柔性電路的脈沖加熱回流焊接

　　本文介紹，零件設(shè)計(jì)與工藝過程指南。

　　脈沖加熱回流焊接(pulse-heated reflow soldering)是一種工藝，將兩個(gè)預(yù)先上好助焊劑的、鍍錫的零件加熱到足以使焊錫熔化、流動(dòng)的溫度，固化后，在零件與焊錫之間形成一個(gè)永久的電氣機(jī)械連接。與傳統(tǒng)的焊接相反，脈沖加熱回流焊接通過對(duì)每個(gè)連接使用一個(gè)熱電極加熱和冷卻來焊接。在整個(gè)加熱、回流和冷卻周期內(nèi)要施加壓力。脈沖加熱控制將能量傳送到安裝在回流焊接頭上的熱電極。附著在熱電極上的熱電偶為可重復(fù)的、持續(xù)的熱源控制提供反饋。
　　焊接頭將兩個(gè)零件直接接觸。以一個(gè)精確的壓力，頭發(fā)信號(hào)給控制器，開始熱電極的加熱循環(huán)。熱電極將熱傳導(dǎo)給零件，隨后的熱傳導(dǎo)將零件之間的焊錫熔化。熔化的區(qū)域開始流動(dòng)，造成兩群焊錫的接合。當(dāng)控制器終止回流循環(huán)，在冷卻循環(huán)中零件繼續(xù)保持在一起，因此焊錫重新固化，形成焊點(diǎn)。一個(gè)好焊點(diǎn)應(yīng)該是焊錫充分地結(jié)合兩個(gè)表面，在兩個(gè)零件表面發(fā)生熔濕(wetting)。

電線元件(Flex Component)
　　用于脈沖加熱回流焊接工藝的最常見類型的電線是由聚酰亞胺(polyimide)制造的，也叫做“Kapton?”。兩層聚酰亞胺包膠銅跡線(trace) - 一般 0.5~2 盎司(ounce)。兩種最常見的銅導(dǎo)線是軋制韌化(RA, rolled annealed)銅和電解沉淀(ED, electrodeposited)銅；電解沉淀銅最有成本效益，被廣泛使用。銅跡線的厚度范圍是 0.0007~0.004" (0.02~0.10mm)。聚酰亞胺的可操作溫度范圍是 130~200°C，可經(jīng)受高達(dá)300°C的短期焊接溫度。熱電極的溫度總是高于被熱電極加熱的零件溫度。在熱電極與焊點(diǎn)之間、橫穿Kapton電線，可能發(fā)生 50~80°C的溫降，決定于厚度。電線(flex)的厚度范圍是 0.001~0.0047" (0.0254~0.12mm)。

在脈沖加熱回流焊接工藝的柔性電路上使用的三種常見類型的端子設(shè)計(jì)是：
暴露引線設(shè)計(jì)(exposed lead design) - 這種設(shè)計(jì)將聚酰亞胺材料的兩面去掉，留下不絕緣的跡線。熱電極直接接觸跡線，將熱傳導(dǎo)給零件。如果PCB焊盤與熱電極腳印尺寸正確，這種設(shè)計(jì)將容許一些多余的焊錫在焊盤上，因?yàn)楹稿a可能流到開放的區(qū)域。在工藝過程中，焊錫也將熔濕跡線頂部。在處理零件時(shí)必須小心，因?yàn)檑E線容易彎曲或損壞。
單面電線設(shè)計(jì)(single-sided flex design) - 這種設(shè)計(jì)只從一面去掉聚酰亞胺。熱量從熱電極通過固體聚酰亞胺表面?zhèn)鲗?dǎo)到底下暴露的跡線。聚酰亞胺通過絕緣體傳導(dǎo)熱量到暴露的跡線和PCB焊盤。在焊接點(diǎn)區(qū)域的聚酰亞胺的厚度限制在0.002"，使得可以熱傳導(dǎo)。如果聚酰亞胺必須加熱超過260°C，可能造成表面燒傷和熱電極污染。這個(gè)設(shè)計(jì)不容許過多焊錫在PCB焊盤上，因?yàn)榇嬖诤苌倏臻g來過多流動(dòng)。
開窗式電線設(shè)計(jì)(open-windowed flex design) - 這種設(shè)計(jì)將焊接區(qū)域的兩面的聚酰亞胺去掉，但在邊緣和跡線尾端都有剩下的聚酰亞胺材料支持。該設(shè)計(jì)給予裝配一定的強(qiáng)度，并對(duì)較生硬的處理有彈性。因?yàn)檑E線暴露，對(duì)零件的熱傳導(dǎo)是良好的，有額外的空間給剩余的焊錫流動(dòng)。熱電極的尺寸是關(guān)鍵的，因?yàn)樗仨氝m合窗口，并允許熔化的焊錫流動(dòng)的空間。
電線與PCB跡線的尺寸(Flex and PCB Trace Sizes)
　　理想地，柔性電路的焊盤應(yīng)該比PCB上的焊盤在寬度上更窄。隨著焊錫熔化、零件壓下，焊錫被擠到旁邊。該設(shè)計(jì)將允許焊錫在柔性焊盤的另一面流動(dòng)的空間，將容許PCB上更多的焊錫，避免錫橋問題。
　　柔性電路上更小的焊盤寬度將幫助兩個(gè)零件的定位與對(duì)中。對(duì)于密間距(fine pitch)的應(yīng)用，PCB跡線的寬度設(shè)計(jì)成間距的50%。這種設(shè)計(jì)減少由于不對(duì)準(zhǔn)所造成的短路。

