SMT制程资料2

理解锡膏的回流过程当锡膏至于一个加热的环境中，锡膏回流分为五个阶段， 1. 首先，用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发，温度上升必需慢(大约每秒3 C)，以限制沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，还有，一些元件对内部应力比较敏感，如果元件外部温度上升太快，会造成断裂。 2. 助焊剂活跃，化学清洗行动开始，水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除。好的冶金学上的锡焊点要求“清洁”的表面。 3. 当温度继续上升，焊锡颗粒首先单独熔化，并开始液化和表面吸锡的“灯草”过程。这样在所有可能的表面上覆盖，并开始形成锡焊点。 4. 这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，结合一起形成液态锡，这时表面张力作用开始形成焊脚表面，如果元件引脚与PCB焊盘的间隙超过4mil，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成锡点开路。 5. 冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快而引起元件内部的温度应力。 回流焊接要求总结：重要的是有充分的缓慢加热来安全地蒸发溶剂，防止锡珠形成和限制由于温度膨胀引起的元件内部应力，造成断裂痕可靠性问题。其次，助焊剂活跃阶段必须有适当的时间和温度，允许清洁阶段在焊锡颗粒刚刚开始熔化时完成。时间温度曲线中焊锡熔化的阶段是最重要的，必须充分地让焊锡颗粒完全熔化，液化形成冶金焊接，剩余溶剂和助焊剂残余的蒸发，形成焊脚表面。此阶段如果太热或太长，可能对元件和PCB造成伤害。锡膏回流温度曲线的设定，最好是根据锡膏供应商提供的数据进行，同时把握元件内部温度应力变化原则，即加热温升速度小于每秒3 C，和冷却温降速度小于5 C。PCB装配如果尺寸和重量很相似的话，可用同一个温度曲线。重要的是要经常甚至每天检测温度曲线是否正确。将溅锡的影响减到最小在回流之后，内存模块的连接器“金手指”可能出现溅锡的污染，这意味着产品的品质和可靠性问题和制造流程问题。溅锡只是表面污染的一种，其它类型包括水渍污染和助焊剂飞溅。这些影响较小，但由于焊锡飞溅，焊锡已实际上熔湿了“金手指”的表面。“小爆炸”溅锡有许多原因，不一定是回流焊接时热的或熔化的焊锡爆发性的排气结果。例如，通过观察过程，以保证锡膏丝印时的最佳清洁度，溅锡问题可以减少或消除。任何方法，如果使锡膏粉球可能沉积在金手指上，并在回流过程时仍存在，都可以产生溅锡。包括：1. 在丝印期间没有擦拭模板底面(模板脏) 2. 误印后不适当的清洁方法 3. 丝印期间不小心的处理 4. 机板材料和污染物中过多的潮汽 5. 极快的温升斜率(超过每秒4 C) 在后面的原因中，助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊接点中的小爆炸，促使焊锡颗粒变成在回流腔内空中乱飞，飞溅在PCB上，污染连接器的“金手指”。PCB材料内夹住潮气的情况是一样的，和助焊剂排气有相同的效果。类似地，板表面上的外来污染也引起溅锡。溅锡的影响虽然人们对溅锡可能对连接器接口有有害的影响的关注，还没有得到证实，但它仍然是个问题，因为轻微的飞溅“锡块”产生对连接器金手指平面的破坏。这些锡块是不柔顺的，锡本身比金导电性差，特别是遭受氧化之后。第一个最容易的消除溅锡的方法是在锡膏的模板丝印过程。如果这个过程是产生溅锡的原因的话，那么通过良好的设备的管理及保养来得到控制，包括适当的丝印机设定和操作员培训。如果原因不在这里，那么必须检查其它方面。水印污染：其根本原因还未完全理解，虽然可能涉及许多根源。因为已经显示清洁的、未加工的、无锡膏的和没有加元件的板，在回流后也会产生水印污染，所以其中包括了许多的原因：PCB制造残留、炉中的凝结物、干助焊剂的飞溅、清洗板的残留和导热金的变色等。