再流焊接的技術(shù)要求

摘 要：隨著表面貼裝技術(shù)的發(fā)展，再流焊越來越受到人們的重視。本文介紹了再流焊接的一般技術(shù)要求，并給出了典型溫度曲線以及溫度曲線上主要控制點(diǎn)的工藝參數(shù)。同時(shí)還介紹了再流焊中常見的質(zhì)量缺陷，并粗淺地討論了其產(chǎn)生的原因及其相應(yīng)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：再流焊；表面貼裝技術(shù)；表面組裝組件；溫度曲線

再流焊接是表面貼裝技術(shù)(SMT)特有的重要工藝，焊接工藝質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響正常生產(chǎn)，也影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。因此對(duì)再流焊工藝進(jìn)行深入研究，并據(jù)此開發(fā)合理的再流焊溫度曲線，是保證表面組裝質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

影響再流焊工藝的因素很多，也很復(fù)雜，需要工藝人員在生產(chǎn)中不斷研究探討，本文將從多個(gè)方面來進(jìn)行探討。

1 再流焊設(shè)備的發(fā)展

在電子行業(yè)中，大量的表面組裝組件(SMA)通過再流焊機(jī)進(jìn)行焊接，目前再流焊的熱傳遞方式經(jīng)歷了遠(yuǎn)紅外線—全熱風(fēng)—紅外／熱風(fēng)三個(gè)階段。

1．1 遠(yuǎn)紅外再流焊

八十年代使用的遠(yuǎn)紅外再流焊具有加熱快、節(jié)能、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，但由于印制板及各種元器件因材質(zhì)、色澤不同而對(duì)輻射熱吸收率有很大差異，造成電路上各種不同元器件以及不同部位溫度不均勻，即局部溫差。例如集成電路的黑色塑料封裝體上會(huì)因輻射吸收率高而過熱，而其焊接部位——銀白色引線上反而溫度低產(chǎn)生假焊。另外，印制板上熱輻射被阻擋的部位，例如在大(高)元器件陰影部位的焊接引腳或小元器件就會(huì)因加熱不足而造成焊接不良。

1．2 全熱風(fēng)再流焊

全熱風(fēng)再流焊是一種通過對(duì)流噴射管嘴或者耐熱風(fēng)機(jī)來迫使氣流循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)被焊件加熱的焊接方法。該類設(shè)備在90年代開始興起。由于采用此種加熱方式，印制板和元器件的溫度接近給定的加熱溫區(qū)的氣體溫度，完全克服了紅外再流焊的溫差和遮蔽效應(yīng)，故目前應(yīng)用較廣。 在全熱風(fēng)再流焊設(shè)備中，循環(huán)氣體的對(duì)流速度至關(guān)重要。為確保循環(huán)氣體作用于印制板的任一區(qū)域，氣流必須具有足夠快的速度。這在一定程度上易造成印制板的抖動(dòng)和元器件的移位。此外，采用此種加熱方式就熱交換方式而言，效率較差，耗電較多。

1．3 紅外熱風(fēng)再流焊

這類再流焊爐是在IR爐基礎(chǔ)上加上熱風(fēng)使?fàn)t內(nèi)溫度更均勻，是目前較為理想的加熱方式。這類設(shè)備充分利用了紅外線穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，熱效率高，節(jié)電，同時(shí)有效克服了紅外再流焊的溫差和遮蔽效應(yīng)，并彌補(bǔ)了熱風(fēng)再流焊對(duì)氣體流速要求過快而造成的影響，因此這種IR+Hot的再流焊目前在國際上是使用得最普遍的。

隨著組裝密度的提高、精細(xì)間距組裝技術(shù)的出現(xiàn)，還出現(xiàn)了氮?dú)獗Ｗo(hù)的再流焊爐。在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下進(jìn)行焊接可防止氧化，提高焊接潤(rùn)濕力，加快潤(rùn)濕速度，對(duì)未貼正的元件矯正力大，焊珠減少，更適合于免清洗工藝。

2 溫度曲線的建立

溫度曲線是指SMA通過回流爐時(shí)，SMA上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方法，來分析某個(gè)元件在整個(gè)回流焊過程中的溫度變化情況。這對(duì)于獲得最佳的可焊性，避免由于超溫而對(duì)元件造成損壞，以及保證焊接質(zhì)量都非常有用。一個(gè)典型的溫度曲線如圖1所示。

以下從預(yù)熱段開始進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 預(yù)熱段

該區(qū)域的目的是把室溫的PCB盡快加熱，以達(dá)到第二個(gè)特定目標(biāo)，但升溫速率要控制在適當(dāng)范圍以內(nèi)，如果過快，會(huì)產(chǎn)生熱沖擊，電路板和元件都可能受損；過慢，則溶劑揮發(fā)不充分，影響焊接質(zhì)量。由于加熱速度較快，在溫區(qū)的后段SMA內(nèi)的溫差較大。為防止熱沖擊對(duì)元件的損傷，一般規(guī)定最大速度為4℃/s。然而，通常上升速率設(shè)定為1-3℃／s。典型的升溫速率為2℃／s。