通用基板零件設(shè)計(jì)指南
　　多數(shù)PCB材料諸如FR-2和FR-4對(duì)于工藝期間的局部受熱是很有彈性的。象陶瓷基板這樣的材料必須以一種更受控的方式來加熱，以減少破裂的機(jī)會(huì)。兩個(gè)零件的散熱能力太大的差距也可能引起冷卻期間的焊接破裂。
　　沿焊接點(diǎn)長(zhǎng)度上的散熱差異是最常見的要克服的設(shè)計(jì)問題。小的差別影響也小，但沿焊接區(qū)域的任何熱質(zhì)量改變都將引起溫度和焊接點(diǎn)質(zhì)量的不一致。

散熱、焊盤區(qū)域設(shè)計(jì)問題，解決方案
　　熱可能很容易從焊接區(qū)域傳導(dǎo)到大的焊盤，如果位置太靠近焊接區(qū)域(圖一A)。加大的跡線寬度和電鍍的通孔從焊接區(qū)域吸走熱量(圖一B)。寬度減小的跡線就好象擋熱墻，阻止焊盤的任何散熱(圖一C)。如果使用小跡線擋熱墻，沒有散熱存在的有效的最小面積是0.08"(0.2mm)(圖一D)。相等尺寸的小跡線作擋熱墻用，保證焊接區(qū)域相同的加熱。
　　從焊盤引出的跡線應(yīng)該相同的寬度，盡可能地窄(圖二)。這種設(shè)計(jì)將起擋熱墻的作用，防止焊接期間過多的熱量從焊盤區(qū)域排走。對(duì)于多層板，將粘結(jié)區(qū)域下的跡線限制為最小寬度的(信號(hào))跡線，在PCB的焊盤之下均勻地分布。PCB上任何屏蔽都在焊接區(qū)域有同等的影響。

PCB焊盤的焊接要求
　　焊錫沉積的可重復(fù)性對(duì)達(dá)到良好的過程控制是關(guān)鍵的。在許多情況中可能要求試驗(yàn)來獲得理想的焊錫量。一個(gè)良好的開始點(diǎn)是使用一塊0.006"的絲印模板，40%的焊盤覆蓋面積。
　　PCB焊盤上要求的焊錫數(shù)量取決于幾個(gè)因素。焊盤尺寸與間距決定可施用的焊錫量的最大與最小，使用絲印模板工藝。模板印刷的焊錫在回流工藝之前應(yīng)該熔合。小焊盤與小間距要求較少的焊錫，防止焊點(diǎn)形成錫橋。
　　電線(flex)的設(shè)計(jì)也將影響焊錫量。開窗的電線和暴露的跡線的電線將得到比單面電線稍微較多的焊錫量。