水印污染经常难于发现，但其对连接器接口似乎并无影响。事实上内存模块的使用者并不关心这类表面污染，常常看作为金的变色。助焊剂飞溅：一般理解为，助焊剂水滴在回流炉中变成空中乱飞，分散和附着在整个板上，包括金手指。有两种理论试图说明助焊剂飞溅：溶剂排放理论和合并理论(丝印期间的清洁再次认为有影响，但可控制)。 溶剂排放理论：认为锡膏助焊剂中使用的溶剂必须在回流时蒸发。如果使用过高温度，溶剂会“闪沸”成气体(类似于在热锅上滴水)，把固体带到空中，随机散落到板上，成为助焊剂飞溅。 为了证实或反驳这个理论，使用热板对样板进行导热性试验，并作测试。使用的温度设定点分别为190 C，200 C和220 C。膏状的助焊剂(不含焊锡粉末)在任何情况下都不出现飞溅。可是，锡膏(含有粉末的助焊剂)在焊锡熔化和焊接期间始终都有飞溅。表一和表二是结果。表一、溶剂排气模拟试验测试描述材料结果助焊剂载体(无粉末)印于铜箔试样，放于设定为190 C、200 C和220 C的热板上助焊剂载体B助焊剂载体D在试样上没有明显的助焊剂飞溅，第二次结果相似将锡膏印于铜箔试样，放于设定为190 C、200 C和220 C的热板上回流 锡膏B：90%金属含量，Sn63/Pb37，-325/+500 锡膏D：92%金属含量，Sn63/Pb37，-325/+500 两种金属含量都可以看到助焊剂飞溅，金属含量较高的产生飞溅可能较少，但很难说。第二次结果相似助焊剂A：Kester244，助焊剂B：92，助焊剂C：92J，助焊剂D：51SC，助焊剂E：73D，助焊剂F：75表二、从金属焊接中的助焊剂飞溅模拟试验测试描述材料结果锡膏(有粉末)印于铜箔试样，放于设定为190 C、200 C和220 C的热板上 锡膏B，90%，Sn63/Pb37，-325/+500 锡膏D，90%，Sn63/Pb37，-325/+500 在所有温度设定上，锡膏B明显比锡膏D湿润较快，结合更积极，结果助焊剂飞溅较多 也看到锡膏D在所有温度上的助焊剂飞溅，但比锡膏程度要小 温度越高，飞溅越厉害 保温区(干燥)模拟-锡膏印于铜箔试样，在设定不同的温度热板上预热不同的时间，保温范围150 C170 C，时间14分钟。试样然后转到第二块热板上，以220 C回流，并观察助焊剂飞溅。 锡膏B，90%，Sn63/Pb37，-325/+500 在较高温度下保温超过2分钟，减少或消除了助焊剂飞溅 Sn62的锡膏和Sn63的锡膏比较，看是否Sn62较慢的结合速度会减少飞溅 锡膏B：90%金属含量，Sn63/Pb37，-325/+500 锡膏B：90%，Sn62/Pb36/Ag2，-325/+500 Sn62和Sn63都观察到助焊剂飞溅，飞溅数量的差别肉眼观察不出，观察到Sn62的结合速度较慢 助焊剂A：Kester244，助焊剂B：92，助焊剂C：92J，助焊剂D：51SC，助焊剂E：73D，助焊剂F：75可以推断，如果助焊剂沸腾引起飞溅，那么当助焊剂单独加热时应该看到。可是，由于飞溅是在焊锡结合时观察到的，这里应该可找到其作用原理。测试说明溶剂排气理论不能解释助焊剂飞溅。结合理论：当焊锡熔化和结合时熔化材料的表面张力一个很大的力量在被夹住的助焊剂上施加压力，当足够大时，猛烈地排出。这一理论得到了对BGA装配内焊锡空洞的研究的支持，其中描述了表面张力和助焊剂排气之间的联系(助焊剂排气率模型)。因此，有力的喷出是助焊剂飞溅最可能的原因。接下来的实验室助焊剂飞溅模拟说明了结合的影响，甚至当锡膏在回流前已烘干。尽管如此，完全的烘干大大地减少了飞溅(表三)。表三、来自金属结合的助焊剂飞溅模拟烘干研究温度一分钟二分钟三分钟四分钟150oC观察到飞溅1-2飞溅无飞溅无飞溅160oC1-2飞溅无飞溅无飞溅无飞溅170oC无飞溅无飞溅无飞溅无飞溅用锡膏B 90% Sn63/Pb37 合金作试验熔湿速度因为结合模型看来会成功，所以调查了各种材料的熔湿速度。熔湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境的影响。