外，对于极小、极轻的CSP、倒装芯片（FCOB）等，一个关键的考虑因素是对流式再流炉中的气流速度。

虽然最低的气流速度要求用来把热传导到元器件和PCB上，但是该速度不允许将这些轻、小器件在再流过程中被吹走或者被移动。

当极小的共晶焊料球处在液体状态时，任何运动都可能引起焊点瓦解，甚至造成器件在再流期间完全落在基板上面。

⑷对PCBA的适应性

表1的数据是在平坦的基板上获得的，实际上组装了元器件后的PCB表面是凹凸不平的，有不少高度突出的部件，所以实际热风加热的热传递率比表1中的值还要低许多。

因此，在现实条件下，热风加热和红外线加热相比较，红外线加热具有明显的优势，它具有很高的热传递率。

⑸热风加热对CSP的适应能力

热风加热是以空气作为传导热量的媒介，对被加热PCB板面上“凸出”的元器件，有较理想的热传递率，而对高密度细间距的面阵列器件以及微小元器件的热传递率，就不如“凸出”的元器件理想。

在该过程中，由于对流空气与PCB面之间形成的“附面层”影响，使得热传导到诸如CSP底部焊盘区时传热效率就不高了，如图4所示。

图4

⑹热应力和能耗

红外线加热被焊件产生的热应力小，热效率高，因而可以节省能源。

强制热风加热，是一种通过耐热风机和喷嘴来迫使气流循环实现对被焊件的加热，效率较低，耗电也较多。

而且受元器件体积大小的影响，各元器件间的升温速率的差异变大。

⑺被加热体温度的均匀性

ByCliffR.Bockard在试验中，用三种热风返修系统与一种中等波长（2-8）μ的红外（红外线）系统进行比较。

在测试中，将热风喷嘴降低到接近FR-4基板，然后按调入的温度曲线设定进行加热。

该温度设定足以让人相信整个区域是均匀加热的，并能达到足够热的温度。

然而测试结果却清楚地表明，在热风系统中有热区和冷区（图5）。

相反，红外系统显示了均匀的加热，没有冷区。

热风系统A热风系统B热风系统C红外线系统

图5BGA表面上热分布的比较

短波长红外线系统由于其物理性的局限，虽然辐射热能均匀分布，但是由于物体颜色的深浅，导致吸收与反射热量不均匀。

因此，虽然这种热源对PCB预热效果得到普遍接受，但是由于短波长红外线系统经常使黑色的元器件体和FR-4基板材料过热，而对有反射能力的引脚却达不到合适的再流温度。

相反，中等波长的红外线系统能将热能完全均匀的传导到被加热的表面上，并且在颜色深浅不同的材料之间显示了均匀的吸收和反射率（图6）。

图6使用红外安装BGA的温度曲线

ByCliffR.Bockard指出，在再流工艺中有几个关键性的考虑因素。

在面阵列封装的整个表面和PCB的焊盘上，均匀的热分布和热传导是关键，加热工艺和温度设定必须使封装达到再流温度，然后随着焊球的熔化，器件均匀地降落到焊盘上，与焊盘形成金属间化合物。

相反，不均匀的加热会造成封装不平衡地落下或倾斜到早已达到再流温度的那一边或角，如果工艺过程在这时候停止，那么该元件将不会均匀地自己降落，达不会到共面性，因此焊接将会是不充分的。

3适合BGA、CSP再流焊接加热方式的效果评估

3.1评估条件

日本古河株式会社古河电工研究所专家濱田正和，采用把含有BGA（40□）和SOP（8□）的试验PCB板，如图7所示。

利用富士通开发的热解析软件，在日本业界普遍使用的古河電工（株）生产的再流焊接炉中，分别对远红外、热风、远红外+热风、远红外+近红外+热风等四种加热方式进行再流焊接温度的对比测试，结论如下述各节所述。