熱電極尺寸與對(duì)零件的定位
　　熱電極應(yīng)該按照焊盤和電線的尺寸來確定尺寸，如圖三所示。熱電極的長(zhǎng)度必須完全覆蓋跡線，在每一邊超出至少一個(gè)焊盤間距。熱電極的寬度應(yīng)該提供充分的熱傳導(dǎo)，以達(dá)到在最短的時(shí)間內(nèi)完成焊接，因此消除對(duì)零件的溫度危害。熱電極的寬度也應(yīng)該接納足夠的空隙給熔化的焊錫位移，消除錫橋的任何機(jī)會(huì)。
熱電極的寬度
　　為了熱電極最好的熱性能和壽命，最小尺寸應(yīng)該是0.059"。標(biāo)準(zhǔn)尺寸是0.079"，以達(dá)到更好的性能和壽命。在焊錫量沒有好好控制或者空間受限制的地方，可以使用0.047"寬的熱電極，可是，熱電極的壽命與性能將減少。
電線(flex)焊盤寬度
　　注意，電線焊盤短于PCB焊盤(圖四)，這樣方便焊點(diǎn)的檢查。
PCB焊盤寬度
　　額外的寬度允許額外的焊錫和方便檢查。PCB焊盤大約是熱電極寬度的三倍。表一的尺寸只是指導(dǎo)性的?？赡芤笠恍┰囼?yàn)，因?yàn)楹稿a量不同。
熱電極定位
　　當(dāng)在暴露的或開窗的電線(flex)上面定位熱電極時(shí)，熱電極不應(yīng)該定位太靠近電線主體的邊緣(圖五)。一些柔性電路有較薄和較厚的涂層在其中等跡線兩面。如果是這樣，將跡線較薄的一面定位在PCB上，這將減少當(dāng)熱電極推下跡線時(shí)熱電極損傷跡線的機(jī)會(huì)。

表一、建議熱電極的寬度/焊盤長(zhǎng)度與間距
PCB?? PCB
焊盤間距(mm/inches) 熱電極寬度(mm/inches) 焊盤長(zhǎng)度(mm/inches)
0.8/0.031 1.5/0.059 4.5/0.177
1.2/0.047 1.5/0.059 4.5/0.177
1.4/0.055 2.0/0.079 5.0/0.197
1.5/0.059 2.5/0.098 5.5/0.217
1.6/0.069 2.5/0.098 5.5/0.217
1.8/0.071 2.5/0.098 6.0/0.236
2.0/0.079 3.0/.0118 6.0/0.236
3.0/0.119 3.0/0.118 6.0/0.236

熱電極制造、溫度特性
　　現(xiàn)代線路腐蝕技術(shù)如EDM和高級(jí)材料已經(jīng)允許精密設(shè)計(jì)的熱電極的制造，以適合大多數(shù)應(yīng)用。三維的熱電極在表面周圍通過電流，因此，在跡線之間具有零電勢(shì)。在機(jī)器工藝中的這些技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生在橫跨長(zhǎng)度上的恒溫設(shè)計(jì)，專門的合金取得平整與共面性。焊錫將不會(huì)熔濕到使用的材料，它們對(duì)氧化是有彈性的。

工具與零件定位
　　熱彈性的、高溫塑料如 peek(Kepton?) 或 tuffnel 應(yīng)該用在回流區(qū)域的下面，來防止從焊接區(qū)散熱。模具座應(yīng)該完全平整，因?yàn)樵摴に嚨馁|(zhì)量決定于當(dāng)施加熱電極壓力時(shí)達(dá)到熱量均勻分布。最好的表面處理技術(shù)是用磨削來拋磨表面。如果可能，零件應(yīng)該定位在與回流區(qū)靠近的定位銷上。經(jīng)常，電線(flex)上的定位孔用銅跡線來加固，得到更好的強(qiáng)度與精度。如果不可能有定位孔，零件可以從方邊上定位和夾緊。因?yàn)殡娋€(flex)不是剛性的，可能要求零件座中的真空孔來把它保持平整。對(duì)于密間距電線，X-Y定位臺(tái)和相機(jī)系統(tǒng)可能是有用的。由于設(shè)計(jì)零件時(shí)尺寸上的誤差或批量與批量之間的變化，夾具是重要的。