如图一所说明，温度对熔湿速度有戏剧性的影响，温度越高，速度越快。图一、一种焊锡配方在不同温度测试的熔湿速度，影响因素包括合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境。李宁成博士在其论文，“通过缺陷机制分析优化回流曲线”中说，惰性气体(氮)也会增加熔湿速度。SMT专栏作家珍尼.黄博士和其它人的报告说，共晶合金的熔湿速度倾向于比非共晶材料快。因此，Sn63/Pb37一般比Sn62/Pb36/Ag2熔湿速度更快。影响熔湿、从而影响结合和潜在飞溅的因素如表四所示。表四、可能引起溅锡的因素因素机制对飞溅的影响助焊剂载体活性剂不同的活性剂在回流时提高不同程度的湿润和结合速度快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。助焊剂载体溶剂及其含量溶剂类型和含量将影响预热期间烘干程度增加溶剂含量将引起受夹住焊剂更激烈的排出合金类型合金影响回流期间的湿润和结合速度快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。回流气氛惰性(氮)环境增加回流期间的湿润和结合速度快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。焊锡熔化温度更高的熔化温度增加回流期间的湿润和结合速度快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。溅锡的解决方案预防：防止溅锡沉积的一个方法就是在金手指上涂敷一层可驳除的阻焊层，在丝印锡膏后涂敷，回流后拿掉。这个方法还没有印证，可能成本高，因为牵涉手工作业，涂敷板上选择性区域会造成困难，中断生产流水作业。另外可选择在金手指上贴临时胶带。这个方法也有同样的缺点。最小化：优化助焊剂载体的化学成份，和回流温度曲线，将溅锡减到最低。为了证明这一点，得到内存模块制造商的支持，通过评估对材料和回流温度曲线优化的影响，来评价表准锡膏系统。清楚地表明活性剂、溶剂、合金和回流温度曲线对溅锡程度有重要影响。因此，有信心着手解决问题，这些参数的适当调整可以将溅锡减到最小。非标准材料，如聚合助焊剂系统由于成本高、货架寿命丝印寿命短、工艺变化范围小、并返工困难，不包括在本研究范围。但是，聚合助焊剂有希望最终提供一个可能最小化的溅锡解决方案，因为潜在的飞溅材料在温度激化的聚合过程中被包围。因此，没有液体助焊剂留下来产生飞溅。测试样板是一块六个小板的内存模块，没有贴装元件。(已发现元件回减小溅锡的影响，因为元件会阻隔助焊剂从金手指上排出)。现有生产材料和温度曲线作基本的试验条件(表五)。生产电路板的飞溅水平大约每100块组合板有一个飞溅锡球。两个工程师通过20倍的显微镜观察所有的板，以评估溅锡程度。表五、测试材料助焊剂载体描述相对湿润速度溶剂含量回流环境溶剂挥发性助焊剂A现有生产材料(内存模块制造商的)中等残留，RMA型未知中推荐惰性高助焊剂B高级、高性能、长丝印寿命，中等残留快中空气或惰性低助焊剂C高级、高性能、长丝印寿命，中等残留快中空气或惰性低助焊剂D高性能、RMA型，长丝印寿命，中等残留慢中空气或惰性低助焊剂E低残留，高溶剂含量，空气或氮气回流慢高推荐惰性中助焊剂F极低残留，惰性回流慢高惰性中助焊剂A: Kester244, B: 92, C: 92J, D:51SC, E: 73D, F:75在线研究中使用不同特性的表准锡膏。根据其不同的湿润速度和溶剂性能来选择这些材料。为减少研究中的变量参数，所有锡膏使用同一种合金：Sn63/Pb37，粒度-325/+500目。最小化试验结果回流温度曲线的选择：试验期间得到明确，回流曲线和材料类型两者都必须调整以使飞溅最小。测试使用的两条主要的回流曲线不同在于其保温区的特性。没有平坦保温区的线性上升温度曲线(图二)结果是所有材料都存在一些溅锡，在原来的生产材料上增加了溅锡。因此，这个曲线形状没有作继续研究。基于飞溅机制的假设，这个线性的曲线没有充分烘干助焊剂。一个更有前途的基本曲线形状包括一个160oC的高温保温(烘干)，以蒸发所有溶剂(图三)。