回流焊工藝發(fā)展介紹

回流焊工藝發(fā)展介紹

由于電子產(chǎn)品不斷小型化的需要，出現(xiàn)了片狀元件，傳統(tǒng)的焊接方法已不能適應(yīng)需要。首先在混合集成電路組裝中采用了回流焊工藝，組裝焊接的元件多數(shù)為片狀電容、片狀電感，貼裝型晶體管及二極管等。隨著SMT整個(gè)技術(shù)發(fā)展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件(SMD)的出現(xiàn)，作為貼裝技術(shù)一部分的回流焊工藝技術(shù)及設(shè)備也得到相應(yīng)的發(fā)展，其應(yīng)用日趨廣泛，幾乎在所有電子產(chǎn)品領(lǐng)域都已得到應(yīng)用，而回流焊技術(shù)，圍繞著設(shè)備的改進(jìn)也經(jīng)歷以下發(fā)展階段。
1． 熱板（Hot-plate）及推板式熱板傳導(dǎo)回流焊：
　　這類(lèi)回流焊爐依靠傳送帶或推板下的熱源加熱，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式加熱基板上的元件，用于采用陶瓷（Al2O3）基板厚膜電路的單面組裝，陶瓷基板上只有貼放在傳送帶上才能得到足夠的熱量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。我國(guó)的一些厚膜電路廠在80年代初曾引進(jìn)過(guò)此類(lèi)設(shè)備。
2． 紅外線輻射回流焊：
此類(lèi)回流焊爐也多為傳送帶式，但傳送帶僅起支托、傳送基板的作用，其加熱方式主要依紅外線熱源以輻射方式加熱，爐膛內(nèi)的溫度比前一種方式均勻，網(wǎng)孔較大，適于對(duì)雙面組裝的基板進(jìn)行回流焊接加熱。這類(lèi)回流焊爐可以說(shuō)是回流焊爐的基本型。在我國(guó)使用的很多，價(jià)格也比較便宜。
3． 紅外加熱風(fēng)（Hot air）回流焊：
　　這類(lèi)回流焊爐是在IR爐的基礎(chǔ)上加上熱風(fēng)使?fàn)t內(nèi)溫度更均勻，單純使用紅外輻射加熱時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)在同樣的加熱環(huán)境內(nèi)，不同材料及顏色吸收熱量是不同的，即（1）式中Q值是不同的，因而引起的溫升ΔT也不同，例如IC等SMD的封裝是黑色的酚醛或環(huán)氧，而引線是白色的金屬，單純加熱時(shí)，引線的溫度低于其黑色的SMD本體。加上熱風(fēng)后可使溫度更均勻，而克服吸熱差異及陰影不良情況，IR + Hot air的回流焊爐在國(guó)際上曾使用得很普遍。
4． 充氮（N2）回流焊：
　　隨著組裝密度的提高，精細(xì)間距（Fine pitch）組裝技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了充氮回流焊工藝和設(shè)備，改善了回流焊的質(zhì)量和成品率，已成為回流焊的發(fā)展方向。氮?dú)饣亓骱赣幸韵聝?yōu)點(diǎn)：
（1） 防止減少氧化
（2） 提高焊接潤(rùn)濕力，加快潤(rùn)濕速度
（3） 減少錫球的產(chǎn)生，避免橋接，得到列好的焊接質(zhì)量
　　得到列好的焊接質(zhì)量特別重要的是，可以使用更低活性助焊劑的錫膏，同時(shí)也能提高焊點(diǎn)的性能，減少基材的變色，但是它的缺點(diǎn)是成本明顯的增加，這個(gè)增加的成本隨氮?dú)獾挠昧慷黾樱?dāng)你需要爐內(nèi)達(dá)到1000ppm含氧量與50ppm含氧量，對(duì)氮?dú)獾男枨笫怯刑烊乐畡e的?，F(xiàn)在的錫膏制造廠商都在致力于開(kāi)發(fā)在較高含氧量的氣氛中就能進(jìn)行良好的焊接的免洗焊膏，這樣就可以減少氮?dú)獾南摹?br>　　對(duì)于中回流焊中引入氮?dú)?，必須進(jìn)行成本收益分析，它的收益包括產(chǎn)品的良率，品質(zhì)的改善，返工或維修費(fèi)的降低等等，完整無(wú)誤的分析往往會(huì)揭示氮?dú)庖氩](méi)有增加最終成本，相反，我們卻能從中收益。
在目前所使用的大多數(shù)爐子都是強(qiáng)制熱風(fēng)循環(huán)型的，在這種爐子中控制氮?dú)獾南牟皇侨菀椎氖隆Ｓ袔追N方法來(lái)減少氮?dú)獾南牧?，減少爐子進(jìn)出口的開(kāi)口面積，很重要的一點(diǎn)就是要用隔板，卷簾或類(lèi)似的裝置來(lái)阻擋沒(méi)有用到的那部分進(jìn)出口的空間，另外一種方式是利用熱的氮?dú)鈱颖瓤諝廨p且不易混合的原理，在設(shè)計(jì)爐的時(shí)候就使得加熱腔比進(jìn)出口都高，這樣加熱腔內(nèi)形成自然氮?dú)鈱樱瑴p少了氮?dú)獾难a(bǔ)償量并維護(hù)在要求的純度上。
