SMT 再流焊工艺技术的研究

SMT 再流焊工艺技术的研究





再流焊接是表面贴装技术（SMT）特有的重要工艺，焊接工艺质量的优劣不仅影响正常生产，也影响最终产品的质量和可靠性。因此对再流焊工艺进行深入研究，并据此开发合理的再流焊温度曲线，是保证表面组装质量的重要环节。


影响再流焊工艺的因素很多，也很复杂，需要工艺人员在生产中不断研究探讨，本文将从多个方面来进行探讨。


一、 再流焊设备的发展


在电子行业中，大量的表面组装组件（SMA）通过再流焊机进行焊接，目前再流焊的热传递方式经历了远红外线--全热风--红外/ 热风二个阶段。


远红外再流焊


八十年代使用的远红外流焊具有加热快、节能、运作平稳的特点，但由于印制板及各种元器件因材质、色泽不同而对辐射热吸收率有很大差异，造成电路上各种不同元器件测验不同部位温度不均匀，即局部温差。例如集成电路的黑色塑料封装体上会因辐射被吸收率高而过热，而其焊接部位一银白色引线上反而温度低产生假焊。另外，印制板上热辐射被阻挡的部位，例如在大（高）元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件就会加热不足而造成焊接不良。


全热风再流焊


全热风再流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环，从而实现被焊件加热的焊接方法。该类设备在90年代开始兴起。由于采用此种加热方式，印制板和元器件的温度接近给定的加热温区的气体温度，完全克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应，故目前应用较广。


在全热风再流焊设备中，循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体作用于印制板的任一区域，气流必须具有足够快的速度。这在一定程度上易造成印制板的抖动和元器件的移位。此外，采用此种加热方式而言，效率较差，耗电较多。


红外热风再流焊


这类再流焊炉是在IR炉基础上加上热风使炉内温度更均匀，是目前较为理想的加热方式。这类设备充分利用了红外线穿透力强的特点，热效率高，节电，同时有效克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应，并弥补了热风再流焊对气体流速要求过快而造成的影响，因此这种IR+Hot的再流焊在国际上目前是使用最普遍的。


随着组装密度的提高，精细间距组装技术的出现，还出现了氮气保护的再流焊炉。在氮气保护条件下进行焊接可防止氧化，提高焊接润湿力润湿速度加快，对未贴正的元件矫正人力，焊珠减少，更适合于免清洗工艺。


二、 温度曲线的建立


温度曲线是指SMA通过回炉时，SMA上某一点的温度随时间变化的曲线。温度曲线提供了一种直观的方法，来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性，避免由于超温而对元件造成损坏，以及保证焊接质量都非常有用。


一个典型的温度曲线如下图所示。



以下从预热段开始进行简要分析。


预热段：


该区域的目的是把室温的PCB尽快加热，以达到第二个特定目标，但升温速率要控制在适当范围以内，如果过快，会产生热冲击，电路板和元件都可能受损，过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质量。由于加热速度较快，在温区的后段SMA内的温差较大。为防止热冲击对元件的损伤。一般规定最大速度为40C/S。然而，通常上升速率设定为1~30C/S。典型的升温度速率为20C/S.


保温段：


是指温度从1200C~1500C升至焊膏熔点的区域。保温段的主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定，尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到保温段结束，焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去，整个电路板的温度达到平衡。应注意的是SMA上所有元件在这一段结束时应具有相同的温度，否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。


回流段:


在这一区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度。在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同，一般推荐为焊膏为焊膏的溶点温度加20-400C.对于熔点为1830C的63Sn/37Pb焊膏和熔点为1790C的Sn62/Pb36/Ag2膏焊，峰值温度一般为210-2300C，再流时间不要过长，以防对SMA造成不良影响。理想的温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的体积最小。


冷却段


这段中焊膏中的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致电路板的更多分解而进入锡中，从而产生灰暗毛糙的焊点。在极端的情形下，它能引起沾锡不良和弱焊点结合力。冷却段降温速率一般为3~100C/S,冷却至750C即可。