这种溶剂失散增加助焊剂剩余的粘性，减少挥发成份，因此减少飞溅。可是，这样烘干的潜在问题包括熔湿变差和产生空洞。使用惰性气体(氮气)可以帮助改善熔湿和减少空洞，但对飞溅却无效果。这个曲线也是一个“长”曲线，消除了过快温升率的需要(最高每秒175oC)。图二、线性温升曲线，没有保温平台区，对任何焊锡和助焊剂材料都造成一些溅锡图三、有一个高温保温区的温度曲线，溶剂的消失提高余下的助焊剂粘性，因此减少溅锡所有温度曲线研究的结果在图四和表六中总结。光板上测得的飞溅程度，在已贴装元件的生产板上大大减少。估计表明，光板上少于10-20个飞溅锡球，将在贴装元件板上不产生飞溅。因此，助焊剂类型D，E和F(表五)都提供了可行的溅锡解决方案。D型助焊剂载体有其它有点，工艺范围大和可以空气回流。三种材料的特点都是熔湿速度慢，但溶剂种类不同，这显示所有溶剂都可以有效烘干，熔湿速度才是助焊剂飞溅的关键因素。图四、每一种材料在内存模块六合一板上的飞溅结果。Series1: 平坦、滞色的助焊剂小滴数量Series2: 有形、光泽的助焊剂小滴数量表六、材料研究结果锡膏类型Series1Series2带速环境助焊剂A03426”/min氮气助焊剂A04226”/min氮气助焊剂B12526”/min氮气助焊剂B42026”/min氮气助焊剂B02126”/min空气助焊剂B02126”/min空气助焊剂B02126”/min空气助焊剂B02926”/min空气助焊剂C2726”/min空气助焊剂C03526”/min空气助焊剂D0026”/min空气助焊剂D0226”/min空气助焊剂D0226”/min空气助焊剂D0426”/min空气助焊剂E0326”/min空气助焊剂E0326”/min氮气助焊剂F2026”/min氮气助焊剂F1026”/min氮气助焊剂A: Kester244; B: 92; C: 92J; D: 51SC; E: 73D; F: 75检查与清洁如果在清洁的连接器内产生溅锡，那么检查和清洁是对溅锡的昂贵和费时的改正行动。当然，通过锡膏残留中配方的变化，检查可以通过染色和荧光化学品来简化。清洁也可以用适当的残留构思来改进。不幸的是，和预防措施一样，成本和时间使得检查和清洁是人们所不希望的。结论锡膏结合正确的温度曲线，可以达到实际消除焊锡和助焊剂的飞溅。相对易挥发溶剂含量高和熔湿速度慢的锡膏可达到最好的效果。遮盖连接器手指和检查与清洁可提供临时的解决办法，但没有找到溅锡的根本原因。怎样设定锡膏回流温度曲线“正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。”约翰.希罗与约翰.马尔波尤夫(美) 在使用表面贴装元件的印刷电路板(PCB)装配中，要得到优质的焊点，一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数，当在笛卡尔平面作图时，回流过程中在任何给定的时间上，代表PCB上一个特定点上的温度形成一条曲线。几个参数影响曲线的形状，其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。带速决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间，增加持续时间可以允许更多时间使电路装配接近该区的温度设定。每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度，高温在PCB与区的温度之间产生一个较大的温差。增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。因此，必须作出一个图形来决定PCB的温度曲线。接下来是这个步骤的轮廓，用以产生和优化图形。在开始作曲线步骤之前，需要下列设备和辅助工具：温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的工具和锡膏参数表。