Reflow锡膏工艺

锡膏的粘度太低时﹐不但所印膏体定位困难（至少保持23小时不变形）﹐且很容易造成坍塌及熔焊后的搭桥短路﹒由于其粘度又与环境温度有直接的关系﹐故未操作使用时﹐应储存在冰箱中（还可以吸湿）﹒从实验结果得知﹐每上升4℃时其粘度值即下降10％﹒因而锡膏的印刷及零件的放置区﹐其室温的降低及稳定是何等重要了﹒且零件放置前及引脚粘妥后的预热温度与时间均不宜过关﹐以减少短路与锡球的发生﹒再者溶剂含量也是造成不良锡球原因之一﹐溶剂太多自然容易出现焊后搭桥﹒而当助焊剂之软化点（Softening Point）太低时﹐搭桥比例也会增大﹔但若其软化点太高时则分子量必大﹐在内聚力加强之下﹐将使之不易分散及清洗﹒早先仍流行清洗的年代﹐锡膏熔焊后发生锡球的烦恼尚不很严重﹐只要体积不是太小（5MIL以上）﹐引脚密度不是太密者都可以被冲洗干净﹒然而自从服从环保的要求﹐推动“免洗“制程之下﹐熔焊后所出现的大小锡球的附着都成了痛苦的梦魇﹒追究其原因而着手解决数种办法不少﹐现介绍一些实用者如下﹕1.锡膏印着量太多或印着位置偏移﹐以致造成溅出者﹔可从减小开口面积减薄钢板的厚度﹐以改善对准度方面减少所带来的锡球﹒2.锡膏中溶剂太多﹐或吸水后粘度降低（应降低印刷现场的湿度与锡膏在钢板上停留的时间）造成熔合时的溅出者﹐减少其溶剂与吸水即可﹒3.配方中较小粒径的锡粉太多﹐一旦未能熔合成为主体者﹐即可能被排除在外而成锡球﹒4.氧化物太多或灰尘之吸附﹐造成焊锡性不良﹒在不易熔合成主体下﹐即有部分焊料会飞散出去﹒﹒5.预热过度常造成氧化增加﹐粘度降低﹔须认真作实验选出最好的升温曲线﹒或因事先放置零件时﹐踩脚力量过大也会造成锡球﹒6.板面绿漆本身硬化不足﹐造成锡溅粒子容易附着﹒可采棉花沾二氧甲烷CH2CL2去擦拭绿漆表面﹐观察是否掉色即大概知晓绿漆的硬化情形﹒﹒7.电路板SMT焊垫之表面处理层（如喷漆﹐OSP护铜剂﹐化镍﹐与浸银或浸锡等）﹐其等不同状况也会影响到锡球的多﹐其中以喷锡板的锡球较多﹒4﹒热量分布不均匀一块PCB板上有许多﹐大的吸热组件﹐热量分布十分不均匀﹐这样曲线需要被长﹐另外在熔点以上温度﹐利用增大底部加热建立温度平衡﹐为了减少金属化合物的形成和碳化反应﹐峰值温度可考虑降低一些﹐参照图﹒5﹒氮气回流在浸润区时间内因为空气中的氧气导致氧化现象﹐如果在N2气下回流时﹐氧化因素就减少﹐我们就可以忽略优化曲线时氧化因素﹒6﹒气流率一些压迫空气对流炉的设计利用了十分高的空气气流率来传递效率﹐这经常导致冷焊和少锡现象﹐如果不减少气流率﹐通过曲线缩短加热时间来帮助减少不良﹒7﹒曲线的调节最佳的炉温曲线的特点就是回流焊技术的功能﹐当热效率或热控率与压迫式对流回流焊系统的效率不同时﹐那么所要求的升温速率的时间﹐浸润区操作时间和所有的加热时间都要被调节﹒我们在文章中描述的最佳曲线都将被建议作为一个起点来使用﹐我们在监控温度滑坡和焊接不良改善的过程中检验它的适用性﹒例如﹐一个非常大的温度滑坡被改善了﹐然而这个回流焊炉可利用的热效率又不足够时