测量再流焊温度曲线测试仪（以下简称测温仪），其主体是扁平金属盒子，一端插座接着几个带有细导线的微型热电偶探头。测量时可用焊料、胶粘剂、高温胶带固定在测试点上，打开测温仪上的开关，测温仪随同被测印制板一起进入炉腔，自动按内编时间程序进行采样记录。测试记录完毕，将测试仪与打印机连接， 便可打印出多根各种色彩的温度曲线。测温仪作为SMT工艺人员的眼睛与工具，在国外SMT行业中已相当普遍地使用。


在使用测温仪时，应注意以下几点：

1. 测定时，必须使用已完全装配过的板。首先对印制板元器件进行热特性分析，由于印制板受热性能不同，元器件体积大小及材料差异等原因，各点实际受热升温不相同，长出最热点，最冷点，分别设置热电偶便何测量出最高温度与最低温度。

1. 尽可能多设置热电偶测试点，以求全面反映印制板各部分真实受热状态。例如印制板中心与边缘受热程度不一样，大体积元件与小型元件热容量不同及热敏感元件都必须设置测试点。

1. 热电偶探头外形微小，必须用指定高温焊料或胶粘剂固定在测试位置，否则受热松动，偏离预定测试点，引起测试误差。

1. 所用电池为锂电池与可重复充电镍镉电池两种。结合具体情况合理测试及时充电，以保证测试数据准确性。

三、 影响再流焊加热不均匀的主要因素：


在SMT再流焊工艺造成对元件加热不均匀的原因主要有：再流焊元件热容量或吸收热量的差别，传送带或加热器边缘影响 ，再流焊产品负载等三个方面。

1. 通常PLCC、QFP与一个分立片状元件相比热容量要大，焊接大面积元件就比小元件更困难些。

1. 在再流焊炉中传送带在周而复使传送产品进行再流焊的同时，也成为一个散热系统，此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同，边缘一般温度偏低，炉内除各温区温度要求不同外，同一载面的温度也差异。

1. 产品装载量不同的影响。再流焊的温度曲线的调整要考虑在空载，负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。负载因子定义为：LF=L/(L+S);其中L=组装基板的长度，S=组装基板的间隔。

再流焊工艺要得到重复性好的结果，负载因子愈大愈困难。通常再流焊炉的最大负载因子的范围为0.5~0.9。这要根据产品情况（元件焊接密度、不同基板）和再流炉的不同型号来决定。要得到良好的焊接效果和重复性，实践经验很重要的。


四、 与再流焊相关焊接缺陷的原因分析


桥联


焊接加热过程中也会产生焊料塌边，这个情况出现在预热和主加热两种场合，当预热温度在几十至一百范围内，作为焊料中成分之一的溶剂即会降低粘度而流出，如果其流出的趋是下分强烈的，会同时将焊料颗粒挤出焊区外的含金颗粒，在溶融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留焊料球。


除上面的因素外SMD元件端电极是否平整良好，电路线路板布线设计与焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等会是造成桥接的原因。


立碑（曼哈顿现象）


片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立，这是因为急热元件两端存在的温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润，而另一边的焊料完全熔融而引起湿润不良，这样促进了元件的翘立。因此，加热时要从时间要素的角度考虑，使水平方向的加热形成均衡的温度分布，避免急热的产生。


防止元件翘立的主要因素以下几点：


① 选择粘力强的焊料，焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高。


② 元件的外部电极需要有良好的湿润性湿润稳定性。推荐：温度400C以下，湿度70％RH以下，进厂元件的使用期不可超过6个月。


③ 采用小的焊区宽度尺寸，以减少焊料溶融时对元件端部产生的表面张力。另外可适当减小焊料的印刷厚度，如选用100um。


④ 焊接温度管理条件设定对元件翘立也是一个因素。通常的目标是加热要均匀，特别是在元件两连接端的焊接圆角形成之前，均衡加热不可出现波动。


润湿不良


润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区（铜箔），或SMD的外部电极，经浸润后不生成相互间的反应层，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物，锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0.005％以上时，由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。选择合适和焊料，并设定合理的焊接温度曲线。


再流焊接是SMT工艺中复杂而关键的工艺，涉及到自动控制、材料、流体力学和冶金等多种科学、要获得优良的焊接质量，必须深入研究焊接工艺的方方面面。本文仅从几个方面就焊接工艺进行了探讨，而且许多观点仅就现有设备和工艺条件而言，成此文章。仅为与同行交流。