可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱，这工具箱使得作曲线方便，因为它包含全部所需的附件(除了曲线仪本身)。现在许多回流焊机器包括了一个板上测温仪，甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。测温仪一般分为两类：实时测温仪，即时传送温度/时间数据和作出图形；而另一种测温仪采样储存数据，然后上载到计算机。热电偶必须长度足够，并可经受典型的炉膛温度。一般较小直径的热电偶，热质量小响应快，得到的结果精确。有几种方法将热电偶附着于PCB，较好的方法是使用高温焊锡如银/锡合金，焊点尽量最小。另一种可接受的方法，快速、容易和对大多数应用足够准确，少量的热化合物(也叫热导膏或热油脂)斑点覆盖住热电偶，再用高温胶带(如Kapton)粘住。还有一种方法来附着热电偶，就是用高温胶，如氰基丙烯酸盐粘合剂，此方法通常没有其它方法可靠。附着的位置也要选择，通常最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。(图一、将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间)锡膏特性参数表也是必要的，其包含的信息对温度曲线是至关重要的，如：所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。开始之前，必须理想的温度曲线有个基本的认识。理论上理想的曲线由四个部分或区间组成，前面三个区加热、最后一个区冷却。炉的温区越多，越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流。(图二、理论上理想的回流曲线由四个区组成，前面三个区加热、最后一个区冷却)预热区，也叫斜坡区，用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区，产品的温度以不超过每秒25C速度连续上升，温度升得太快会引起某些缺陷，如陶瓷电容的细微裂纹，而温度上升太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度。炉的预热区一般占整个加热通道长度的2533%。 活性区，有时叫做干燥或浸湿区，这个区一般占加热通道的3350%，有两个功用，第一是，将PCB在相当稳定的温度下感温，允许不同质量的元件在温度上同质，减少它们的相当温差。第二个功能是，允许助焊剂活性化，挥发性的物质从锡膏中挥发。一般普遍的活性温度范围是120150C，如果活性区的温度设定太高，助焊剂没有足够的时间活性化，温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加，但是理想的曲线要求相当平稳的温度，这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线，选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子，将提高可焊接性能，使用者有一个较大的处理窗口。 回流区，有时叫做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点，而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是205230C，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒25C，或达到回流峰值温度比推荐的高。这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件的完整性。 今天，最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，这种比例的锡和铅使得该合金共晶。共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金，非共晶合金有一个熔化的范围，而不是熔点，有时叫做塑性装态。