图7

3.2红外线加热炉

3.2.1炉型结构

红外线加热炉的基本构造示意，如图8示。

图8

3.2.2温度曲线及特点

测得的炉温曲线如图9所示。

其温度分布特征是：

基板＞引脚＞封装体表面，器件尺寸大小的差异，导致了器件间溫度的不均匀性。

图9

3.3热风加热炉

3.3.1炉型结构

热风加热炉的基本构造示意，如图10所示。

图10

3.3.2温度曲线及特点

在热风加热场合下其炉温曲线如图11所示。

从图中可见各温度曲线的分布靠得较近，说明基板和引脚间的温度差小，温度的均匀度获得了改善。

在炉子结构条件相同的情况下，和红外线炉相比，存在加热能力不足，昇温速率较缓的现象。

图11

3.4“远红外线＋热风”炉

3.4.1“远红外线＋热风”炉的设计思想及加热的物理过程

⑴设计思想

“红外线+热风”的基本概念是：

使用红外线作为主要的加热源达到最佳的热传导，并且抓住对流的均衡加热特性以减少元器件与PCB之间的温度差别。

热风在加热大热容量的元器件时有帮助，同时又帮助了较小热容量元器件的冷却。

再流焊就是将成百上千计的元器件同时焊接在PCB基板上。

若在一块PCBA上同时存在质量大小不等的元器件时，就会形成温度的不均匀性，热容量、面积及辐射率的巨大差异也会导致温度差。

前面讨论到仅靠红外线的电磁波加热，还尚不能保证炉内温度分布的均一性和对连续输送而来的被焊组件的良好的热量传递。

解决这一问题的途径是在红外线加热炉内同时加强空气的循环，4.5μm远红外线电磁波对空气的分光透射率低，是最适合空气加热的波长。

⑵“远红外线＋热风”炉加热的物理过程

空气加热是通过空气分子跟所有物体分子，互相碰撞时发生的运动能量传递给物体来实现的。

远红外线电磁波给PCB板以及搭载的零件加热，同时远红外线电磁波还给炉内循环的空气加热，被加热了的空气又对零件再加热，如图12所示，所以不管物体性质怎样都能加热到均等程度。

图12

加热过程：

↓从壁板孔吹来的冷空气被4.5μm的远红外线电磁波加热；

↓被加热了的空气达到PCB基板、元器件、导线上交换热能；

↓由于热交换而冷却了的空气马上又被4.5μm的远红外线电磁波再次加热；

↓被再加热了的空气到达基板、元器件、导线后再次交换热能，重复上述过程。

显然热风炉体内有一定比例的辐射能既可明显提高生产效率，增加生产柔性，改善PCB表面的温度均匀性。

它兼备了辐射、对流两种传热方式的优点。

在加热过程中，采用较低的加热温度，选用占相当比例的辐射能，与一定的对流导热率相结合的加热方式。

是以最小成本达到最高产量的最佳选择。

3.4.2炉型结构

“远红外线＋热风”炉的基本构造示意，如图13所示。

图13

3.4.3温度曲线及特点

当炉子采用“远红外线＋热风”的复合加热方式时，对小型的SOP来说热风起了冷却作用。

因此，尺寸不同的元器件之间温差变小了，与热风炉子相比，加热能力也提升了，如图14所示。

图14

3.4.4温度差的改善

　　现代最先进的再流炉技术结合了对流与红外辐射加热两者的优点。

元器件之间的峰值温度差别可以保持在8℃左右，同时在连续大量生产期间PCB之间的温度差别可稳定在大约1℃。

　　在图15中，①代表具有大热容量元器件的加热曲线，②代表了小热容量元器件的加热曲线。

如果只使用一个热源，不管是红外线或者热风，都将发生如图15所示的加热不一致。

当把红外线用作主热源时，将得到实线所示的曲线结果。

而图中虚线所描述的加热曲线显示了“红外线+强制对流”相结合的系统的优点。

这里增加对流作用是加热低于设定温度的元器件（曲线①所示）；而冷却已经升高到热空气温度之上的那些元器件（曲线②所示）。

图15

　国外业界针对QFP140P与PCB之间、45mm的BGA与PCB之间，当分别只有红外线加热、对流加热及使用“红外线＋强制对流”复合加热系统时，在三种条件下的温度差别是：

·对流再流焊接产生在QFP140P与PCB之间的温度差为22℃（在预热期间PCB插入后的70秒）；

·通过复合式系统加热时，上述温度差别只有7℃；

·对45mm的BGA在复合式加热系统中温度差减少到3℃。

3.5“远红外线＋近红外线＋热风”炉

3.5.1炉型结构

“远红外线＋近红外线＋热风”炉的基本构造示意，如图16所示。

图16

3.5.2温度曲线及特点

在炉子结构相同的条件下，测得此种复合加热方式的炉温曲线，如图17所示。

图17

显然，此方式的加热能力比“远红外线＋热风”方式又有所增强。

4京瓷公司棚仓工厂再流炉的配置

2004年12月在日本京瓷公司考察时与日本SMT专家交流中，我们得知他们手机SMT生产线上配备的再流炉是“红外线＋热风”这种类型，我们到生产线现埸拍得这设备的外形，如图18所示。

现埸抄录了该设备的制造公司和型号，就是古河株式会社制造的，查证相关资料后，也证实了该炉型确实是“红外线＋热风”。

图18

在现埸我们还从图18所示设备的面板液晶显示屏上，拍下了该设备的加热方式和温度参数配置的显示图，也进一步验证了该炉子千真万确就是“红外线＋热风”，如图19所示。

图19