2．2 保溫段

保溫段是指溫度從120℃-150℃升至焊膏熔點(diǎn)的區(qū)域。其主要目的是使SMA內(nèi)各元件的溫度趨于穩(wěn)定，盡量減少溫差。在這個(gè)區(qū)域里給予足夠的時(shí)間使較大元件的溫度趕上較小元件，并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到保溫段結(jié)束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個(gè)電路板的溫度達(dá)到平衡。應(yīng)注意的是SMA上所有元件在這一段結(jié)束時(shí)應(yīng)具有相同的溫度，否則進(jìn)入到回流段將會(huì)因?yàn)楦鞑糠譁囟炔痪a(chǎn)生各種不良焊接現(xiàn)象。

2．3 回流段

在這一區(qū)域里加熱器的溫度設(shè)置得最高，使組件的溫度快速上升至峰值溫度。在回流段其焊接峰值溫度視所用焊膏的不同而不同，一般推薦為焊膏的溶點(diǎn)溫度加20-40℃。對(duì)于熔點(diǎn)為183℃的63Sn／37Pb焊膏和熔點(diǎn)為179℃的Sn62／Pb36／Ag2焊膏，峰值溫度一般為210-230℃，再流時(shí)間不要過長(zhǎng)，以防對(duì)SMA造成不良影響。理想的溫度曲線是超過焊錫熔點(diǎn)的“尖端區(qū)”覆蓋的面積最小。

2．4 冷卻段

這段中焊膏內(nèi)的鉛錫粉末已經(jīng)熔化并充分潤(rùn)濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來進(jìn)行冷卻，這樣將有助于得到明亮的焊點(diǎn)并有好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會(huì)導(dǎo)致電路板的更多分解而進(jìn)入錫中，從而產(chǎn)生灰暗毛糙的焊點(diǎn)。在極端的情形下，它能引起沾錫不良和減弱焊點(diǎn)結(jié)合力。冷卻段降溫速率一般為3-10℃／s，冷卻至75℃即可。

測(cè)量再流焊溫度曲線時(shí)需使用溫度曲線測(cè)試儀(以下簡(jiǎn)稱測(cè)溫儀)，其主體是扁平金屬盒子，一端插座接著幾個(gè)帶有細(xì)導(dǎo)線的微型熱電偶探頭。測(cè)量時(shí)可用焊料、膠粘劑、高溫膠帶固定在測(cè)試點(diǎn)上，打開測(cè)溫儀上的開關(guān)，測(cè)溫儀隨同被測(cè)印制板一起進(jìn)入爐腔，自動(dòng)按內(nèi)編時(shí)間程序進(jìn)行采樣記錄。測(cè)試記錄完畢，將測(cè)試儀與打印機(jī)連接，便可打印出多根各種色彩的溫度曲線。測(cè)溫儀作為SMT工藝人員的眼睛與工具，在國外SMT行業(yè)中已被相當(dāng)普遍地使用。

在使用測(cè)溫儀時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①測(cè)定時(shí)，必須使用已完全裝配過的板。首先對(duì)印制板元器件進(jìn)行熱特性分析，由于印制板受熱性能不同，元器件體積大小及材料差異等原因，各點(diǎn)實(shí)際受熱升溫不相同，找出最熱點(diǎn)、最冷點(diǎn)，分別設(shè)置熱電偶便可測(cè)量出最高溫度與最低溫度。 ②盡可能多設(shè)置熱電偶測(cè)試點(diǎn)，以求全面反映印制板各部分真實(shí)受熱狀態(tài)。例如印制板中心與邊緣受熱程度不一樣，大體積元件與小型元件熱容量不同及熱敏感元件都必須設(shè)置測(cè)試點(diǎn)。

③熱電偶探頭外形微小，必須用指定高溫焊料或膠粘劑固定在測(cè)試位置，否則受熱松動(dòng)，偏離預(yù)定測(cè)試點(diǎn)，引起測(cè)試誤差。

④所用電池為鋰電池與可重復(fù)充電鎳鎘電池兩種。結(jié)合具體情況合理測(cè)試及時(shí)充電，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3 影響再流焊加熱不均勻的主要因素

在SMT再流焊工藝造成對(duì)元件加熱不均勻的原因主要有：再流焊元件熱容量或吸收熱量的差別，傳送帶或加熱器邊緣影響，再流焊產(chǎn)品負(fù)載等三個(gè)方面。