本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅，因为其使用广泛，该合金的熔点为183C。 理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。越是靠近这种镜像关系，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。 作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定，该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。典型的锡膏制造厂参数要求34分钟的加热曲线，用总的加热通道长度除以总的加热感温时间，即为准确的传输带速度，例如，当锡膏要求四分钟的加热时间，使用六英尺加热通道长度，计算为：6 英尺 4 分钟 = 每分钟 1.5 英尺 = 每分钟 18 英寸。 接下来必须决定各个区的温度设定，重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。显示温度只是代表区内热敏电偶的温度，如果热电偶越靠近加热源，显示的温度将相对比区间温度较高，热电偶越靠近PCB的直接通道，显示的温度将越能反应区间温度。明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。表一列出的是用于典型PCB装配回流的区间温度设定。 表一、典型PCB回流区间温度设定 区间区间温度设定区间末实际板温预热210C(410F)140C(284F)活性177C(350F)150C(302F)回流250C(482C)210C(482F)速度和温度确定后，必须输入到炉的控制器。看看手册上其它需要调整的参数，这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。一旦所有参数输入后，启动机器，炉子稳定后(即，所有实际显示温度接近符合设定参数)可以开始作曲线。下一部将PCB放入传送带，触发测温仪开始记录数据。为了方便，有些测温仪包括触发功能，在一个相对低的温度自动启动测温仪，典型的这个温度比人体温度37C(98.6F)稍微高一点。例如，38C(100F)的自动触发器，允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作，不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。 一旦最初的温度曲线图产生，可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所示的曲线进行比较。 首先，必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时间相协调，如果太长，按比例地增加传送带速度，如果太短，则相反。 下一步，图形曲线的形状必须和所希望的相比较(图二)，如果形状不协调，则同下面的图形(图三六)进行比较。选择与实际图形形状最相协调的曲线。应该考虑从左道右(流程顺序)的偏差，例如，如果预热和回流区中存在差异，首先将预热区的差异调正确，一般最好每次调一个参数，在作进一步调整之前运行这个曲线设定。这是因为一个给定区的改变也将影响随后区的结果。我们也建议新手所作的调整幅度相当较小一点。一旦在特定的炉上取得经验，则会有较好的“感觉”来作多大幅度的调整。 图三、预热不足或过多的回流曲线 图四、活性区温度太高或太低 图五、回流太多或不够 图六、冷却过快或不够 当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合，应该把炉的参数记录或储存以备后用。虽然这个过程开始很慢和费力，但最终可以取得熟练和速度，结果得到高品质的PCB的高效率的生产。 得益于升温-到-回流的回流温度曲线如果遵循某些指引，和对回流过程中可能遇见的参数有很强的理解，经常和温度曲线联系在一起的苦恼可以大大减轻。