电子组件的波峰焊接工艺(doc55)-工艺技术(编辑修改稿)

电子组件的波峰焊接工艺(doc55)-工艺技术(编辑修改稿)内容摘要：

对焊锡膏应用而言，可将 合金与 UP 系列助焊剂配合使用。 对波峰焊应用而言，焊锡条可使用。 对手工 /机器焊接而言，焊锡线可使用。 虽然上述方案还未能达到研究无铅替代方案工程师们所确定的每项目标，但基本上能令人满意，该方案最大限制在于～30℃，因此回流焊对元件的要求也有所提高。 元器件供应 商应与电子装配厂密切合作以解决高温回流焊带来的种种问题。 随着新技术的发展，将来还会有更多更好的替代方案推出，这里讨论的系统最大价值在于其它复杂系统可以根据它提供的标准进行参照比较。 在考察更加复杂的系统之前，应多问下面一些可以定量回答的问题： 焊锡膏 1. 新的合金系统是否能将回流焊温度降至与 Sn/Ag合金差不 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 19 页 共 55 页 多的程度 (Sn/Ag 合金最 低回 流焊温 度为 240 ℃，而℃ )。 2. 与 Sn/Ag 或 Sn/Ag/Cu 合金相比，金属和焊锡膏的成本如何。 3. 合金中各材料有没有技术参数限制。 各材料在技术参数范围内变化时其固相和液相温度的变化情况如何。 焊条 1. 合金的成本如何。 与 Sn/Cu 合金比较哪一个更贵。 2. 合金是否具有 Sn/Cu 合金所没有的优点。 为什么要采用无铅方案。 在谈论健康和安全问题时，人们一般考虑两个因素 —— 危害和危险。 危害是指某物质存在毒性以及食入、吸入或吸收后对人体的影响，危险更多是指采取正确预防措施后材料的安全 性或者危害发生的可能性。 铅是一种有毒物质，人体吸收了过量的铅会引起铅中毒，摄入低剂量的铅则可能对人的智力、神经系统和生殖系统造成影响。 在评定铅的危险性时，通常是通过调查饮食或呼吸摄入的可能性。 就电子业而言，一般正常条件下铅不会达到使其气化的温度，因此这方面的危险无法定量测出，只能通过监测确定。 可以采用一些简单的预防措施，包括在保养波峰焊锡炉和清理残渣时戴上面罩，在有铅区域禁止抽烟，尽可能减少在工作区摄入铅的可能性。 另外当接触焊锡膏、焊条、焊线等含铅物体后， 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 20 页 共 55 页 务必在吃饭、饮水和抽烟之前清 洗双手，彻底消除摄入铅的可能途径。 一般地说，从铅吸收来源来看食入铅的危险要高于呼吸吸入，所以应强调养成良好卫生习惯的重要性，在含铅的区域严禁饮食和抽烟以将危险降到最低。 事实证明，只要采取了正确的预防措施，在工作场所使用铅还是相对较为安全的。 既然在电子工业中使用铅的危险如此之小，那么人们为什么还在考虑彻底消除铅的使用呢。 其实主要的担心是含铅材料的处置问题，如印刷线路板等。 之所以有这种担心，是因为那些被作为垃圾处理的废印刷电路板在埋入地下后，其中所含的铅可能会从电路板渗出进入地下水，继 而流入我们的饮用水之中。 目前存在一些技术争论，主要围绕铅从 PCB 渗出的可能性以及饮用水可接受的含铅量 (如果确实含铅 )应该低于多少。 无铅立法是否即将出台。 立法过程的政策性很强，因此很难预知，例如目前美国国会就尚未采取积极的立法措施来限制在电子工业中使用铅。 由于电子业所用的铅在人类铅使用总量中仅占非常小的份额，而且电子业在国民生产总值中所占比例非常重要并呈增长趋势，因此对电子工业限制用铅会遇到很大阻力。 此外所有无铅焊料的替代品都会增加电子制造成本，一些地区关于无铅焊料的研究还 没有开始，所以从某种意义上说对此的立法可能会削弱本国电子制造业的竞争力。 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 21 页 共 55 页 欧洲则在推动无铅立法上采取了更为积极的态度，欧盟计划进行一项投票表决，要求 2020 年 1 月之前在除车用和某些特殊场合之外的所有电子产品中禁止用铅，荷兰和瑞士则早已实施了有关电子废料的法令。 亚洲方面已有国家就电子废料的回收利用问题发表声明。 