準(zhǔn)備
　　較常見的，兩個(gè)零件都要預(yù)先鍍錫。如果沒有，達(dá)到單面電線(flex)與鍍金或錫的焊盤之間的熔濕還是可能的。兩個(gè)零件的基礎(chǔ)電鍍經(jīng)常有足夠的焊錫達(dá)到單面電線的可靠焊點(diǎn)。
　　可是，多數(shù)電線設(shè)計(jì)將要求額外的焊錫，通常用絲印工藝來施用，預(yù)先回流。對(duì)于較密間距的應(yīng)用，焊錫通常在回流之前通過熱空氣均勻。熱空氣均勻法(hot air leveling)可使焊盤上的焊錫均勻分布，達(dá)到更好的熱傳導(dǎo)。這個(gè)方法也使在加熱條的壓力作用下的對(duì)位更容易保持。零件必須沒有灰塵，一般要清潔和沒有氧化。通常用助焊劑來保證清除任何氧化物障礙，以允許適當(dāng)?shù)娜蹪癜l(fā)生。

助焊劑
　　助焊劑有兩個(gè)重要特性：把熱傳導(dǎo)給焊錫和通過清潔和除掉表面氧化物來促進(jìn)表面熔濕(wetting)。對(duì)于容易焊接的零件，脈沖加熱焊接工藝只要求少量非活性的助焊劑。通常使用免洗助焊劑。推薦使用低固含量的助焊劑，因?yàn)楣腆w含量越低，熱電極的污染越少。在開始焊接工藝之前，應(yīng)該允許任何有的溶劑干燥。

安全
　　脈沖加熱熱電極焊接工藝是安全的，因?yàn)楫?dāng)壓向零件時(shí)只有加熱單元是熱的。另外，只需要很少數(shù)量的助焊劑，比傳統(tǒng)的焊接產(chǎn)生較少的煙霧。操作員在這個(gè)期間還應(yīng)該防止碰到熱電極，也應(yīng)該防止夾住的危險(xiǎn)。

焊接方法：工藝步驟
基板放入夾具，助焊劑施加到焊盤。
電線定位在零件夾具內(nèi)，保證兩套焊盤的對(duì)準(zhǔn)。
給出工藝開始信號(hào)到焊接控制器。
焊接控制器驅(qū)動(dòng)焊接頭和熱電極模塊到零件
以一個(gè)預(yù)設(shè)的壓力，開始加熱過程。
加熱過程
預(yù)熱
　　將一個(gè)長(zhǎng)度達(dá)到2"的現(xiàn)代設(shè)計(jì)的熱電極加熱到焊接溫度需要大約兩秒鐘。在這期間，助焊劑活化，開始通過去掉氧化層來提高熔濕。預(yù)熱只是當(dāng)過多的散熱片影響熱電極時(shí)使用，或者當(dāng)應(yīng)用了脆弱的基板如陶瓷需要以更加受控的方式加熱以避免破裂的時(shí)候。
升溫
　　升溫到焊接溫度的時(shí)間應(yīng)該可編程，以允許精確的加熱率控制。當(dāng)脆弱基板可容易地被太快的加熱率損壞時(shí)，這個(gè)特性特別有用。對(duì)于大多數(shù)熱電極一般的升溫時(shí)間為 1.5~2 秒。
回流
　　實(shí)際時(shí)間與溫度可以在這個(gè)階段編程控制。理想地，可編程時(shí)間為 0.1 秒遞增，溫度為一度的遞增。通常，對(duì)于用直接熱電極接觸到零件的開放式焊點(diǎn)，溫度設(shè)定點(diǎn)為 280~330°C。雖然正常的焊錫在180°C回流，熱電極必須設(shè)定更高，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)損失。一個(gè)典型的單面電線將要求 330~400°C，由于在Kapton材料內(nèi)的溫度損失。用最少的時(shí)間和溫度來達(dá)到所希望的焊接點(diǎn)，以減少零件對(duì)熱的暴露和損壞的機(jī)會(huì)。
冷卻
　　冷卻是一個(gè)可編程溫度，在這一點(diǎn)，控制器將驅(qū)動(dòng)頭到上面的位置。這個(gè)溫度將設(shè)定到剛好在焊錫的固化溫度之下。因此，只要焊錫變成固體，過程即終止，焊點(diǎn)形成。冷卻過程可用強(qiáng)制空氣冷卻來縮短。電源供應(yīng)可編程來觸發(fā)一個(gè)繼電器，這個(gè)繼電器是控制回流階段結(jié)束時(shí)的空氣流動(dòng)和迅速冷卻焊接點(diǎn)與熱電極。因?yàn)槎鄶?shù)連接都有相對(duì)高的散熱，焊錫的溫度比測(cè)量的熱電極的溫度較低，甚至當(dāng)使用冷卻空氣時(shí)。因此，在大多數(shù)情況下，釋放溫度可以設(shè)定在180°C，而沒有機(jī)會(huì)碰到干焊點(diǎn)。

