1、下一代的回流焊接技術(shù)本文介紹，世界范圍內(nèi)無鉛錫膏的實施出現(xiàn)加快，隨著元件變得更加形形色色，從大的球柵陣列(BGA)到不斷更密間距的零件，要求新的回流焊接爐來提供更精確控制的熱傳導(dǎo)。表一、典型的無鉛焊錫特性合金熔點蠕變強(qiáng)度熔濕熱阻Sn/3.5Ag216221°C良好一般良好Sn/3.5Ag/0.7Cu共晶Sn/3.5Ag/4.8BiSn/5.8Bi139200°C一般一般良好Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5CuSn/0.7Cu227°C一般？Sn/9.0Zn190199°C良好一般良好Sn/8.0Zn/3.0Bi共晶表一與表二列出了典型的無鉛(lead

2、-free)錫膏(solder paste)的特性和熔濕(wetting)參數(shù)。顯示各種無鉛材料(不包括那些含鉍)的主要金屬成分和特性的表一，揭示它們具有比傳統(tǒng)的 Sn/Pb錫膏更高的熔化溫度。從表二中在銅上的熔濕參數(shù)可以清楚地看到，它們也不如 Sn63/Pb37錫膏熔濕得那么好。更進(jìn)一步，其它的試驗已經(jīng)證明當(dāng) Sn63/Pb37錫膏的可擴(kuò)散能力為 93%時，無鉛錫膏的擴(kuò)散范圍為 7377%。Sn63/Pb37錫膏的回流條件是熔點溫度為 183°C，在小元件上引腳的峰值溫度達(dá)到 240°C，而大元件上得到 210°C。可是，大小元件之間這 30°C的差別

3、不影響其壽命。這是因為焊接點是在高于錫膏熔化溫度的 2757°C時形成的。由于金屬可溶濕性通常在較高溫度時提高，所以這些條件對生產(chǎn)是有利的。可是，對于無鉛錫膏，比如 Sn/Ag成分的熔點變成 216221°C。這造成加熱的大元件引腳要高于 230°C以保證熔濕。如果小元件上引腳的峰值溫度保持在 240°C，那么大小元件之間的溫度差別減少到小于10°C。這也戲劇性地減少錫膏熔點與峰值回流焊接溫度之間的差別，如圖一所示。這里，回流焊接爐必須減少大小元件之間的峰值溫度差別，和維持穩(wěn)定的溫度曲線在整個印刷電路板(PCB)在線通過的過程中，以得到高生產(chǎn)率

4、水平。表二、銅上的熔濕參數(shù)*表二、銅上的熔濕參數(shù)*合金溫度°C接觸角度時間(s)63Sn/37Pb260173.896.5Sn/3.5Ag26036295.0Sn/5.0Sb280433.342.0Sn/58.0Bi195439.350.0Sn/50.0In2156314.2*From IPC Works'99, "Lead-free Solders" by Dr. J. Hwang. 峰值溫度維護(hù)也必須考慮要加熱的零件的熱容量和傳導(dǎo)時間。這對 BGA特別如此，其身體(和 PCB)首先加熱。然后熱傳導(dǎo)到焊盤和 BGA錫球，以形成焊點。例如，如果 230&#

5、176;C的空氣作用在包裝表面 -焊盤與 BGA錫球?qū)⒅饾u加熱而不是立即加熱。因此，為了防止溫度沖擊，包裝元件一定不要在回流區(qū)過熱，在焊盤與 BGA錫球被加熱形成焊接點的時候。回流爐加熱系統(tǒng)兩種最常見的回流加熱方法是對流空氣與紅外輻射(IR, infrared radiation)。對流使用空氣作傳導(dǎo)熱量的媒介，對加熱那些從板上“凸出”的元件，比如引腳與小零件，是理想的。可是，在該過程中，在對流空氣與 PCB之間的一個“邊界層”形成了，使得熱傳導(dǎo)到后者效率不高，如圖二所示。用 IR方法，紅外加熱器通過電磁波傳導(dǎo)能量，如果控制適當(dāng)，它將均勻地加熱元件。可是，如果沒有控制，PCB和元件過熱可能發(fā)生