日本电子产业开发协会和日本电子封装研究所在 1998 年 1 月制定了无铅方案的研究原则与计划，有些 OEM 厂商已经成功开发出回收利用方法，索尼、东芝、松下、日立和 NEC 等大公司也已承诺将遵守 日本的法律，于 2020 年在某些电子产品中实现无铅化。 电子业是否正在实施无铅工艺。 许多跨国电子公司已经开始启动无铅技术项目，对无铅替代方案进行评估，以做好准备在限制性法律生效后实施无铅系统方案。 也有许多公司将实施无铅工艺作为一种营销战略，他们希望在营销过程中将其电子产品作为无铅和环保产品进行宣传。 ] 片状元件波峰焊接的难题 By Brian Lynch 本文介绍，较新的助焊剂技术可帮助战胜片状元件波峰焊接的缺陷。 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 22 页 共 55 页 在过去十年里，电子装配制造商已经迅速地采用 了免洗助焊剂技术。 今天，在北美，超过 60%的所有电子装配都是使用免洗助焊剂工艺生产的。 随着低固体、免洗助焊剂技术的采用，出现了几个明显的挑战。 要克服的最新的困难是两种麻烦的缺陷的发生：锡球和锡桥。 这两种缺陷的频率经常伴随片状元件波峰焊接(wave solder)的使用而大大增加。 这个问题已经刺激了在助焊剂技术中的最新发展。 片状元件波峰焊接的难题是什么。 使用传统的 λ 或“ A”型焊接波峰来焊接底面的表面贴装元件 (SMD)，经常产生不满意的焊接结果。 这两种波峰类型设计更适合焊接传统的通孔 (throughhole)元件。 因此，在许多情况下，这两种波型不具有适当的接触作用或动力，来打破在底面 SMD的元件引脚与焊盘界面之间焊锡的表面张力。 如果焊锡的表面张力不打破，那么焊锡不能适当地熔湿 (wet)界面，并形成焊接点。 这个现象有时叫做“阴影 (shadowing)”，是那些通常叫做“漏焊(skip)”的缺陷的主要原因。 为了解决这个问题，大多数波峰焊接设备制造商已经开发，并且现在提供装备有“紊流 (turbulent)”或者“适于片状元件的(chip)”波峰的机器。 在这种波峰焊接机器类型中，片状波峰 (chip wave)后面跟着传统的焊接波峰，构成双波峰焊接工艺。 片状波峰是专门设计的发出消除底面 SMD 经历的阴影效果所要求的适当作用或动力。 这种作用允许焊锡的表面张力更容易地打破，保 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 23 页 共 55 页 证焊锡适当的熔湿焊盘与元件的界面，形成焊接点。 因此，片状波峰的使用是减少漏焊缺陷发生所需要的。 可是，当片状波峰要求用于底面 SMD 的适当焊接和与传统低固 (lowsolids)、免洗 (noclean)助焊剂一起使用时，其它的焊接问题是常见的。 一种传统的低固、免洗助焊剂通常含有大约 2%的活性剂 (activator)，或固体，但可以高达 4%的固体。 在双波峰工艺中经常与这些助焊剂的使用有关的缺陷是锡球 (solder ball)和锡桥 (solder bridge)。 因此，将这类助焊剂用于含有底面 SMD装配的电子装配制造商面对片状波峰的难题： 如果不使用片状波峰，在底面 SMD 焊盘上出现漏焊。 如果使用片状波峰，会出现过多的焊锡球和锡桥。 哪一种方法都会造成缺陷。 注意，在这种情况下遇到的锡球通常叫做非随机锡球。 非随机锡球在一块板的底面上相同的位置上找到，一块板接着一块板都有，通常在突出引脚的托尾边。 它们的发生和焊锡与阻焊层之间的表面张 力有关。 基本上，如果这个表面张力足够大的话，锡球与 PCB 之间的粘力将大于重力向下的力。 结果形成锡球。 传统助焊剂与片状波峰 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 24 页 共 55 页 传统的低固、免洗助焊剂经常在单波峰焊接工艺中表现满意。 当使用双波峰工艺时，表现差是常见的，因为片状波峰大大地增加了 PCB 与熔化的焊锡之间的接触时间。 事实上，当使用片状波峰 (chip wave)时， PCB 花在与 460~500176。 