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的工藝參數(shù)。同時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。因此對再流焊工藝進行深入研究，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，本文將從多個方面來進行探討。

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)通過再流焊機進行焊接，目前再流焊的熱傳遞方式經(jīng)歷了遠紅外線—全熱風(fēng)—紅外／熱風(fēng)三個階段。

1．1 遠紅外再流焊

八十年代使用的遠紅外再流焊具有加熱快、節(jié)能、運行平穩(wěn)的特點，但由于印制板及各種元器件因材質(zhì)、色澤不同而對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流噴射管嘴或者耐熱風(fēng)機來迫使氣流循環(huán)，從而實現(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的特點，熱效率高，節(jié)電，同時有效克服了紅外再流焊的溫差和遮蔽效應(yīng)，并彌補了熱風(fēng)再流焊對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、精細間距組裝技術(shù)的出現(xiàn)，還出現(xiàn)了氮氣保護的再流焊爐。在氮氣保護條件下進行焊接可防止氧化，提高焊接潤濕力，加快潤濕速度，對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，SMA上某一點的溫度隨時間變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方法，來分析某個元件在整個回流焊過程中的溫度變化情況。這對于獲得最佳的可焊性，避免由于超溫而對元件造成損壞，以及保證焊接質(zhì)量都非常有用。一個典型的溫度曲線如圖1所示。

以下從預(yù)熱段開始進行簡要分析。

2.1 預(yù)熱段

該區(qū)域的目的是把室溫的PCB盡快加熱，以達到第二個特定目標，但升溫速率要控制在適當(dāng)范圍以內(nèi)，如果過快，會產(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。在這個區(qū)域里給予足夠的時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，整個電路板的溫度達到平衡。應(yīng)注意的是SMA上所有元件在這一段結(jié)束時應(yīng)具有相同的溫度，否則進入到回流段將會因為各部分溫度不均產(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溫度加20-40℃。對于熔點為183℃的63Sn／37Pb焊膏和熔點為179℃的Sn62／Pb36／Ag2焊膏，峰值溫度一般為210-230℃，再流時間不要過長，以防對SMA造成不良影響。理想的溫度曲線是超過焊錫熔點的“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)熔化并充分潤濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來進行冷卻，這樣將有助于得到明亮的焊點并有好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導(dǎo)致電路板的更多分解而進入錫中，從而產(chǎn)生灰暗毛糙的焊點。在極端的情形下，它能引起沾錫不良和減弱焊點結(jié)合力。冷卻段降溫速率一般為3-10℃／s，冷卻至75℃即可。

測量再流焊溫度曲線時需使用溫度曲線測試儀(以下簡稱測溫儀)，其主體是扁平金屬盒子，一端插座接著幾個帶有細導(dǎo)線的微型熱電偶探頭。測量時可用焊料、膠粘劑、高溫膠帶固定在測試點上，打開測溫儀上的開關(guān)，測溫儀隨同被測印制板一起進入爐腔，自動按內(nèi)編時間程序進行采樣記錄。測試記錄完畢，將測試儀與打印機連接，便可打印出多根各種色彩的溫度曲線。測溫儀作為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。

在使用測溫儀時，應(yīng)注意以下幾點：

①測定時，必須使用已完全裝配過的板。首先對印制板元器件進行熱特性分析，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，各點實際受熱升溫不相同，找出最熱點、最冷點，分別設(shè)置熱電偶便可測量出最高溫度與最低溫度。 ②盡可能多設(shè)置熱電偶測試點，以求全面反映印制板各部分真實受熱狀態(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)置測試點。

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試位置，否則受熱松動，偏離預(yù)定測試點，引起測試誤差。

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

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)品負載等三個方面。

①通常PLCC、QFP與一個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)品進行再流焊的同時，也成為一個散熱系統(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、負載及不同負載因子情況下能得到良好的重復(fù)性。負載因子定義為：LF=L／(L+S)；其中L=組裝基板的長度，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，負載因子愈大愈困難。通常再流焊爐的最大負載因子的范圍為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來決定。要得到良好的焊接效果和重復(fù)性，實踐經(jīng)驗是很重要的。

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產(chǎn)生焊料塌邊，這個情況出現(xiàn)在預(yù)熱和主加熱兩種場合，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降低粘度而流出，如果其流出的趨勢是十分強烈的，會同時將焊料顆粒擠出焊區(qū)外的含金顆粒，在熔融時如不能返回到焊區(qū)內(nèi)，也會形成滯留的焊料球。 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，這是因為急熱使元件兩端存在溫差，電極端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤，而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤不良，這樣促進了元件的翹立。因此，加熱時要從時間要素的角度考慮，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：

①選擇粘接力強的焊料，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性和濕潤穩(wěn)定性。推薦：溫度40℃以下，濕度70％RH以下，進廠元件的使用期不可超過6個月；

③采用小的焊區(qū)寬度尺寸，以減少焊料熔融時對元件端部產(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焊接溫度管理條件設(shè)定也是元件翹立的一個因素。通常的目標是加熱要均勻，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。

4．3 潤濕不良

潤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產(chǎn)生潤濕不良。另外焊料中殘留的鋁、鋅、鎘等超過0．005％以上時，由于焊劑的吸濕作用使活化程度降低，也可發(fā)生潤濕不良。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。本文僅從幾個方面就焊接工藝進行了探討，而且許多觀點是僅就現(xiàn)有設(shè)備和工藝條件而言，成此文章僅為與同行交流。