真空回流焊是什么？淺談SMT真空回流焊爐的基本原理

【真空回流焊(Vacuum reflow soldering)概述】

真空回流焊(Vacuum reflow soldering)是一種在高真空或低氣壓環(huán)境下進(jìn)行的電子組裝焊接技術(shù)。相比于常規(guī)的氣體環(huán)境下的回流焊，真空回流焊具有以下不同：

1、真空回流焊采用真空或低氣壓環(huán)境下進(jìn)行，這可以避免氣體對焊接質(zhì)量的影響，例如避免氧化或揮發(fā)。

2、在真空或低氣壓環(huán)境下，焊點(diǎn)溫度可以更加精確地控制，因?yàn)闆]有氣體介質(zhì)來傳遞熱量。這使得焊點(diǎn)可以被均勻地加熱，減少了熱應(yīng)力造成的損壞。

3、真空回流焊的焊點(diǎn)質(zhì)量更加穩(wěn)定和一致，這對于一些高可靠性和高品質(zhì)的應(yīng)用非常重要，例如航空航天和國防等領(lǐng)域。

4、真空回流焊具有更高的生產(chǎn)成本，因?yàn)樾枰哔|(zhì)量的真空設(shè)備和控制系統(tǒng)，并且需要更長的加熱和冷卻時間。

總之，真空回流焊是一種高級的電子組裝技術(shù)，可以提供更高質(zhì)量和更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，但同時也需要更高的生產(chǎn)成本。

【淺談SMT真空回流焊爐的基本原理】

跟著元器件不斷向小型化展開，芯片集成度越來越高，無論是筆記本、智能手機(jī)仍是醫(yī)療器械、轎車電子，軍工和航天產(chǎn)品，產(chǎn)品中的陣列封裝的BGA、CSP等器材運(yùn)用越來越多，對產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越多。這都需求咱們不斷的前進(jìn)smt工藝才能，添加高質(zhì)量設(shè)備，通過高質(zhì)量焊接保證高可靠性產(chǎn)品。

一般smt貼片焊接之后器材中的焊點(diǎn)里都會殘留部分空泛，對產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性構(gòu)成必定的潛在風(fēng)險。產(chǎn)生這些空泛的原因雖說是多方面的，如焊膏，PCB焊盤表面處理方式，回流曲線設(shè)置，回流環(huán)境，焊盤規(guī)劃，微孔，盤中空等，但首要的原因往往是由焊接中熔融焊料殘留的氣體構(gòu)成的。氮?dú)饣亓骱福寒?dāng)融化的焊料凝聚時，這些氣泡被凍住下來構(gòu)成空泛現(xiàn)象?？辗菏呛附又薪?jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，很難有電子組裝產(chǎn)品中所有的焊點(diǎn)內(nèi)都無空泛。因?yàn)樵獾娇辗阂氐挠绊懀蠖鄶?shù)焊點(diǎn)的質(zhì)量可靠性都是不確定的，構(gòu)成焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度的下降，而且會嚴(yán)重影響焊點(diǎn)的導(dǎo)熱和導(dǎo)電功用，然后嚴(yán)重影響器材的電氣功用。

鑒于此，關(guān)于功率電子技能PCB中的焊點(diǎn)，在X射線的圖畫中觀察到的空泛含量不得逾越焊點(diǎn)全體面積的5%。這種量級的最小面積比是不能通過優(yōu)化現(xiàn)有工藝抵達(dá)的，這就意味著需求用新的焊接工藝，如真空回流爐焊接技能。真空回流焊接工藝是在真空環(huán)境下進(jìn)行焊接的一種技能。這樣可以在smt貼片打樣或加工出產(chǎn)過程中，從根本上處理因?yàn)楹噶显诜钦婵窄h(huán)境下的氧化，而且因?yàn)楹更c(diǎn)表里壓強(qiáng)差的作用，焊點(diǎn)內(nèi)的氣泡很簡略從焊點(diǎn)中溢出，然后抵達(dá)焊點(diǎn)中氣泡率很低甚至沒有氣泡，抵達(dá)預(yù)期意圖。

真空回流焊接技能供給了防止氣體陷入焊點(diǎn)然后構(gòu)成空泛的可能性，這在大面積焊接時特別重要，因?yàn)檫@些大面積焊點(diǎn)要傳導(dǎo)高功率的電能和熱能，所以削減焊點(diǎn)中的空泛，才調(diào)從根本上前進(jìn)器材的導(dǎo)熱導(dǎo)電性。真空焊接有時還和恢復(fù)性氣體和氫氣混合在一起運(yùn)用，可以削減氧化，去除氧化物。

真空回流爐削減焊接過程中的空泛的基本原理首要可以從四個方面來分析，下面就來簡略的講解分析一下：

1、真空回流爐可以供給很低的氧氣濃度和恰當(dāng)?shù)幕謴?fù)性氣氛，這樣焊料的氧化程度得到大大地下降;

2、因?yàn)楹噶涎趸潭鹊南陆担@樣氧化物和焊劑反應(yīng)的氣體大大削減，這樣就削減了空泛產(chǎn)生的可能性;

3、真空可以使得熔融焊料的活動性更好，活動阻力更小，這樣熔融焊猜中的氣泡的浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊料的活動阻力，氣泡就十分簡略從熔融的焊猜中排出;

4、無鉛回流焊因?yàn)闅馀莺屯饷娴恼婵窄h(huán)境存在著壓強(qiáng)差，這樣氣泡的浮力就會很大，使得氣泡十分簡略脫節(jié)熔融焊料的約束。真空回流焊接后氣泡的削減率可達(dá)99%，單個焊點(diǎn)的空泛率可小于1%，整板的空泛率可小于5%。一方面可以使得焊點(diǎn)可靠性和結(jié)合強(qiáng)度加強(qiáng)，焊錫的濕潤功用加強(qiáng)，另一方面還能在運(yùn)用的過程中削減對焊錫膏的運(yùn)用，而且可以根據(jù)焊點(diǎn)習(xí)慣不同環(huán)境要求，特別高溫高濕，低溫高濕環(huán)境。

