SMT回流焊工艺知识分享.docx

1、SMT回流焊工艺知识分享SM回流焊工艺知识分享大规模的回流焊接，特别是在对流为主的 ( 强制对流 forcedconvection) ，以及激光和凝结惰性的 (condensation-inert)( 即汽相 Vaporphase) 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

2、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 (fullliquid

3、ustemperature) 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200225 G 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 1520C。 (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,mostvulnerablecomponent)的温度(T2)。正如其名所示，MVC 就是装配上最

4、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-li nepackage) 的开关、发光二极管(LED,lightemitti ngdiode) 、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。

5、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。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

6、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(bareboard)，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，女口QFP(quadflatpack) 、 PLCC(plasticleadedchipcarrier) 或 BGA(ballgridarray)。其它的热电偶应该放在热敏感元件(即MVC和 其它咼质量兀件上，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

7、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Sn 10/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、30AWG勺热电偶线，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

8、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,radiofrequencyinterference) 、电磁干扰 (EMI,electromagneticinteferenee) 和串扰(crosst

9、alk)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(Rampprofile) 保温区(soakzone)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 /一 亠 : -1PrchMt PwHow Reflow CwMmwri的温度差别。在红外(IR,infrared)FigpWH Z. An 池偶“啊9凶 peof-l-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

10、与今天的对流为主的 (co nvectio n-domi nant)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,rosi nmildlyactive) 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(conv ectio n-domi nant)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Pnrfwai Prrfidw CwWwrnJ-的时间过长。在大多数应用中，渐基板玻璃态转化温度(subs

11、trateglass-tra nsitio n)Tg升式温度曲线(rampprofile)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(preflowsoak)，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,orga nicacid)水溶性配方地使用的保温时间也要尽可能小一 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 (rampprofile) 之前，应该咨询锡膏制造 商，以确保兼容性。虽然一

12、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 (rampprofile) 。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

13、。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-circuittest) 针床的测试探针。残留 很低的锡膏助焊剂 (固体含量大约为 2.12.8%) 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

14、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,organicsolderabilitypreservative) 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

15、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

16、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(chipscalepackage)和倒装芯片(flipchip) 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勺一个优点是，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(passivecomponent)、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

17、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 能力一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

18、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（IntrusiveSoldering）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 放的研究一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-holereflow 、单中心回流焊接

19、single-centerreflowsoldering 、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-i n） ”的工艺#151;因为沉积的焊锡用来连接 SM併口传统两种元件，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

20、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 （Intrusivesoldering） 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。