00116-焊接工藝技術(shù)匯編-16-下一代的回流焊接技術(shù)

1、11/11下一代的回流焊接技術(shù)BHiro Sugauma an lvin Tmanaa本文介紹，世界范圍內(nèi)無鉛錫膏的實(shí)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(G)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(diǎn)蠕變強(qiáng)度熔濕熱阻S3.5g121良好一般良好n/3。A/0.7C共晶Sn3。5Ag4BiSn5.8Bi1920一般一般良好Sn/.Bi/。Ag/.5CuS0。7u227一般？S/。Zn099良好一般良好n/8.0Zn/3。0i共晶表一與表二列出了典型的無鉛(ledfee）錫膏（ode pse)的特性和熔濕（eting）參數(shù)。

2、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 Sn6/Pb37錫膏熔濕得那么好.更進(jìn)一步,其它的試驗(yàn)已經(jīng)證明當(dāng) S63/Pb37錫膏的可擴(kuò)散能力為 93時，無鉛錫膏的擴(kuò)散范圍為 377%.S6/Pb37錫膏的回流條件是熔點(diǎn)溫度為183，在小元件上引腳的峰值溫度達(dá)到 240C,而大元件上得到 10C。可是，大小元件之間這可是，對于無鉛錫膏，比如 Sn/成分的熔點(diǎn)變成 261C。這造成加熱的大元件引腳要高于 20C以保證熔濕。如果小元件上引腳的峰值溫度保持在 表二、銅上的熔濕參數(shù)

3、*表二、銅上的熔濕參數(shù)合金溫度C接觸角度時間(s）3Sn/Pb2173。89。5Sn/35g260325.0S/。S80433。34.0Sn/80B15439.35Sn/50.0n21531.2Fom PC Works99, Leadfre oldr bDr. . 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 PC）首先加熱。然后熱傳導(dǎo)到焊盤和 BGA錫球,以形成焊點(diǎn)。例如,如果 23C的空氣作用在包裝表面-焊盤與GA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(R， nfared din)。對流使用空氣作傳導(dǎo)熱量的媒介,對

4、加熱那些從板上“凸出”的元件，比如引腳與小零件，是理想的?？墒?在該過程中，在對流空氣與 B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 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，CB和元件過熱可能發(fā)生.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?yàn)檫@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 PC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 =

5、 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 StfanBolzma常數(shù)。因?yàn)榧t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。R + 強(qiáng)制對流加熱今天的最先進(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(diǎn)。元件之間的峰值溫度差別可以保持在8，同時在連續(xù)大量生產(chǎn)期間 B之間的溫度差別可穩(wěn)定在大約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 P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BA，同時對較小熱容量元件的冷卻有幫

6、助。在圖三中，(1)代表具有大熱容量的元件的加熱曲線，（)是小熱容量的元件.如果只使用一個熱源,不管是R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(shí)線所示的曲線結(jié)果。可是,虛線所描述的加熱曲線顯示了 I/強(qiáng)制對流系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn),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(diǎn)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 PC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 加熱器，這個較新一代

7、的系統(tǒng)使用一個比PCB大許多的I盤式加熱器，以保證均勻加熱（圖五）。CB加熱偏差一個試驗(yàn)設(shè)法比較 QFP14與 PCB之間的、45mm的BGA與PCB之間在三種條件下的溫度差別：當(dāng)只有R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 PC之間2C的溫度差（在預(yù)熱期間P插入后的7秒）。相反,通過結(jié)合式系統(tǒng)加熱結(jié)果只有 7C的溫度不一致，而 5mm的BGA對流加熱結(jié)果是 9的溫度差別，結(jié)合式系統(tǒng)將這個溫度差減少到 3C。另外，在PCB與 45mm的250 x3.6mm的 PCB、分開5cm插入,其峰值溫度在大約 1最佳回流溫度曲線對于無鉛錫膏

8、，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?？墒?因?yàn)橹竸┛赡芡ㄟ^這個方法蒸發(fā)太快,它可能造成熔濕（wettig）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 140160C,可能要對無鉛焊錫提高到70C。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

9、,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BA與小型引腳包裝(SP,smallutlne package)身體的之間的溫度差到 8氮?dú)饣亓鳡t無鉛錫膏可能出現(xiàn)熔濕的困難,因?yàn)槠淙刍瘻囟韧ǔ８?而在峰值回流溫度之間的溫度差不是很大。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(diǎn)的無鉛錫膏在貼裝頂面和底面 PB時將產(chǎn)生問題。在 面回流焊接期間,越高的溫度 B面焊盤氧化越嚴(yán)重。在200C之上，氧化膜的厚度迅速增加，這可能導(dǎo)致在回流具有SnZn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?dú)獾?/p>

10、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?dú)獾南目蓽p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 450m寬度PB的爐的最大氮?dú)庀臑槊糠昼?200升。）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?yàn)樯踔梁苄〉墓に嚻x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(shí)時的溫度管理系統(tǒng)。該實(shí)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(shí)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

11、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 P屏幕上作為過程溫度曲線顯示出來(圖七）。實(shí)時溫度管理系統(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(shí)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(shí)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(shí)時連續(xù)溫度記錄的其它優(yōu)點(diǎn)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(jì)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(shí)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(jì)劃。最后，嚴(yán)密控制的溫度過程可大大減少焊接點(diǎn)缺陷，和有關(guān)的昂貴的返工.事實(shí)上,實(shí)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 20C的溫度但必須最少結(jié)論無鉛錫膏的使用將大大減少回流工藝窗口，特別是對于要求的峰值溫度。