smt工藝技朮-无铅焊接：控制与改进工艺

smt工藝技朮-无铅焊接：控制与改进工艺内容摘要：

满足到打电话的人。 事实上，这些答案通常引发更多的问题，比如： “ 就这个吗。 ” ； “ 如果污染物有更多的氯化物怎么办。 ” ； “ 免洗工艺中的助焊剂残留物怎么办。 ” ； “ 假设用共形涂层 (conformal coat) 保护装配会怎么样。 ” ；或者， “ 其它的非离子污染物怎么办。 ” 不象过去松香助焊剂主宰工业的 “ 那段好时光 ” ，新的表面涂层、助焊剂、焊接与清洗系统正不断出现。 很明显，没有 “ 万能的 ” 答案。 由于这个理由，标准与规格强调用来证明可靠性的测试规程，而不是一个简单的通过 /失效数字。 再仔细地看一下 IPC 标准 特别是 IPC6012，刚性印刷板的的技术指标与性能 揭示了，应该在文件中规定上阻焊层、焊锡或替代的表面涂层之后的对光板的清洁度要求。 这意味着装配制造商必须告诉电路板制造商他们希望光板有多清洁。 它也给使用免洗工艺的装配制造商留有余地来对进来的电路板规定一个更加严格的清洁度要求。 装配制造商不仅需要规定进来的板的清洁度，而且要与用户对装配好的产品的清洁度达成一致。 按照 JSTD001，除非用户规定，制造商应该规定清洁要求(或者免洗或一个或两个装配面要清洗 )和测试清洁 度 (或者不要求测试、表面绝缘电阻测试、或者测试离子、松香或其它有机表面污染物 )。 那么清洁系统是在焊接工艺与产品的兼容性的基础上选择的。 清洁度测试将取决于使用的助焊剂和清洁化学品。 如果使用松香助焊剂， JSTD001 提供了 3 类产品的数字标准。 否则，离子污染测试是最简单和最小成本的。 JSTD001 也有一般的数字要求，如表一所述。 如果氯化物含量是一个关注，涉及离子色谱分析的工业研究结果已经显示，下面的指引是氯化物含量的合理断点。 当氯化物含量超过下列水平是，增加了电解失效的危险性：  对低固体 助焊剂，小于  对高固体松香助焊剂，小于  对水溶性助焊剂，小于  对锡 /铅金属化的光板，小于 对清洁的讨论经常得出这个最终答案：真正的清洁度决定于产品和所希望的最终使用环境。 但是怎么决定什么清洁对一个特定的最终使用环境是足够的呢。 通过彻底和严格的分析，研究每一个潜在的污染物与最终使用情形，进行长期的可靠性测试。 但是有没有更简易的方法呢。 通过引进其它人的经验来缩短增加学习的弯路。 诸如 IPC、 EMPF 和 Naval Avionics Center(美国海军航空中心 )已经进行了各种清洁度情况的一系列测试与工业研究；其中一些发现可在公共领域得到。 这些技术论文和手册指导个人或公司理解这个微妙的，也很关键的，工艺测试与效果的元素。 一个好的例子就是， IPC、美国环保局 (EPA, Environmental Protection Agency)、美国国防部 (DOD, Department of Defense)主办的，八十年代后期完成的深入的清洁与清洁度测试程序。 这个程序调查研究了在电子制造清洁工艺中使用的、减少氟氯化 碳 (CFC, chlorofluorocarbon) 水平的新的材料与工艺。 电子工业中下一个大的波动 无铅焊锡与无卤化物绝缘层的运动 可能将触发另一次对清洁与清洁度的广泛的工业范围内的研究。 直到那时，读者与电话咨询者将需要在掌握 IPC 规格的基础上，从各种销售材料、个案研究、报告与告诉他们个别清洁度要求应该是什么的指引中看清楚。 下一代的回流焊接技术 By Hiro Suganuma and Alvin Tamanaha 本文介绍，世界范围内无铅锡膏的实施出现加快，随着元件变得更加 形形色色，从大的球栅阵列 (BGA)到不断更密间距的零件，要求新的回流焊接炉来提供更精确控制的热传导。 表一、典型的无铅焊锡特性 合金 熔点 蠕变强度 熔湿 热阻 Sn/ 216~221176。 C 良好 一般 良好 Sn/Sn/ Sn/ 139~200176。 C 一般 一般 良好 Sn/ Sn/ 227176。 C 一般。 Sn/ 190~199176。 C 良好 一般 良好 Sn/ 表一与表二列出了典型的无铅 (leadfree)锡膏 (solder paste)的特性和熔湿 (wetting)参数。 显示各种无铅材料 (不包括那些含铋 )的主要金属成分和特性的表一，揭示它们具有比传统的 Sn/Pb 锡膏更高的熔化温度。 