力的控制和簡(jiǎn)單系統(tǒng)的例子
　　多數(shù)這類回流焊點(diǎn)要求少于20磅的壓力。壓力必須精確控制。應(yīng)該校準(zhǔn)，設(shè)定到正確的水平，以達(dá)到適當(dāng)?shù)臒醾鲗?dǎo)到達(dá)焊接點(diǎn)。熱電極安裝應(yīng)該包括共面性調(diào)整，或者頭本身易于安裝。現(xiàn)代設(shè)計(jì)有或者氣動(dòng)或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置，熱電極冷卻的內(nèi)置閥。許多頭結(jié)構(gòu)上是模塊式的，因此，對(duì)定位與半自動(dòng)夾具都是通用的。線性滑動(dòng)允許零件從焊接區(qū)域的安裝與卸裝。對(duì)于高產(chǎn)量的生產(chǎn)可能寧可使用旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)系統(tǒng)，因?yàn)椴僮鲉T可在一套零件正在焊接的同時(shí)裝載另一套零件。

質(zhì)量控制與檢查
　　當(dāng)焊點(diǎn)冷卻時(shí)維持壓力，減少干焊點(diǎn)(dry joint)的可能性。熱電極的壓印應(yīng)該在焊接點(diǎn)上看到，甚至寬度與長(zhǎng)度。視覺跡象應(yīng)該顯示回流已經(jīng)發(fā)生，當(dāng)零件撕開時(shí)結(jié)果焊點(diǎn)應(yīng)該在焊接區(qū)域有顆粒狀外形。焊盤到板或電線的熔焊或脫層不應(yīng)該明顯。在使用單面電線的地方，在聚酰亞胺的上面可能有記號(hào)或變色，但不應(yīng)該看到燒結(jié)或分離。助焊劑殘留物可以在回流過程之后清潔。免洗、低殘留助焊劑不要求焊后清潔。
　　溫度與時(shí)間過程數(shù)據(jù)可以從控制器收集，以圖表格式顯示，以說明過程的穩(wěn)定性。

過程維護(hù)
　　要求零件夾具清潔度的維護(hù)，以保證零件繼續(xù)平齊地坐入底座。熱電極的定期維護(hù)也是必要的，以防止烤焦的助焊劑的積累。使用助焊劑溶劑或用很細(xì)的金剛砂或研磨紙放置在平的剛性表面清洗熱電極，將維持對(duì)零件的良好的熱傳導(dǎo)。不要圓整熱電極的邊或損壞平整性。在對(duì)那些熱電極直接定位在與焊錫接觸的引腳上的焊接過程和對(duì)那些熱電極接觸Kapton表面的焊接過程的熱電極污染之間有明顯的不同。在第一種情況，污染與熱電極磨損是高得多的，清潔必須定期進(jìn)行。熱電偶節(jié)點(diǎn)連接必須保持清潔和整齊，以保證可重復(fù)的溫度控制。熱電偶類型K與E不受助焊劑腐蝕，但J型可能被侵蝕。

結(jié)論
　　如果遵循某種基本的設(shè)計(jì)規(guī)則，將柔性電路焊接到PCB的脈沖加熱熱電極回流焊接是一個(gè)穩(wěn)定的和很好控制的工藝過程。這些規(guī)則不同于應(yīng)用于傳統(tǒng)焊接工藝的規(guī)則。通過焊點(diǎn)設(shè)計(jì)提供容易和均等的熱量產(chǎn)生，工藝窗口可以實(shí)際上更寬。窗口甚至可以通過一個(gè)設(shè)計(jì)增加更多，該設(shè)計(jì)接納焊錫流動(dòng)和可以補(bǔ)償在前面工藝步驟中的變化。良好的焊點(diǎn)設(shè)計(jì)和可重復(fù)的焊錫量的精密控制是生產(chǎn)成功的關(guān)鍵。對(duì)產(chǎn)品小型化和減少重量的日益增長(zhǎng)的需求是電子工業(yè)柔性電路使用增加的主要驅(qū)動(dòng)力。今天的對(duì)熱電極焊接工藝的控制為這個(gè)增長(zhǎng)市場(chǎng)的內(nèi)連接需求提供一個(gè)適于生產(chǎn)的、可靠的解決方案。