6、。IR機(jī)制，如燈管和加熱棒，局限于表面區(qū)域，大多數(shù)熱傳導(dǎo)集中在 PCB的直接下方，妨礙均勻覆蓋。因為這個理由，IR加熱器必須大于所要加熱的板，以保證均衡的熱傳導(dǎo)和有足夠的熱量防止 PCB冷卻。三種熱傳導(dǎo)機(jī)制中 -傳導(dǎo)、輻射和對流 -只有后兩者可通過回流爐控制。通過輻射的熱傳導(dǎo)是高效和大功率的，如下面的方程式所表示： T(K) e = bT4這里熱能或輻射的發(fā)射功率 e 是與其絕對溫度的四次方成比例的，b 是 Stefan-Boltzman常數(shù)。因為紅外加熱的熱傳導(dǎo)功率對熱源的溫度非常敏感，所以要求準(zhǔn)確控制。而對流加熱沒有輻射那么大的功率，它可以提供良好的、均勻的加熱。IR + 強(qiáng)制對流加熱今天

7、的最先進(jìn)的回流爐技術(shù)結(jié)合了對流與紅外輻射加熱兩者的優(yōu)點。元件之間的峰值溫度差別可以保持在 8°C，同時在連續(xù)大量生產(chǎn)期間 PCB之間的溫度差別可穩(wěn)定在大約 1°C。IR +強(qiáng)制對流的基本概念是，使用紅外作為主要的加熱源達(dá)到最佳的熱傳導(dǎo)，并且抓住對流的均衡加熱特性以減少元件與 PCB之間的溫度差別。對流在加熱大熱容量的元件時有幫助，諸如 BGA，同時對較小熱容量元件的冷卻有幫助。在圖三中，(1)代表具有大熱容量的元件的加熱曲線，(2)是小熱容量的元件。如果只使用一個熱源，不管是 IR或者對流，將發(fā)生所示的加熱不一致。當(dāng)只有 IR用作主熱源時，將得到實線所示的曲線結(jié)果。可是，虛

8、線所描述的加熱曲線顯示了 IR/強(qiáng)制對流系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)點，這里增加強(qiáng)制對流的作用是，加熱低于設(shè)定溫度的元件，而冷卻已經(jīng)升高到熱空氣溫度之上的那些零件。先進(jìn)回流焊接爐的第二個特點是其更有效地傳導(dǎo)對流熱量給 PCB的能力。圖四比較傳統(tǒng)噴嘴對流加熱與強(qiáng)制對流加熱的熱傳導(dǎo)特性。后面的技術(shù)可均勻地將熱傳導(dǎo)給 PCB和元件，效率是噴嘴對流的三倍。最后，不象用于較舊的回流焊接爐中的加熱棒和燈管型 IR加熱器，這個較新一代的系統(tǒng)使用一個比PCB大許多的 IR盤式加熱器，以保證均勻加熱(圖五)。PCB加熱偏差一個試驗設(shè)法比較 QFP140P與 PCB之間的、45mm的BGA與 PCB之間在三種條件下的溫度差別：

9、當(dāng)只有IR盤式加熱器的回流時、只有對流加熱和使用結(jié)合 IR/強(qiáng)制對流加熱的系統(tǒng)。對流回流產(chǎn)生在 QFP140P與 PCB之間22°C的溫度差(在預(yù)熱期間 PCB插入后的70秒)。相反，通過結(jié)合式系統(tǒng)加熱結(jié)果只有 7°C的溫度不一致，而 45mm的 BGA對流加熱結(jié)果是 9°C的溫度差別，結(jié)合式系統(tǒng)將這個溫度差減少到 3°C。另外，在 PCB與 45mm的BGA之間的峰值溫度差別當(dāng)用結(jié)合式系統(tǒng)回流時只有 12°C，使用的是傳統(tǒng)的溫度曲線設(shè)定。這個差別使用梯形曲線可減少到 8°C，如后面所述。(在連續(xù)大生產(chǎn)中，回流爐中的溫度不穩(wěn)定在使用無

10、鉛錫膏時將有重大影響。試驗已經(jīng)顯示尺寸為250x330x1.6mm的 PCB、分開5cm插入，其峰值溫度在大約 1°C之內(nèi)。 ) 最佳回流溫度曲線對于無鉛錫膏，元件之間的溫度差別必須盡可能地小。這也可通過調(diào)節(jié)回流曲線達(dá)到。用傳統(tǒng)的溫度曲線，雖然當(dāng)板形成峰值溫度時元件之間的溫度差別是不可避免的，但可以通過幾個方法來減少：延長預(yù)熱時間。這大大減少在形成峰值回流溫度之前元件之間的溫度差。大多數(shù)對流回流爐使用這個方法。可是，因為助焊劑可能通過這個方法蒸發(fā)太快，它可能造成熔濕(wetting)差，由于引腳與焊盤的氧化。提高預(yù)熱溫度。傳統(tǒng)的預(yù)熱溫度一般在 140160°C，可能要對無鉛