﹐我们需要长浸润区的时间﹒结论根据对不良品缺陷的机械分析﹐炉温曲线的设计是为了促进焊接效果﹒通常﹕升温速率低的曲线可以减少热塌陷﹐短路﹐立碑﹐偏移﹐包焊﹐开路﹐锡以及元器件的破裂等不良﹒缩减吸热区（浸润区）可减少空焊﹐冷焊﹐锡﹐开路等不良﹒使用低峰值的曲线可减少碳化﹐分层﹐金属化合﹐L﹐假焊和空焊等不良﹒降温区使用快速冷却的曲线可以帮助减少金属化合﹐碳人﹐L﹒53页通过缺陷分析获得优化回流曲线概述根据对不良品缺陷的机械分析﹐炉温曲线的设计优化是可获得良好的焊接效果﹒通常﹕1.升温速率低的曲线可以减少热塌陷﹐短路﹐立碑﹐偏位﹐包焊﹐开路﹐锡沫﹐锡以及元器件的破裂等不良﹔2.缩减吸热区（浸润区）可减少空焊﹐冷焊﹐锡﹐开路等不良﹔3.使用低峰值的曲线可减少碳化﹐分层﹐金属化合﹐萃化﹐假焊和空焊等不良﹔4.降温区使用快速冷却的曲线可以帮助减少金属化合﹐碳化﹐萃化﹐假焊﹐焊接颗粒尺寸等﹔5.降温区采用缓慢冷却的曲线可以促进焊锡或焊盘的连接﹐由此得出的最佳曲线应该是﹕ι在175℃前缓慢上升﹒ι温度在20－30秒逐步上升并超过180℃﹒ι迅速上升并达到220℃﹒ι温度迅速下降﹒ι传统的炉温曲线受到过去回流焊技术的限制﹐因此要执行一个完美的曲线需要可控制且有高效的热率的回流焊技术的支持﹐气相回流焊可以提供快速加热﹐但热效率却难以控制﹒而红外线回流焊可以控制热率﹐但它受到组件特征的局限﹒但是压迫式空气对流回流焊技术的出现﹐可以实现高效﹐可控的热率﹐同时又可以满足不同特征的元器件﹐因此我们可以实现最佳的回流焊曲线﹒ι关键词﹕回流﹐曲线﹐缺陷﹐松香﹐锡浆﹐焊接﹐对流﹐红外线﹐气相﹐SMT﹒介绍1.在SMT的PCBA过程中﹐将焊膏进行回流焊是形成焊点的主要方法﹒通常条件适合﹐回流焊工艺便可做到高产出﹐高性能﹐低损耗﹒在所有工艺因素中﹐回流焊曲线是最重要的一个环节之一﹐它直接决定着焊接的不良率﹐通常受到回流曲线影响的不良现象有组件断裂﹐立碑﹐移位﹐锡﹐锡沫﹐冷焊﹐短路﹐假焊﹐空焊﹐包焊﹐碳化﹐分层﹐L﹐浸润不良等等﹒因此为了实现高产出﹐高可靠性﹐设计合适的曲线是非常重要的﹒2.通常回流焊曲线大体分为3个重要部分﹒A﹒峰值温度﹔B﹒加热阶﹔C﹔冷却阶段﹔每一部分都影响着焊接的效果﹐依据缺陷的机械分析﹐我们将集中讨论如何设计曲线的每一个部分﹐尽量减少不良﹐增大产品的可靠性﹒每一部分﹕松香作用在SMT工业中﹐焊接通常是伴随着松香清洁金属氧化物开始的﹐然后随着焊锡的浸润形成焊点﹐因此在讨论曲线的认定前﹐我们非常有必要了解一下松香作用的时间和温度要求﹒1.松香作用的时间／温度要求ι依据图1所示﹐松香作用通常被浸润的时“S“决定﹐短时间的浸润体现了松香快速作用﹐同样我们可以通过考查焊膏的接合﹐回流等行为来研究松香作用﹐另外焊膏快速的接合工艺需要快速的松香反应配合﹒ι焊膏的回流可以在很短的时间内完成﹒这种现象很容易验证﹐我们将一点63／37的焊膏丝印在一个铜箔上﹐接着将试样放到一个有适合温度的热盘上﹐焊膏的回流展仅仅在几秒内就会完成﹒ι