5． 雙面回流焊
　　雙面PCB已經(jīng)相當(dāng)普及，并在逐漸變得復(fù)那時(shí)起來(lái)，它得以如此普及，主要原因是它給設(shè)計(jì)者提供了極為良好的彈性空間，從而設(shè)計(jì)出更為小巧，緊湊的低成本的產(chǎn)品。到今天為止，雙面板一般都有通過(guò)回流焊接上面（元件面），然后通過(guò)波峰焊來(lái)焊接下面（引腳面）。目前的一個(gè)趨勢(shì)傾向于雙面回流焊，但是這個(gè)工藝制程仍存在一些問(wèn)題。大板的底部元件可能會(huì)在第二次回流焊過(guò)程中掉落，或者底部焊接點(diǎn)的部分熔融而造成焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙面回流焊：一種是用膠來(lái)粘住第一面元件，那當(dāng)它被翻過(guò)來(lái)第二次進(jìn)入回流焊時(shí)元件就會(huì)固定在位置上而不會(huì)掉落，這個(gè)方法很常用，但是需要額外的設(shè)備和操作步驟，也就增加了成本。第二種是應(yīng)用不同熔點(diǎn)的焊錫合金，在做第一面是用較高熔點(diǎn)的合金而在做第二面時(shí)用低熔點(diǎn)的合金，這種方法的問(wèn)題是低熔點(diǎn)合金選擇可能受到最終產(chǎn)品的工作溫度的限制，而高熔點(diǎn)的合金則勢(shì)必要提高回流焊的溫度，那就可能會(huì)對(duì)元件與PCB本身造成損傷。對(duì)于大多數(shù)元件，熔接點(diǎn)熔錫表面張力足夠抓住底部元件話形成高可靠性的焊點(diǎn)，元件重量與引腳面積之比是用來(lái)衡量是否能進(jìn)行這種成功焊接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通常在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)使用30g/in2這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，第三種是在爐子低部吹冷風(fēng)的方法，這樣可以維持PCB底部焊點(diǎn)溫度在第二次回流焊中低于熔點(diǎn)。但是潛在的問(wèn)題是由于上下面溫差的產(chǎn)生，造成內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，需要用有效的手段和過(guò)程來(lái)消除應(yīng)力，提高可靠性。
　　以上這些制程問(wèn)題都不是很簡(jiǎn)單的。但是它們正在被成功解決之中。勿容置疑，在未來(lái)的幾年，雙面板會(huì)斷續(xù)在數(shù)量上和復(fù)雜性性上有很大發(fā)展。
6． 通孔回流焊
　　通孔回流焊有時(shí)也稱(chēng)作分類(lèi)元件回流焊，正在逐漸興起。它可以去除波峰焊環(huán)節(jié)，而成為PCB混裝技術(shù)中的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)。一個(gè)最大的好處就是可以在發(fā)揮表面貼裝制造工藝的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)使用通孔插件來(lái)得到較好的機(jī)械聯(lián)接強(qiáng)度。對(duì)于較大尺寸的PCB板的平整度不能夠使所有表面貼裝元器件的引腳都能和焊盤(pán)接觸，同時(shí)，就算引腳和焊盤(pán)都能接觸上，它所提供的機(jī)械強(qiáng)度也往往是不夠大的，很容易在產(chǎn)品的使用中脫開(kāi)而成為故障點(diǎn)。
盡管通孔回流焊可發(fā)取得償還好處，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍有幾個(gè)缺點(diǎn)，錫膏量大，這樣會(huì)增加因助焊劑的揮了冷卻而產(chǎn)生對(duì)機(jī)器污染的程度，需要一個(gè)有效的助焊劑殘留清除裝置。另外一點(diǎn)是許多連接器并 沒(méi)有設(shè)計(jì)成可以承受回流焊的溫度，早期基于直接紅外加熱的爐子已不能適用，這種爐子缺少有效的熱傳遞效率來(lái)處理一般表面貼裝元件與具有復(fù)雜幾何外觀的通孔連接器同在一塊PCB上的能力。只有大容量的具有高的熱傳遞的強(qiáng)制對(duì)流爐子，才有可能實(shí)現(xiàn)通孔回流，并且也得到實(shí)踐證明，剩下的問(wèn)題就是如何保證通孔中的錫膏與元件腳有一個(gè)適當(dāng)?shù)幕亓骱笢囟惹€。隨著工藝與元件的改進(jìn)，通孔回流焊也會(huì)越來(lái)越多被應(yīng)用。
7． 無(wú)鉛回流焊