【為什么需要真空回流焊?真空可以極大的改善空洞率!】

行業(yè)分析：目前行業(yè)主流的焊接工藝都是用烙鐵、波峰焊、回流焊等工具或設(shè)備焊接，后來加上氮?dú)獗Ｗo(hù)，升級為氮?dú)鉄o鉛回流焊機(jī)。但是對一些要求很高的焊接領(lǐng)域，譬如軍工產(chǎn)品、工業(yè)級高可靠性產(chǎn)品，就是氮?dú)獗Ｗo(hù)也達(dá)不到產(chǎn)品的可靠性要求。像材料試驗(yàn)、芯片封裝、電力設(shè)備、汽車產(chǎn)品、列車控制、航天、航空系統(tǒng)等對電路高可靠性的焊接要求，必須消除或者減少焊接材料的空洞和氧化，從而到達(dá)產(chǎn)品的可靠性。如何有效降低空洞率，減少焊盤或元件管腳的氧化，真空回流焊機(jī)是唯一的選擇。要想達(dá)到高焊接質(zhì)量，必須采用真空回流焊機(jī)。這是德國、日本、美國等國家T焊接專家的最新工藝創(chuàng)新。

行業(yè)應(yīng)用：真空回流焊機(jī)是R&D、工藝研發(fā)、有低至高產(chǎn)能生產(chǎn)的理想選擇，是軍工企業(yè)、研究院所、高校、航空航天等領(lǐng)域高端研發(fā)和生產(chǎn)的最佳選擇。

應(yīng)用領(lǐng)域：主要應(yīng)用于芯片與基板、管殼與蓋板等的無缺陷焊接和產(chǎn)生完美的無助焊劑焊接，如IG封裝、焊膏工藝、激光二極管封裝工藝、混合集成電路封裝、管殼蓋板封裝、MEMS及真空封裝。

01真空去除空洞原理

Principle for Void Removal by Vacuum

在真空回流焊接過程中，利用真空環(huán)境，焊點(diǎn)中的氣泡和揮發(fā)物會被迅速排出(如圖-1)，因此，真空回流焊接技術(shù)可以有效消除焊點(diǎn)中的空洞。

圖-1

下圖展示了真?zhèn)€回流焊接過程中與回流爐所對應(yīng)的溫度曲線和真空度曲線。

02真空回流焊技術(shù)的有效性

The Effectiveness of Vacuum Reflow Soldering Technology

為了能夠更加直觀地了解真空回流焊接技術(shù)的有效性， 我們可以通過下面的實(shí)驗(yàn)來了解具體的情況。

實(shí)驗(yàn)測試板裝有無鉛焊球制成的192CABGA和84CTBGA。印刷電路測試板(PCB)的厚度為2.36毫米，192CABGA和84CTBGA各有6層結(jié)構(gòu)和16個站點(diǎn)。

測試方案一：測試板采用常規(guī)回流焊工藝組裝。

按方案一組裝的無鉛焊膏在焊點(diǎn)中產(chǎn)生了大量的空隙含量。隨后，其中一半的測試板使用真空回流進(jìn)行再處理，以減少空洞。

測試方案二：測試板采用真空輔助回流焊接。

通過下圖對比我們可以清晰地看到，空洞經(jīng)過二次真空回流焊接后已經(jīng)基本去除(圖-2)。

對傳統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)SMT(STD SMT)回流焊接通過X-Ray檢測顯示，兩個組件的BGA焊點(diǎn)中存在大量空隙含量。圖-2a(192CABGA)和圖-2a(84CTBGA)中的X-Ray圖像是焊點(diǎn)空洞的典型范圍和尺寸大小。請注意，越大的空洞會導(dǎo)致固化的焊球的直徑明顯增加。

圖-2b(192CABGA)和圖-2b(84CTBGA)中的X-Ray圖像顯示了真空回流焊后產(chǎn)生的焊點(diǎn)質(zhì)量。在放大的圖像(STD SMT+VAC SMT)中，真空回流處理后兩種組件均未出現(xiàn)焊點(diǎn)空洞的跡象。

圖-2

我們看到了真空回流焊接對于去除空洞的明顯效果，下面通過熱循環(huán)測試來驗(yàn)證空洞和可靠性之間的關(guān)系。

在實(shí)驗(yàn)中采用兩種不同的熱循環(huán)測試, 測試一的條件是通信類產(chǎn)品典型測試條件，而測試二為軍工類產(chǎn)品的典型條件，如下表-1。

表-1

通過實(shí)時偵測實(shí)驗(yàn)中焊點(diǎn)的電阻值來判斷元器件是否失效，一旦檢測到焊點(diǎn)電阻值超過1000歐姆，被記錄為焊點(diǎn)失效。在此基礎(chǔ)上針對兩種不同的BGA封裝各進(jìn)行32組測試。

熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，Weibull分布顯示圖-3，通過真空回流焊接的焊點(diǎn)的熱循環(huán)次數(shù)明顯高于通過普通回流焊接的焊點(diǎn)的次數(shù)。從而證實(shí)真空回流去除空洞會對焊接可靠性產(chǎn)生積極的影響。

圖-3

總的來說，利用高可靠性的真空回流爐，達(dá)成穩(wěn)定的高可靠性焊接，可以讓客戶獲得最大的商業(yè)價值，同時使得電子元器件的加工焊接得以優(yōu)化和提高。

審核編輯：湯梓紅