F 熔化 的焊锡接触的时间增加了，比单波峰工艺增加 25~40%。 图一说明 PCB 与焊锡波峰接触时间是对不同波峰类型的传送带速度的函数。 例如，对于 5 ft/，“ A”波比“ A”波加片状波峰的接触时间是 秒比 秒。 这个数据表示板与熔化的焊锡接触的时间增加 40%。 传统的低固、免洗助焊剂不是设计忍耐这么长的温度暴露。 它们不能经受得住在使用片状波峰时所遇到的延长的驻留时间，倾向于在板到达第二波峰出处的剥离区域之前就蒸发了。 这里，助焊剂发挥其在焊接工艺中最好的和关键的作用。 剩下的助焊剂必须减 少焊锡与阻焊层折旧的表面张力，以减少锡球频率。 另外，剩余的助焊剂必须帮助焊锡从元件引脚排放掉，以减少锡桥的频率。 如果当板从波峰出来时助焊剂完全没有了，这些缺陷可能会戏剧性地增加。 解决片状波峰的难题 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 25 页 共 55 页 有几种选择来解决片状波峰的难题。 电路板设计的改变，如虚设焊盘 (dummy pad)的使用，可帮助减少一排引脚端的锡桥。 在多个研究中，与平滑的阻焊层相比较，不光滑表面的阻焊层的使用显示 50~90%的锡球数量的大大减少。 增加了助焊剂沉积、加快传送带速度、或降低锡缸的温度也可帮助减少锡球或锡桥10~40%，这是 基于工业的经验。 可是，这些 方法不总是可以办到的，有时可能产生其它焊接问题。 在低固、免洗助焊剂技术中的最新进步提供了一个解决这类问题的方法。 不象传统的不能忍耐焊接中驻留时间延长的低固免洗助焊剂，已经开发出更新的助焊剂技术，提供温度更稳定的活性剂系统。 温度更稳定允许助焊剂忍受在双波峰工艺中所遇到的温度暴露时间的增加。 这个能力保证助焊剂将在波峰出来时还有，以 减少焊锡的表面张力，大大地减少非随机锡球与锡桥的发生。 温度重力分析 (TGA, thermogravimetric analysis)在检查温度稳定性时是有帮助的。 图二比较一种传统的低固免洗助焊剂与一种较新的更温度稳定的基于溶剂的低固免洗助焊剂的 TGA 图。 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 26 页 共 55 页 温度重力分析 (TGA)是对一种材料在温度与时间上怎样挥发的定量测量。 TGA 测试从样品的已知数量开始，用图绘出随着 `温度与时间的增加样品质量的损失。 其结果对一种助焊剂在波峰焊接工艺中所经历的温度暴露是相似的，可帮助预测一种助焊剂在这两个缺陷区域的表现。 在图二中比较的两种助焊剂的情况中，每一个都是以急下坡开始，这表示每个助焊剂样品的大多 数已经挥发。 这个急下坡对波峰焊接工艺中预热区期间助焊剂载体的挥发是类似的。 画圈的区域是比较的更关键区域。 该图的每一部分都类似于在与焊锡波峰接触期间助焊剂对焊接热量的暴露。 在这个温度范围助焊剂温度稳定性的差别帮助预测助焊剂性能的差别。 正如所显示的，含有一个更温度稳定活性剂系统的助焊剂比传统的助焊剂挥发较慢。 因为挥发较慢，在焊锡波峰的剥离区域或出口还有助焊剂，来减少焊锡的表面张力，结果减少非随机锡球和锡桥。 结论 片状元件焊接波峰 (chip wave)要求用来提供在底面 SMD 的元件引脚与焊盘界面处的适当熔 湿 (wetting)。 非随机锡球与锡桥的发生经常随着片状波峰的使用而大大增加。 较新的助焊剂技术，结合了更温度稳定的活性剂系统，可用来大量减少这些缺陷。 中国最大的管理资料下载中心 (收集 \整理 . 部分版权归原作者所有 ) 第 27 页 共 55 页 波峰焊接的持续改进方法 By Joe Chu and Tony Huang 如果能够使用适当的准备和支持来实施有效的过程控制系统，那么，波峰焊接过程中出现的大部分问题可以得到解决，或者至少减少到一个可以接受的水平。 波峰焊接是一项成熟的技术，保持一种有效的大规模焊接工艺过程，特别是对通孔和第三类 SMT 装配。 可是，波峰焊接也由于其不连续的性能和复 杂性，被人们不接受。 波峰焊接的复杂是由于其过程运作变量，例如，传送带速度、预热温度、波峰的。