大卫.苏拉斯基(美)许多旧式的炉倾向于以不同速率来加热一个装配上的不同零件，取决于回流焊接的零件和线路板层的颜色和质地。一个装配上的某些区域可以达到比其它区域高得多的温度，这个温度变化叫做装配的D T。如果D T大，装配的有些区域可能吸收过多热量，而另一些区域则热量不够。这可能引起许多焊接缺陷，包括焊锡球、不熔湿、损坏元件、空洞和烧焦的残留物。较新式的回流焊接炉大多数新式的回流焊接炉，叫做强制对流式，将热空气吹到装配板上或周围。这种炉的一个优点是可以对装配板逐渐地和一致地提供热量，不管零件的颜色和质地。虽然，由于不同的厚度和元件密度，热量的吸收可能不同，但强制对流式炉逐渐地供热，其D T没有太大的差别。另外，这种炉可以严格地控制给定温度曲线的最高温度和温度速率，其提供了更好的区到区的稳定性，和一个更受控的回流过程。为什么和什么时候保温保温区的唯一目的是减少或消除大的D T。保温应该在装配达到焊锡回流温度之前，把装配上所有零件的温度达到均衡，使得所有的零件同时回流。由于保温区是没有必要的，因此温度曲线可以改成线性的升温-到-回流(RTS)的回流温度曲线。应该注意到，保温区一般是不需要用来激化锡膏中的助焊剂化学成分。这是工业中的一个普遍的错误概念，应予纠正。当使用线性的RTS温度曲线时，大多数锡膏的化学成分都显示充分的湿润活性。事实上，使用 RTS温度曲线一般都会改善湿润。升温-保温-回流升温-保温-回流(RSS)温度曲线可用于RMA或免洗化学成分，但一般不推荐用于水溶化学成分，因为RSS保温区可能过早地破坏锡膏活性剂，造成不充分的湿润。使用RSS温度曲线的唯一目的是消除或减少D T。如图一所示，RSS温度曲线开始以一个陡坡温升，在90秒的目标时间内大约150 C，最大速率可达23 C。随后，在150170 C之间，将装配板保温90秒钟；装配板在保温区结束时应该达到温度均衡。保温区之后，装配板进入回流区，在183 C以上回流时间为60( 15)秒钟。整个温度曲线应该从45 C到峰值温度215( 5) C持续3.54分钟。冷却速率应控制在每秒4 C。一般，较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊接点。可是，超过每秒4 C会造成温度冲击。图一、典型的升温-保温-回流温度曲线(点按图形可将图形放大) 升温-到-回流RTS温度曲线可用于任何化学成分或合金，为水溶锡膏和难于焊接的合金与零件所首选。如果装配上存在较大的D T，例如工序中使用了夹具或效率低的回流焊接炉，那么RTS可能不为适当的温度曲线选择。RTS温度曲线比RSS有几个优点。RTS一般得到更光亮的焊点，可焊性问题很少，因为在RTS温度曲线下回流的锡膏在预热阶段保持住其助焊剂载体。这也将更好地提高湿润性，因此，RTS应该用于难于湿润的合金和零件。因为RTS曲线的升温速率是如此受控的，所以很少机会造成焊接缺陷或温度冲击。另外，RTS曲线更经济，因为减少了炉前半部分的加热能量。此外，排除RTS的故障相对比较简单，有排除RSS曲线故障经验的操作员应该没有困难来调节RTS曲线，以达到优化的温度曲线效果。图二、典型的升温-到-回流温度曲线，从室温到峰值温度线性上升(点按图形可将图形放大)设定RTS温度曲线如图二所示，RTS曲线简单地说就是一条从室温到回流峰值温度的温度渐升曲线，RTS曲线温升区其作用是装配的预热区，这里助焊剂被激化，挥发物被挥发，装配准备回流，并防止温度冲击。RTS曲线典型的升温速率为每秒0.61.8 C。升温的最初90秒钟应该尽可能保持线性。RTS曲线的升温基本原则是，曲线的三分之二在150 C以下。在这个温度后，大多数锡膏内的活性系统开始很快失效。因此，保持曲线的前段冷一些将活性剂保持时间长一些，其结果是良好的湿润和光亮的焊接点。RTS曲线回流区是装配达到焊锡回流温度的阶段。在达到150 C之后，峰值温度应尽快地达到，峰值温度应控制在215( 5) C，液化居留时间为60( 15)秒钟。液化之上的这个时间将减少助焊剂受夹和空洞，增加拉伸强度。