焊膏快速的回流和松香作用可以通过考查松香的浸润时间来验证﹒列表1显示了来自四个公司63／37焊膏的四种不同松香A﹐B﹐C﹐D在200℃和240℃的浸润时间﹒铜箔试样被放在100℃的空气对流炉中3个小时﹐用来模拟焊接的恶劣环境﹐在这次研究中﹐使用的焊锡为63／37和62／36AG2﹐结果显示在设计的温度下浸润大约为几秒钟﹐因此可以推定松香反应不需要很多秒钟当温度上升到200℃或更高时﹒简单地说﹐快速加速曲线足以完成松香作用并产生满意的回流和浸润﹒2﹒温度低于熔点温度时松香的作用为了了解在低于熔点温度时松香反应作用﹐我们测量了四种低熔点RMA焊膏中的松香F1﹐F2﹐F3﹐F4的浸润时间﹐显然这种低熔点焊锡浸润时间比63／37共晶焊锡长﹐但是不同的温度下测试出的浸润时间反映出合适温度促进松香的作用率﹐结果参照图2﹔浸润时间和温度成反比例﹐至少在150℃－240℃范围之间满足这个规律﹐在150℃时浸润时间为1－2秒﹐在210－240℃时的时间要长﹐因此我们可作出如下推断﹕（1）温度是影响松香6作用的一个重要因素﹔（2）相同的浸润时间﹐温度高低对松香作用的效果影响微乎其微﹒第二部分﹕峰值温度1﹒冷焊及较差浸润回流焊的峰值温度的偏差受到所装配的PCB和元器件的影响﹒因为自然界不同物质的影响﹐焊膏连接的时间比我们作浸润的测试的时间要长﹐因此最低的峰值温度应比焊锡的熔点温度高出30℃﹐如果峰值温度过低﹐有机会造成冷焊或润湿不良﹒如果使用的是63／37共晶焊锡﹐其最低的峰值温度大约是210℃﹒2﹒碳化﹐分层﹐金属合金最高的峰值温度大约是235℃﹐如若不然胶纸板的碳化和分层还有塑料元器件将被担忧﹐而且﹐大量的金属化合物的形成将会导致焊点脆弱﹒3﹒萃化萃化涉及到混合物的应用﹐当过量的金属被析取到焊锡中﹐萃化的程度将由峰值温度确定﹐我们可以使用较低的峰值温度减少萃化﹒如果缩短超过液相温度的时间也可以帮助减少萃化﹒第三部分﹕冷却阶段1﹒金属化合物最佳的冷却阶段很容易被确定﹒在熔点温度以上时﹐缓慢的降温将会导致过量的金属化合物产生﹐想降低金属化合物的产生﹐必须选用快速降温﹒2﹒焊接颗粒大小缓慢的降温经常受到退火的影响而导致焊点有较大的颗粒结构﹐这主要涉及温度的范围在熔点温度和稍低一点之间﹒较大的颗粒结构表现了较差的阻抗﹐是我们所有期望的﹒如果使用较快的降温我们就可以获得好的颗粒结构﹐然而减少快速降温的影响必须增大温度问题间隙﹐50℃的温度间隙足以使退火的影响显得微不足道﹒3﹒内部压力导致组件破裂最大的降温速率取决于元器件承受热冲击的能力﹐如电容之类的元器件﹐降温速率大约是4℃／SEC﹒4﹒焊点变形回流焊炉降温部分的机械结构是典型的压迫冷气操作﹐一个快速的冷却需要使用非常快速的冷气吹风到熔化的焊点上﹐通常会导致焊点变形﹐一般来讲﹐如果降温速率不超过4℃／SEC﹐焊点变形就会微不足道﹒5﹒内部压力－焊锡和焊盘分离降温速率同样影响焊盘和PCB之间分离﹐或者焊点与焊盘分离﹐一个快速的降温将导致在元器件和PCB板之间产生一个很大的温度