从表二中在铜上的熔湿参数可以清楚地看到，它们也不如 Sn63/Pb37 锡膏熔湿得那么好。 更进一步，其它的试验已经证明当 Sn63/Pb37 锡膏的可扩散能力为 93%时，无铅锡膏的扩散范围为 73~77%。 Sn63/Pb37 锡膏的回流条件是熔点温度为 183176。 C ，在小元件上引脚的峰值温度达到 240176。 C ，而大元件上得到 210176。 C。 可是，大小元件之间这 30176。 C 的差别不影响其寿命。 这是因为焊接点是在高于锡膏熔化温度的 27~57176。 C 时形成的。 由于金属可溶湿性通常在较高温度时提高，所以这些条件对生产是 有利的。 可是，对于无铅锡膏，比如 Sn/Ag 成分的熔点变成 216~221176。 C。 这造成加热的大元件引脚要高于 230176。 C 以保证熔湿。 如果小元件上引脚的峰值温度保持在 240176。 C ，那么大小元件之间的温度差别减少到小于 10176。 C。 这也戏剧性地减少锡膏熔点与峰值回流焊接温度之间的差别，如图一所示。 这里，回流焊接炉必须减少大小元件之间的峰值温度差别，和维持稳定的温度曲线在整个印刷电路板(PCB)在线通过的过程中，以得到高生产率水平。 表二、铜上的熔湿参数 * 合金 温度 176。 C 接触角度 时间 (s) 63Sn/37Pb 260 17 *From IPC Works39。 99, Leadfree Solders by Dr. J. Hwang. 峰值温度维护 也必须考虑要加热的零件的热容量和传导时间。 这对 BGA特别如此，其身体 (和 PCB)首先加热。 然后热传导到焊盘和 BGA 锡球，以形成焊点。 例如，如果230176。 C 的空气作用在包装表面 焊盘与 BGA 锡球将逐渐加热而不是立即加热。 因此，为了防止温度冲击，包装元件一定不要在回流区过热，在焊盘与 BGA 锡球被加热形成焊接点的时候。 回流炉加热系统 两种最常见的回流加热方法是对流空气与红外辐射 (IR, infrared radiation)。 对流使用空气作传导热量的媒介，对加热那些从板上 “ 凸出 ” 的元件，比如引脚与小零 件，是理想的。 可是，在该过程中，在对流空气与 PCB 之间的一个 “ 边界层 ” 形成了，使得热传导到后者效率不高，如图二所示。 用 IR 方法，红外加热器通过电磁波传导能量，如果控制适当，它将均匀地加热元件。 可是，如果没有控制， PCB 和元件过热可能发生。 IR机制，如灯管和加热棒，局限于表面区域，大多数热传导集中在 PCB 的直接下方，妨碍均匀覆盖。 因为这个理由， IR 加热器必须大于所要加热的板，以保证均衡的热传导和有足够的热量防止 PCB 冷却。 三种热传导机制中 传导、辐射和对流 只有后两者可通过回流炉控制。 通过 辐射的热传导是高效和大功率的，如下面的方程式所表示： T(K) e = bT4 这里热能或辐射的发射功率 e 是与其绝对温度的四次方成比例的， b 是StefanBoltzman 常数。 因为红外加热的热传导功率对热源的温度非常敏感，所以要求准确控制。 而对流加热没 有辐射那么大的功率，它可以提供良好的、均匀的加热。 IR + 强制对流加热 今天的最先进的 回流炉技术结合了对流与红外辐射加热两者的优点。 元件之间的峰值温度差别可以保持在 8176。 C ，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 1176。 C。 IR + 强制对流的基本概念是，使用红外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件与 PCB 之间的温度差别。 对流在加热大热容量的元件时有帮助，诸如 BGA，同时对较小热容量元件的冷却有帮助。 在图三中， (1)代表具有大热容量的元件的加热曲线， (2)是小热容量的元件。 如果只使用一个热源，不管是 IR 或者对流，将发生所示的加热不一致。 当只有IR用作主热源时，将得到实线所示的曲线结果。 可是，虚线所描述的加热曲线显示了 IR/强制对流系统相结合的优点，这里增加强制对流的作用是，加热低于设定温度的元件，而冷却已经升高到热空气温度之上的那些零件。 先进回流焊接炉的第二个特点是其更有效地传导对流热量给 PCB 的能力。 图四比较传统喷嘴对流加热与强制对流加热的热传导特性。 后面的技术可均匀地将热传导给 PCB 和元件，效率是喷嘴对流的三倍。 