①通常PLCC、QFP與一個(gè)分立片狀元件相比熱容量要大，焊接大面積元件就比小元件更困難些。

②在再流焊爐中，傳送帶在周而復(fù)始傳送產(chǎn)品進(jìn)行再流焊的同時(shí)，也成為一個(gè)散熱系統(tǒng)。此外在加熱部分的邊緣與中心散熱條件不同，邊緣一般溫度偏低，爐內(nèi)除各溫區(qū)溫度要求不同外，同一載面的溫度也有差異。

③產(chǎn)品裝載量不同的影響。再流焊的溫度曲線的調(diào)整要考慮在空載、負(fù)載及不同負(fù)載因子情況下能得到良好的重復(fù)性。負(fù)載因子定義為：LF=L／(L+S)；其中L=組裝基板的長(zhǎng)度，S=組裝基板的間隔。

再流焊工藝要得到重復(fù)性好的結(jié)果，負(fù)載因子愈大愈困難。通常再流焊爐的最大負(fù)載因子的范圍為0．5-0．9。這要根據(jù)產(chǎn)品情況(元件焊接密度、不同基板)和再流爐的不同型號(hào)來決定。要得到良好的焊接效果和重復(fù)性，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是很重要的。

4 與再流焊相關(guān)焊接缺陷的原因分析

4.1 橋聯(lián)

焊接加熱過程中也會(huì)產(chǎn)生焊料塌邊，這個(gè)情況出現(xiàn)在預(yù)熱和主加熱兩種場(chǎng)合，當(dāng)預(yù)熱溫度在幾十至一百度范圍內(nèi)，作為焊料中成分之一的溶劑即會(huì)降低粘度而流出，如果其流出的趨勢(shì)是十分強(qiáng)烈的，會(huì)同時(shí)將焊料顆粒擠出焊區(qū)外的含金顆粒，在熔融時(shí)如不能返回到焊區(qū)內(nèi)，也會(huì)形成滯留的焊料球。 除上面的因素外，SMD元件端電極是否平整良好，電路線路板布線設(shè)計(jì)與焊區(qū)間距是否規(guī)范，阻焊劑涂敷方法的選擇和其涂敷精度等都會(huì)是造成橋聯(lián)的原因。

4．2 立碑(曼哈頓現(xiàn)象)

片式元件在遭受急速加熱情況下發(fā)生的翹立，這是因?yàn)榧睙崾乖啥舜嬖跍夭睿姌O端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤(rùn)，而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤(rùn)不良，這樣促進(jìn)了元件的翹立。因此，加熱時(shí)要從時(shí)間要素的角度考慮，使水平方向的加熱形成均衡的溫度分布，避免急熱的產(chǎn)生。 防止元件翹立的主要因素有以下幾點(diǎn)：

①選擇粘接力強(qiáng)的焊料，焊料的印刷精度和元件的貼裝精度也需提高；

②元件的外部電極需要有良好的濕潤(rùn)性和濕潤(rùn)穩(wěn)定性。推薦：溫度40℃以下，濕度70％RH以下，進(jìn)廠元件的使用期不可超過6個(gè)月；

③采用小的焊區(qū)寬度尺寸，以減少焊料熔融時(shí)對(duì)元件端部產(chǎn)生的表面張力。另外可適當(dāng)減小焊料的印刷厚度，如選用100μm；

④焊接溫度管理?xiàng)l件設(shè)定也是元件翹立的一個(gè)因素。通常的目標(biāo)是加熱要均勻，特別在元件兩連接端的焊接圓角形成之前，均衡加熱不可出現(xiàn)波動(dòng)。

4．3 潤(rùn)濕不良

潤(rùn)濕不良是指焊接過程中焊料和電路基板的焊區(qū)(銅箔)或SMD的外部電極，經(jīng)浸潤(rùn)后不生成相互間的反應(yīng)層，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊區(qū)表面受到污染或沾上阻焊劑，或是被接合物表面生成金屬化合物層而引起的。譬如銀的表面有硫化物、錫的表面有氧化物都會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)濕不良。另外焊料中殘留的鋁、鋅、鎘等超過0．005％以上時(shí)，由于焊劑的吸濕作用使活化程度降低，也可發(fā)生潤(rùn)濕不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。選擇合適的焊料，并設(shè)定合理的焊接溫度曲線。

再流焊接是SMT工藝中復(fù)雜而關(guān)鍵的工藝，涉及到自動(dòng)控制、材料、流體力學(xué)和冶金學(xué)等多種科學(xué)。要獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量，必須深入研究焊接工藝的方方面面。本文僅從幾個(gè)方面就焊接工藝進(jìn)行了探討，而且許多觀點(diǎn)是僅就現(xiàn)有設(shè)備和工藝條件而言，成此文章僅為與同行交流。