真空回流焊爐/真空焊接爐——正負(fù)壓焊接工藝詳解

如今科技發(fā)展越來(lái)越快，元器件的集成度越來(lái)越高，人們對(duì)元器件功能的要求也越來(lái)越多，比如原來(lái)需要幾個(gè)模塊或芯片能完成的功能，現(xiàn)在集成到一個(gè)芯片中，并且現(xiàn)在一個(gè)芯片的封裝尺寸不足原來(lái)芯片的二分之一、十分之一， 甚至更小……然而問(wèn)題就來(lái)了，集成度高了，外觀尺寸縮小了，功能強(qiáng)大了，那么器件的散熱問(wèn)題、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸衰減等難題也隨之而來(lái)。有些廠家在芯片頂部加散熱片、水冷等，但器件引腳細(xì)、小，芯片也不可能全部用高熱傳導(dǎo)的金屬材料來(lái)做封裝，因此就會(huì)造成芯片底部的局部發(fā)熱量大，信號(hào)不穩(wěn)定等問(wèn)題。有些高功率的器件因散熱處理不到位而造成局部溫度都接近或達(dá)到了焊料的熔點(diǎn)。為了解決這方面的問(wèn)題，很多制造商加工廠商不得不采用高熔點(diǎn)的焊料，如金錫、高鉛。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是您的器件本身是否能承受得住這種高溫焊接的要求？還有的制造加工廠商，采用真空回流焊來(lái)焊接，但焊接后的器件因空洞率在3%-10%之間，甚至超過(guò)了10%，針對(duì)于功率大，散熱要求高，引腳小，集成度高的器件，仍然無(wú)法滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的高需求標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下，成都共益緣真空設(shè)備有限公司集院所專(zhuān)家、相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員、有著二十余載真空回流焊及相關(guān)產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)骨干，經(jīng)過(guò)近三年的研發(fā)、測(cè)試，于2021年6月終于成功研制出了適用于正負(fù)壓焊接工藝的真空回流焊。

一、老式真空回流焊焊接工藝的剖析

老式真空回流焊焊接工藝示意圖如下（以無(wú)鉛 305 焊料為例）

1、老式的焊接工藝（以無(wú)鉛焊接工藝、充甲酸為例）： 抽真空——充氮?dú)猓ɑ蚣姿幔┴?fù)壓 50000PA-100000PA——加熱至160-180℃（拉升升溫速率為1.5-3℃/秒）——恒溫將溫度從160-180℃升到熔點(diǎn)溫度217℃（60-120秒）——加熱拉升（245-260℃）——恒溫0-10秒——抽真空（1-100PA，30-50秒，0.1PA，50-100秒，因真空艙大小而異）——恒溫0-100秒——冷卻至常溫——充氮?dú)庵脸骸〖?/p>

2、適用于此種焊接工藝的真空回流焊的優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低。

3、老式焊接工藝的焊接缺陷：

A.經(jīng)過(guò)我們多次測(cè)試，焊料中的氣泡在負(fù)壓0.1-100000PA的情況下，是很難自行破碎的，特別是面積較大的氣泡，氣泡面積越大，排出時(shí)受到的阻力就越大，因此很難將其從焊料中排出來(lái)；

如上圖，其間形成的那個(gè)大氣泡，就算延長(zhǎng)抽真空時(shí)間10-30分鐘，氣泡依然無(wú)法消失，有人說(shuō)我排個(gè)五六個(gè)、七八個(gè)小時(shí)，怎么也能將其排出來(lái)吧？這么長(zhǎng)時(shí)間我們沒(méi)做過(guò)測(cè)試，我們只做過(guò)1.5個(gè)小時(shí)的測(cè)試，這種大氣泡只是往邊沿移動(dòng)了差不多2mm左右。況且每種焊料都有其固有的焊接工藝，如果過(guò)度地追求空洞率，時(shí)間長(zhǎng)了可能會(huì)造成其他焊接缺陷。

B.焊料在0.1-100PA的情況下，焊料的熔化溫度會(huì)有所增加（原因在于焊料中的助焊成分在真空和受熱的環(huán)境下還沒(méi)有達(dá)到發(fā)揮助焊功能的外界溫度時(shí)就快速揮發(fā)失效了），因此為了排出焊料中的氣泡，就需要更高的溫度和排氣時(shí)間 ，但因焊料工藝及器件耐溫時(shí)間是有嚴(yán)格要求的，如果過(guò)長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷、損壞焊件，因此對(duì)生產(chǎn)加工制造商們加大了生產(chǎn)難度。