最后，不象用于较旧的回流焊接炉中的加热棒和灯管型 IR 加热器，这个较新一代的系统使用一个比 PCB 大许多的 IR 盘式加热器，以保证均匀加热 (图五 )。 PCB 加热偏差 一个试验设法比较 QFP140P 与 PCB 之间的、 45mm 的 BGA与 PCB之间在三种条件下的温度差别：当只有 IR盘式加热器的回流时、只有对流加热和使用结合 IR/强制对流 加热的系统。 对流回流产生在 QFP140P与 PCB之间 22176。 C 的温度差 (在预热期间 PCB 插入后的 70 秒 )。 相反，通过结合式系统加热结果只有 7176。 C 的温度不一致，而 45mm 的 BGA 对流加热结果是 9176。 C 的温度差别，结合式系统将这个温度差减少到 3176。 C。 另外，在 PCB 与 45mm 的 BGA 之间的峰值温度差别当用结合式系统回流时只有 12176。 C ，使用的是传统的温度曲线设定。 这个差别使用梯形曲线可减少到 8176。 C ，如后面所述。 (在连续大生产中，回流炉中的温度不稳定在使用无铅锡膏时将有重大影响。 试验已经显示尺寸为 的 PCB、分开 5cm 插入，其峰值温度在大约 1176。 C 之内。 ) 最佳回流温度曲线 对于无铅锡膏，元件之间的温度差别必须尽可能地小。 这也可通过调节回流曲线达到。 用传统的温度曲线，虽然当板形成峰值温度时元件之间的温度差别是不可避免的，但可以通过几个方法来减少： 延长预热时间。 这大大减少在形成峰值回流温度之前元件之间的温度差。 大多数对流回流炉使用这个方法。 可是，因为助焊剂可能通过这个方法蒸发太快，它可能造成熔湿 (wetting)差，由于引脚与焊盘的氧化。 提高预热温度。 传统的预热温度一般在 140~160176。 C ，可能要对无铅焊锡提高到 170~190176。 C。 提高预热温度减少所要求的形成峰值温度，这反过来减少元件 (焊盘 )之间的温度差别。 可是，如果助焊剂不能接纳较高的温度水平，它又将蒸发，造成熔湿差，因为焊盘引脚氧化。 梯形温度曲线 (延长的峰值温度 )。 延长小热容量元件的峰值温度时间，将允许元件与大热容量的元件达到所要求的回流温度，避免较小元件的过热。 使用梯形温度 曲线，如图六所示，一个现代结合式回流系统可减少 45mm 的 BGA 与小型引脚包装 (SOP, small outline package)身体的之间的温度差到 8176。 C。 氮气回流炉 无铅锡膏可能出现熔湿的困难，因为其熔化温度通常高，而在峰值回流温度之间的温度差不是很大。 另外，无铅锡膏的金属成分一般特性是可扩散性差。 而且，高熔点的无铅锡膏在贴装顶面和底面 PCB 时将产生问题。 在 A 面回流焊接期间，越高的温度 B 面焊盘氧化越严重。 在 200176。 C 之上，氧化膜的厚度迅速增加，这可能导致在回流 B面时熔湿性差。 具有 Sn/Zn 成分的锡膏也可能出现问题 (Zn 容易氧化 )。 如果氧化发生，焊锡将不能与其它金属融合。 因此，将要求氮气的使用，以维持无铅工艺的高生产力。 在以 IR盘式加热器为主要热源的结合式 IR/强制对流系统中 (对流是均匀加热媒介 )，氮气的消耗可减少到少于现在全对流回流炉所要求的一半数量。 (可接纳 450mm 宽度 PCB 的炉的最大氮气消耗为每分钟 200 升。 )一个可选的内部氮气发生器可消除大的氮气桶的需要。 自动过程监测 除了要求下一代的炉子技术之外，窄小的无铅工艺窗口使得必须要做连续的工艺过程监测，因为甚至很小的工艺偏离都可能造成不合规格的焊接产品。 监测回流焊接工艺的最有效方法是用自动、连续实时的温度管理系统。 该实时温度管理系统允许装配者通过连续的监测在回流炉中的过程温度，获得和分析其焊接过程的实时数据。 这种系统通常由 30个嵌入两个细长不锈钢探测器的热电偶组成，探测器永久地安装在刚好传送带的上方或下方。 热电偶连续地监测过程温度，每五秒记录读数。 这些温度在炉子控制器的 PC 屏幕上作为 过程温度曲线显示出来 (图七 )。 实时温度管理系统通过产生一个由穿过式测温仪测定的温度曲线与由实时温度管理热电偶探测器所测量的过程温度之间的数学相关性，来提供对每个处理板的产品温度曲线。 来自实时温度管理系统的数据也可通过互联网来发送到远方位置，最大利用这种稀有工程资源的价值。 实时连续温度记录的其它优点包括，消除使用标准穿过式温度记录器。