PCB組件回流焊接的關(guān)鍵技術(shù)是什么

【維文信PCBworld】回流焊接技術(shù)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品組裝工藝中最常用的技術(shù)，而回流焊溫度曲線的設(shè)置是PCB組件回流焊接過程中最關(guān)鍵的技術(shù)。本文描述回流焊溫度曲線設(shè)置和優(yōu)化的一些方法和技術(shù)探討。

電子工業(yè)常被稱為是成熟的工業(yè)，而PCB的回流焊接工藝被認(rèn)為是一種非常成熟的技術(shù)，但是新的挑戰(zhàn)也不斷出現(xiàn)。例如：現(xiàn)有的元件尺寸從01005到50mmX50mm的都有，且分布在組裝密度非常高的雙面PCB上。所選器件的布局、元件尺寸、封裝形式和熱容以及不同的熱敏感元件的最大允許溫度和不同配方的焊料和焊劑等問題。沒有考慮上述問題的回流焊溫度曲線會產(chǎn)生不可接受的焊點(diǎn)、失效的元件和整體更低的可靠性。所以對回流焊溫度曲線設(shè)置和優(yōu)化進(jìn)行探討是非常有必要的。

以最常用的無鉛錫膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5錫銀銅合金為例，介紹理想的回流焊溫度曲線設(shè)定優(yōu)化方案和分析其原理。

以上圖片為典型的SAC305合金無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖。構(gòu)成曲線的每一個點(diǎn)代表了對應(yīng)PCB上測溫點(diǎn)在過爐時相應(yīng)時間測得的溫度，把這些點(diǎn)連接起來，就得到了連續(xù)變化的曲線。也可以看做PCB上測試點(diǎn)的溫度在爐子內(nèi)隨著時間變化的過程。

通常把這個曲線分成4個區(qū)域，就得到了PCB在通過回流焊時某一個區(qū)域所經(jīng)歷的時間。在這里斜率的概念是表示PCB受熱后升溫的速率，它是溫度曲線中重要的工藝參數(shù)。圖中A、B、C、D四個區(qū)段，分別為定義為A：升溫區(qū) ，B：預(yù)熱恒溫區(qū)（保溫區(qū)或活化區(qū)），C：回流焊接區(qū)（焊接區(qū)或Reflow區(qū)），D：冷卻區(qū)。

升溫區(qū)A

PCB進(jìn)入回流焊鏈條或網(wǎng)帶，從室溫開始受熱到150℃的區(qū)域叫做升溫區(qū)。升溫區(qū)的時間設(shè)置在60-90秒，斜率控制在1-3之間。

此區(qū)域內(nèi)PCB板上的元器件溫度相對較快的線性上升，錫膏中的低沸點(diǎn)溶劑開始部分揮發(fā)。若斜率太大，升溫速率過快，錫膏勢必由于低沸點(diǎn)溶劑的快速揮發(fā)或者水氣迅速沸騰而發(fā)生飛濺，從而在爐后發(fā)生“錫珠”缺陷。過大的斜率也會由于熱應(yīng)力的原因造成例如陶瓷電容微裂、PCB板變形曲翹、BGA內(nèi)部損壞等機(jī)械損傷。升溫過快的另一個不良后果是錫膏無法承受較大的熱沖擊而發(fā)生坍塌，這是造成“短路”的原因之一。通常將該區(qū)域的斜率實(shí)際控制在1.5-2.5之間能得到滿意的效果。

預(yù)熱恒溫區(qū)B

此區(qū)域?yàn)楸貐^(qū)、活化區(qū)，該區(qū)域PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃，時間窗口在60-120秒之間。PCB板上各個部分緩緩受到熱風(fēng)加熱，溫度隨時間緩慢上升。斜率在0.3-0.8之間。

此時錫膏中的有機(jī)溶劑繼續(xù)揮發(fā)。活性物質(zhì)被溫度激活開始發(fā)揮作用，清除焊盤表面、零件腳和錫粉合金粉末中的氧化物。恒溫區(qū)被設(shè)計成平緩升溫的目的是為了兼顧PCB上貼裝的大小不一的元器件能均勻升溫。讓不同尺寸和材料的元器件之間的溫度差逐漸減小，在錫膏熔融之前達(dá)到最小的溫差，為在下一個溫度分區(qū)內(nèi)熔融焊接做好準(zhǔn)備。這是防止“立碑”缺陷的重要方法。合金錫膏配方里活性劑的活化溫度大都在150-200℃之間，這也是本溫度曲線在這個溫度區(qū)間內(nèi)預(yù)熱的原因之一。

需要注意的是：1、預(yù)熱時間過短。活性劑與氧化物反應(yīng)時間不夠，被焊物表面的氧化物未能有效清除。錫膏中的水氣未能完全緩慢蒸發(fā)、低沸點(diǎn)溶劑揮發(fā)量不足，這將導(dǎo)致焊接時溶劑猛烈沸騰而發(fā)生飛濺產(chǎn)生“錫珠”。潤濕不足，可能會產(chǎn)生浸潤不足的“少錫”“虛焊”、“空焊”、“漏銅”的不良。2、預(yù)熱時間過長?；钚詣┫倪^度，在下一個溫度區(qū)域焊接區(qū)熔融時沒有足夠的活性劑即時清除與隔離高溫產(chǎn)生的氧化物和助焊劑高溫碳化的殘留物。這種情況在爐后的也會表現(xiàn)出“虛焊”、“殘留物發(fā)黑”、“焊點(diǎn)灰暗”等不良現(xiàn)象。