C.如果在焊接工藝中充入H2、CO、甲酸等還原可燃燒氣體或N2等惰性還原氣體，充入真空艙中氣體的壓力在大氣壓下5000-50000PA，甚至與大氣壓一致（100000PA）的情況下，首先焊料中的氣泡很難破碎；如果是充入可燃燒還原氣體，還容易造成爆燃或爆炸，造成焊件的二次氧化，在爆燃的瞬間，高溫達(dá)到幾百上千度，瞬間損壞焊件性能，爆炸就更嚴(yán)重了；有些真空回流焊廠家不加裝燃燒裝置，直接利用真空泵將還原氣體抽放到室外，這種情況會(huì)減少真空泵的使用壽命，污染真空泵中的真空油，增加保養(yǎng)次數(shù)，如果排放管路有泄漏到生產(chǎn)車(chē)間，濃度達(dá)到一定程度，產(chǎn)生爆炸，后果不堪想象；還有真空回流焊廠家在排放燃燒時(shí)，先充氮?dú)鈱⒄婵张搩?nèi)的壓力充至正壓后再進(jìn)行排放燃燒，但還原氣體的濃度過(guò)低時(shí)，就無(wú)法自行燃燒，未燃燒徹底的剩余還原氣體排放到室外，如果泄漏到生產(chǎn)車(chē)間，后果不堪設(shè)想。

二、新型真空回流焊-正負(fù)壓焊接工藝的剖析

新型真空回流焊-正負(fù)壓焊接工藝示意圖如下（以無(wú)鉛焊料為例）

1、正負(fù)壓焊接工藝（以無(wú)鉛焊接工藝、充甲酸為例）：抽真空——充氮?dú)猓ɑ蚣姿幔┱龎?1000PA-500000PA（大氣壓為 100000PA，正壓1000PA=絕壓101000PA；正壓500000PA=絕壓 600000PA）——加熱至160-180℃（拉升升溫速率為1.5-3℃/秒）——恒溫將溫度從160-180℃升到熔點(diǎn)溫度217℃（60-120秒）——加熱拉升（245-260℃）——恒溫0-10秒——抽真空（1-100PA，30-50秒，0.1PA，50-100秒，因真空艙大小而異）——恒溫0-100秒——冷卻至常溫——充氮?dú)庵脸骸〖?/p>

2、適用于此種焊接工藝的真空回流焊的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本略高。

3、適用于此種焊接工藝的真空回流焊的優(yōu)點(diǎn)：

A.制程工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需太專(zhuān)業(yè)的制程工藝工程師即可完成 在滿(mǎn)足焊料焊接工藝的條件下，能將空洞率降到最低，如5*5的晶元焊接，在原焊料焊接工藝曲線的基礎(chǔ)上增加 20-60 秒的抽真空時(shí)間，空洞率可以控制在1%以?xún)?nèi)。

B.空洞率低，焊接可靠性高：經(jīng)我們多次測(cè)試統(tǒng)計(jì)，5*5的晶元焊接，低溫焊片/焊膏：空洞率≤1%，無(wú)鉛焊料：空洞率≤2%。如果將排氣泡時(shí)間加長(zhǎng)點(diǎn)，空洞率可能達(dá)到1%以下，就算有氣泡，也是小氣泡，碎氣泡，如下圖：

可能有朋友就會(huì)問(wèn)了，為什么你們能如此確定？那么我們就跟您講講為什么利用正負(fù)壓焊接工藝焊接后產(chǎn)生大氣泡的可能性幾乎為零；我想大家都玩過(guò)氫氣球吧？氫氣球放飛，升空后，升到一定高度時(shí)，就爆了，對(duì)吧？其實(shí)我們的正負(fù)壓焊接工藝的原理就來(lái)自于此，當(dāng)我們的焊料在高于一個(gè)大氣壓下100000-500000PA（也就是1-5個(gè)大氣壓下）的環(huán)境中熔化時(shí)，那么焊料在熔化過(guò)程中，形成的氣泡中的壓強(qiáng)是不是與我們焊接環(huán)境下的壓強(qiáng)一致？ 在回流區(qū)時(shí)，我們?cè)侔颜婵张搩?nèi)的焊接環(huán)境抽成真空0.1-100PA，那么焊料中的壓強(qiáng)與其外界環(huán)境的壓強(qiáng)差就達(dá)到了200000-600000PA，在這么大的壓差下，氣泡不破都難。當(dāng)然，這個(gè)工藝需要配合成都共益緣真空設(shè)備有限公司自行研發(fā)的真空回流焊爐才能正常使用。

關(guān)于正負(fù)壓焊接工藝的介紹就到這里，有說(shuō)得不明白或不到位的，請(qǐng)各位朋友見(jiàn)諒，也歡迎更多的朋友能與我們共同探討，攜手共進(jìn)！若您對(duì)匹配了正負(fù)壓焊接工藝的真空回流焊/真空共晶爐感興趣，還可以和我們聯(lián)系，或前往官網(wǎng)了解。

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