11、焊錫提高到 170190°C。提高預(yù)熱溫度減少所要求的形成峰值溫度，這反過來減少元件(焊盤)之間的溫度差別。可是，如果助焊劑不能接納較高的溫度水平，它又將蒸發(fā)，造成熔濕差，因為焊盤引腳氧化。梯形溫度曲線(延長的峰值溫度)。延長小熱容量元件的峰值溫度時間，將允許元件與大熱容量的元件達(dá)到所要求的回流溫度，避免較小元件的過熱。使用梯形溫度曲線，如圖六所示，一個現(xiàn)代結(jié)合式回流系統(tǒng)可減少 45mm的 BGA與小型引腳包裝(SOP, small outline package)身體的之間的溫度差到 8°C。氮氣回流爐無鉛錫膏可能出現(xiàn)熔濕的困難，因為其熔化溫度通常高，而在峰值回流溫度之間

12、的溫度差不是很大。另外，無鉛錫膏的金屬成分一般特性是可擴(kuò)散性差。而且，高熔點的無鉛錫膏在貼裝頂面和底面 PCB時將產(chǎn)生問題。在 A面回流焊接期間，越高的溫度 B面焊盤氧化越嚴(yán)重。在 200°C之上，氧化膜的厚度迅速增加，這可能導(dǎo)致在回流 B面時熔濕性差。具有 Sn/Zn成分的錫膏也可能出現(xiàn)問題(Zn容易氧化)。如果氧化發(fā)生，焊錫將不能與其它金屬融合。因此，將要求氮氣的使用，以維持無鉛工藝的高生產(chǎn)力。在以 IR盤式加熱器為主要熱源的結(jié)合式 IR/強(qiáng)制對流系統(tǒng)中(對流是均勻加熱媒介)，氮氣的消耗可減少到少于現(xiàn)在全對流回流爐所要求的一半數(shù)量。(可接納 450mm寬度 PCB的爐的最大氮氣消

13、耗為每分鐘 200升。)一個可選的內(nèi)部氮氣發(fā)生器可消除大的氮氣桶的需要。自動過程監(jiān)測除了要求下一代的爐子技術(shù)之外，窄小的無鉛工藝窗口使得必須要做連續(xù)的工藝過程監(jiān)測，因為甚至很小的工藝偏離都可能造成不合規(guī)格的焊接產(chǎn)品。監(jiān)測回流焊接工藝的最有效方法是用自動、連續(xù)實時的溫度管理系統(tǒng)。該實時溫度管理系統(tǒng)允許裝配者通過連續(xù)的監(jiān)測在回流爐中的過程溫度，獲得和分析其焊接過程的實時數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)通常由 30個嵌入兩個細(xì)長不銹鋼探測器的熱電偶組成，探測器永久地安裝在剛好傳送帶的上方或下方。熱電偶連續(xù)地監(jiān)測過程溫度，每五秒記錄讀數(shù)。這些溫度在爐子控制器的 PC屏幕上作為過程溫度曲線顯示出來(圖七)。實時溫度管理系

14、統(tǒng)通過產(chǎn)生一個由穿過式測溫儀測定的溫度曲線與由實時溫度管理熱電偶探測器所測量的過程溫度之間的數(shù)學(xué)相關(guān)性，來提供對每個處理板的產(chǎn)品溫度曲線。來自實時溫度管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也可通過互聯(lián)網(wǎng)來發(fā)送到遠(yuǎn)方位置，最大利用這種稀有工程資源的價值。實時連續(xù)溫度記錄的其它優(yōu)點包括，消除使用標(biāo)準(zhǔn)穿過式溫度記錄器的生產(chǎn)停頓，和所需要的預(yù)防性維護(hù)的計劃。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代強(qiáng)制對流爐可以有效地工作時間延長，而不需要維護(hù)。實時溫度管理系統(tǒng)的使用立即提醒使用者爐的性能變差，允許要求時的預(yù)防性維護(hù)計劃。最后，嚴(yán)密控制的溫度過程可大大減少焊接點缺陷，和有關(guān)的昂貴的返工。事實上，實時溫度管理已經(jīng)成為工業(yè)范圍的專用品質(zhì)指示器。回流溫度曲線優(yōu)化現(xiàn)在先進(jìn)的軟件可簡化轉(zhuǎn)換到無鉛裝配的任務(wù)。在較新的軟件中，有一個自動溫度曲線預(yù)測工具，它允許使用者在數(shù)分鐘內(nèi)決定最佳的溫度曲線。該工具將曲線放在由希望設(shè)定規(guī)定界限的使用者設(shè)定的窗口中央。一個例子是前面提到的梯形曲線 -即，如果裝配不能忍受高于 240°C的溫度但必須最少 230°C，那么該自動預(yù)測工具將找出一條最佳的溫度曲