　　出于對(duì)環(huán)保的考慮，鉛在21世紀(jì)將會(huì)被嚴(yán)格限用。雖然電子工業(yè)中用鉛較極小，不到全部用量1％，但也屬于禁用之列，在未來(lái)的幾年中將會(huì)被逐步淘汰。現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)可靠而又經(jīng)濟(jì)的無(wú)鉛焊料。目前開(kāi)發(fā)出多種替代品一般都具有比錫鉛合金高40C左右的熔點(diǎn)溫度，這就意味著回流焊必須在更高的溫度下進(jìn)行。氮?dú)獗Ｗo(hù)可以部分消附除因溫度提高而增加的氧化和對(duì)PCB本身的損傷。不過(guò)工業(yè)界大概必須經(jīng)這一個(gè)痛苦的學(xué)習(xí)期來(lái)解決所遇到的問(wèn)題，工盡快應(yīng)用該制程，時(shí)間已經(jīng)所省不多，現(xiàn)在所使用的許多爐子被設(shè)計(jì)成高不超出3000C的作業(yè)溫度，對(duì)于無(wú)鉛焊料或非共溶點(diǎn)焊錫（用于BGA，雙面板等）來(lái)講，則需要更高的爐子溫度，這些新的制程通常要求回流區(qū)中的溫度達(dá)到3500C～4000C，爐子的設(shè)計(jì)必須更改以滿足這樣的要求，機(jī)器中的熱敏感部件必須被修改，或者要采取措施防止熱量向這些部件傳遞。
8． 連續(xù)柔性板回流焊
　　特殊的爐子已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)處理貼裝有SMT元件的連續(xù)柔性板。與普通回流爐最大不同點(diǎn)是這種爐子需要特制的軌道來(lái)傳遞柔性板。當(dāng)然，這種爐子也需要能處理連續(xù)板的問(wèn)題。對(duì)于分離的PCB板來(lái)講，爐中的流量與前幾段工位的狀況無(wú)依賴(lài)關(guān)系，但是對(duì)于成卷連續(xù)的柔性板，柔性板在整條線上是連續(xù)的，線上任何一個(gè)特殊問(wèn)題，停頓就意味著全線必須停頓，這樣就產(chǎn)生一個(gè)特殊問(wèn)題，停頓在爐子中的部分會(huì)因過(guò)熱而損壞，因此，這樣的爐子必須具備應(yīng)變隨機(jī)停頓的能力，繼續(xù)處理完該段柔性板，并在全線恢復(fù)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)回到正常工作狀態(tài)。
9． 垂直烘爐技術(shù)
　　市場(chǎng)對(duì)于縮小體積的需求，使CSP（如FLIP CHIP）得到較多應(yīng)用，這樣元件貼裝后具有更小的占地面積和更高的信號(hào)傳遞速率。填充或灌膠被用來(lái)加強(qiáng)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)使其能抵受住由于硅片與PCB材料的熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力，一般常會(huì)采用上滴或圍填法來(lái)把晶片用膠封起來(lái)。許多這樣的封裝膠都需要很長(zhǎng)的固化時(shí)間，對(duì)于在線生產(chǎn)的爐子來(lái)講是不現(xiàn)實(shí)的，通常會(huì)使用成批處理的烘爐，但是垂直烘爐已經(jīng)被證明可以成功地進(jìn)行固化過(guò)程，并且其溫度曲線比普通回流爐更為簡(jiǎn)單，垂直烘爐使用一個(gè)PCB傳輸系統(tǒng)來(lái)扮演緩沖區(qū)/堆積區(qū)的作用，這樣就延長(zhǎng)了PCB板在一個(gè)小占地面積的烘爐中駐留的時(shí)間。
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　　以上我們介紹了圍繞著設(shè)備改進(jìn)、回流焊裝備的發(fā)展沿革。實(shí)事上回流焊工藝的發(fā)展收到以下兩方面的推動(dòng)：
1． 電子產(chǎn)品向短、小、輕、薄化發(fā)展。組裝高密度化，SMC/SMD微細(xì)間距化，SMC/SMD品種規(guī)格系列化，特別是異型元件與機(jī)電元件日益增多，這諸多的新發(fā)展迫使作為SMT中的重要工藝——回流焊工藝亦面臨著挑戰(zhàn)，需要不斷地發(fā)展和完善以提高焊接質(zhì)量和成品率。
2． 人類(lèi)文明發(fā)展到今天，控制三廢（廢氣、廢料、廢水）保護(hù)環(huán)境已成為共識(shí)。傳統(tǒng)的錫膏中含有助焊劑，其焊接后的殘留物需要用氟里昂（CFC）及丙酮等溶劑來(lái)清洗，而這些溶劑都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，為了避免污染相應(yīng)出現(xiàn)了水清洗工藝和免清洗工藝還有新型焊錫膏。