回流焊接區(qū)C

回流區(qū)又叫焊接區(qū)或Refelow區(qū)。SAC305合金的熔點(diǎn)在217℃-218℃之間，所以本區(qū)域?yàn)?217℃的時間，峰值溫度<245℃，時間30-70秒。形成優(yōu)質(zhì)焊點(diǎn)的溫度一般在焊料熔點(diǎn)之上15-30℃左右，所以回流區(qū)最低峰值溫度應(yīng)該設(shè)置在230℃以上。考慮到Sn96.5Ag3.0Cu0.5無鉛錫膏的熔點(diǎn)已經(jīng)在217℃以上，為照顧到PCB和元器件不受高溫?fù)p壞，峰值溫度最高應(yīng)控制在250℃以下，筆者所見大部分工廠實(shí)際峰值溫度最高在245℃以下。?

預(yù)熱區(qū)后，PCB板上溫度以相對較快的速率上升到錫粉合金液相線，此時焊料開始熔融，繼續(xù)線性升溫到峰值溫度后保持一段時間后開始下降到固相線。

此時錫膏中的各種組分全面發(fā)揮作用：松香或樹脂軟化并在焊料周圍形成一層保護(hù)膜與氧氣隔絕。表面活性劑被激活用于降低焊料和被焊面之間的表面張力，增強(qiáng)液態(tài)焊料的潤濕力?；钚詣├^續(xù)與氧化物反應(yīng)，不斷清除高溫產(chǎn)生的氧化物與被碳化物并提供部分流動性，直到反應(yīng)完全結(jié)束。部分添加劑在高溫下分解并揮發(fā)不留下殘留物。高沸點(diǎn)溶劑隨著時間不斷揮發(fā)，并在回焊結(jié)束時完全揮發(fā)。穩(wěn)定劑均勻分布于金屬中和焊點(diǎn)表面保護(hù)焊點(diǎn)不受氧化。焊料粉末從固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，并隨著焊劑潤濕擴(kuò)展。少量不同的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)金屬間化合物，如典型的錫銀銅合金會有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。

回焊區(qū)是溫度曲線中最核心的區(qū)段。峰值溫度過低、時間過短，液態(tài)焊料沒有足夠的時間流動潤濕，造成“冷焊”、“虛焊”、“浸潤不良（漏銅）”、“焊點(diǎn)不光亮”和“殘留物多”等缺陷；峰值溫度過高或時間過長，造成“PCB板變形”、“元器件熱損壞”、“殘留物發(fā)黑”等等缺陷。它需要在峰值溫度、PCB板和元器件能承受的溫度上限與時間、形成最佳焊接效果的熔融時間之間尋求平衡，以期獲得理想的焊點(diǎn)。

冷卻區(qū)D

焊點(diǎn)溫度從液相線開始向下降低的區(qū)段稱為冷卻區(qū)。通常SAC305合金錫膏的冷卻區(qū)一般認(rèn)為217℃-170℃之間的時間段。

由于液態(tài)焊料降溫到液相線以下后就形成固態(tài)焊點(diǎn)，形成焊點(diǎn)后的質(zhì)量短期內(nèi)肉眼無法判斷，所以很多工廠往往不是很重視冷卻區(qū)的設(shè)定。然而焊點(diǎn)的冷卻速率關(guān)乎焊點(diǎn)的長期可靠性，不能不認(rèn)真對待。冷卻區(qū)的管控要點(diǎn)主要是冷卻速率。經(jīng)過很多焊錫實(shí)驗(yàn)室研究得出的結(jié)論：快速降溫有利于得到穩(wěn)定可靠的焊點(diǎn)。

通常人們的直覺認(rèn)為應(yīng)該緩慢降溫，以抵消各元器件和焊點(diǎn)的熱沖擊。然而，回流焊錫膏釬焊慢速冷卻會形成更多粗大的晶粒，在焊點(diǎn)界面層和內(nèi)部生較大Ag3Sn、Cu6Sn5等金屬間化合物顆粒。降低焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度和熱循環(huán)壽命，并且有可能造成焊點(diǎn)灰暗光澤度低甚至無光澤。

快速的冷卻能形成平滑均勻而薄的金屬間化物，形成細(xì)小富錫枝狀晶和錫基體中彌散的細(xì)小晶粒，使焊點(diǎn)力學(xué)性能和可靠性得到明顯的提升與改善。

生產(chǎn)應(yīng)用中，并不是冷卻速率越大越好。要結(jié)合回流焊設(shè)備的冷卻能力、板子、元器件和焊點(diǎn)能承受的熱沖擊來考量。應(yīng)該在保證焊點(diǎn)質(zhì)量時不損害板子和元器件之間尋求平衡。最小冷卻速率應(yīng)該在2.5℃以上，最佳冷卻速率在3℃以上。考慮到元器件和PCB能承受的熱沖擊，最大冷卻速率應(yīng)該控制在6-10℃。