坡﹐从而导致热张力不平衡﹐这将在焊点上产生一个很大的内部压力﹐从而导致焊点从PCB的焊盘上脱落﹐例如﹐在有些情况下BGA焊点的一角从PCB焊盘脱离﹒第四部分﹕加热阶段也许加热阶段是回流焊曲线中最复杂的一部分﹐和冷却阶段一样﹐相关因素包括时间和温度﹒1﹒塌陷和短路短路是塌陷的直接结果﹒因此我们将集中讨论焊膏的塌陷﹒因为塌陷仅仅发生在焊膏状态﹐因此在温度的讨论上将在焊锡熔点温度以下﹒通常我们用增加温度加强分子的热力运动来降低化合材料的粘度﹐在高温下降低粘度自然会产生塌陷﹒另一方面﹐增加温度将会蒸发松香中的熔剂﹐导致固体成发增多﹐粘度增加﹐这两个相对的作用﹐热力作用和熔剂挥发作用的范例参照图3﹒另外﹐热力作用是物质固有的特性﹐它只受温度而不受时间的影响﹐因此升温速率对它没有影响﹐而熔剂挥发是一个运动学现象﹐它将受升温速率的影响﹐溶剂的汽化率和热量和溶剂的温度成正比﹐溶剂挥发的数量和产品的汽相特性和汽相的时间成正比﹐换句话说﹐溶剂的总挥发量取决于温度和时间﹒因此﹐可以调校回流焊的升温速率﹐在慢的升温速率时﹐焊膏的粘度高于快升温速率时的粘度﹐因为任何温度的提升都导致大量熔剂挥发﹒所以应用一个合适的慢升温率的曲线﹐溶剂挥发的作用会掩盖热力的作用﹐这将导致粘度降低的很少﹐甚至有温度增加粘度增大的结果﹐参照图4﹒因此﹐塌陷随着降低升温速率而减少﹐参照图5﹕通常建议由室温到熔点温度之间升温速率为0﹒5℃－1℃／SEC﹒2.锡沫锡沫的产生是在预热阶段由于松香的除气作用（内部散发出气体物质）超过了焊膏本身的粘着力﹐而除气作用促使了焊膏在低空间元器件下面形成了隔离带﹐回流时﹐隔离的焊膏被融化﹐并从组件底部浮现出来进而形成锡沫﹒除气作用可以控制焊锡软融前的加热阶段来改善﹒在较慢的升温率曲线中﹐松香的除气作用由扩散形式代替了严格蒸馏形式﹐因此可以防止由除气作用形成的焊膏隔离带﹐避免锡沫的形成﹒3﹒包焊包焊现象是指焊锡在浸润元器件脚时﹐底部从焊点位置位置移开﹐在这个范围内形成开路或缺口﹐主要原因为﹕在焊锡软融阶段组件脚的温度高于焊盘温度﹐防止此类现象的方法﹐是使用更多的底部加热或在熔融阶段使用较慢的升温率﹐如果这样零件脚和焊盘在焊锡浸润前﹐就可以达到温度平衡﹐一旦焊锡浸润到焊盘上通过焊锡切片分析﹐焊接将非常稳定﹐并且不再受到升温速度的局限﹒4﹒立碑和偏位立碑和偏位由于元器件两端未充分浸润而引起的类似于包焊﹐我们可以使用较慢的升温速率曲线﹐使得零件两端在焊锡融熔前达到热平衡来改善﹒5﹒锡锡是由于锡粉飞引起的﹐在很多情况下﹐这种不良发生在预热到连接阶段升温速率超过2℃／秒时﹐慢的升温速率是防止飞的非常有效的手段﹒锡也可能是在预热到焊接过程中锡粉被过度氧化所致﹒减少预热到融熔的热量就可以改善﹒因此当飞和氧化因素同时被考虑时﹐最佳的加热工艺将锡不良降低到最少﹐而最佳的曲线是从加热到熔融阶段采用线性曲线﹒6﹒湿润不良湿润不良是由于预热到焊接过程中锡粉过度氧化引起的﹐类似于我们前面讨论的锡珠现象﹐减少预热阶段的热量来减少氧化﹐而曲线方面。