和RSS一样，RTS曲线长度也应该是从室温到峰值温度最大3.54分钟，冷却速率控制在每秒4 C。某些机板镀层可能会增加曲线峰值温度，如果焊接“金盖镍”镀层的焊盘，峰值温度至少应达到220 C；这样可以防止回流后温度可靠性问题，因为锡和金在217 C形成第二种共晶合金。如果焊接有机表面防护剂涂层(OSP)的焊盘，可能要求达到225 C的峰值温度，以完全渗透涂层。使用哪一种温度曲线都有必要调节峰值温度。排除RTS曲线的故障排除RSS和RTS曲线的故障，原则是相同的：按需要，调节温度和曲线温度的时间，以达到优化的结果。时常，这要求试验和出错，略增加或减少温度，观察结果。以下是使用RTS曲线遇见的普遍回流问题，以及解决办法。焊锡球许多细小的焊锡球镶陷在回流后助焊剂残留的周边上。在RTS曲线上，这个通常是升温速率太慢的结果，由于助焊剂载体在回流之前烧完，发生金属氧化。这个问题一般可通过曲线温升速率略微提高达到解决。焊锡球也可能是温升速率太快的结果，但是，这对RTS曲线不大可能，因为其相对较慢、较平稳的温升。焊锡珠经常与焊锡球混淆，焊锡珠是一颗或一些大的焊锡球，通常落在片状电容和电阻周围(图三)。虽然这常常是丝印时锡膏过量堆积的结果，但有时可以调节温度曲线解决。和焊锡球一样，在RTS曲线上产生的焊锡珠通常是升温速率太慢的结果。这种情况下，慢的升温速率引起毛细管作用，将未回流的锡膏从焊锡堆积处吸到元件下面。回流期间，这些锡膏形成锡珠，由于焊锡表面张力将元件拉向机板，而被挤出到元件边。和焊锡球一样，焊锡珠的解决办法也是提高升温速率，直到问题解决。图三、可看到电容旁边的焊锡珠(点按图形可将图形放大) 熔湿性差熔湿性差(图四)经常是时间与温度比率的结果。锡膏内的活性剂由有机酸组成，随时间和温度而退化。如果曲线太长，焊接点的熔湿可能受损害。因为使用RTS曲线，锡膏活性剂通常维持时间较长，因此熔湿性差比RSS较不易发生。如果RTS还出现熔湿性差，应采取步骤以保证曲线的前面三分之二发生在150 C之下。这将延长锡膏活性剂的寿命，结果改善熔湿性。图四、熔湿性差可能是由时间和温度比所引起(点按图形可将图形放大) 焊锡不足焊锡不足通常是不均匀加热或过快加热的结果，使得元件引脚太热，焊锡吸上引脚。回流后引脚看到去锡变厚，焊盘上将出现少锡。减低加热速率或保证装配的均匀受热将有助于防止该缺陷。墓碑墓碑通常是不相等的熔湿力的结果，使得回流后元件在一端上站起来(图五)。一般，加热越慢，板越平稳，越少发生。降低装配通过183 C的温升速率将有助于校正这个缺陷。图五、不平衡的熔湿力使元件立起来(点按图形可将图形放大) 空洞空洞是锡点的X光或截面检查通常所发现的缺陷。空洞是锡点内的微小“气泡”(图六)，可能是被夹住的空气或助焊剂。空洞一般由三个曲线错误所引起：不够峰值温度；回流时间不够；升温阶段温度过高。由于RTS曲线升温速率是严密控制的，空洞通常是第一或第二个错误的结果，造成没挥发的助焊剂被夹住在锡点内。这种情况下，为了避免空洞的产生，应在空洞发生的点测量温度曲线，适当调整直到问题解决。图六、空洞是由于空气或助焊剂被夹住而形成(点按图形可将图形放大) 无光泽、颗粒状焊点一个相对普遍的回流焊缺陷是无光泽、颗粒状焊点(图七)。这个缺陷可能只是美观上的，但也可能是不牢固焊点的征兆。在RTS曲线内改正这个缺陷，应该将回流前两个区的温度减少5 C；峰值温度提高5 C。如果这样还不行，那么，应继续这样调节温度直到达到希望的结果。这些调节将延长锡膏活性剂寿命，减少锡膏的氧化暴露，改善熔湿能力。图七、无光泽和颗粒状焊点可能是脆弱的焊点(点按图形可将图形放大) 烧焦的残留物烧焦的残留物，虽然不一定是功能缺陷，但可能在使用RTS温度曲线时遇见。为了纠正该缺陷，回流区的时间和温度要减少，通常5 C。结论RTS温度曲线不是适于每一个回流焊接问题的万灵药，也不能用于所有的炉或所有的装配。可是，采用RTS温度曲线可以减少能源成本、增加效率、减少焊接缺陷、改善熔湿性能和简化回流工序。这并不是说RSS温度曲线已变得过时，或者RTS曲线不能用于旧式的炉。无论如何，工程师应该知道还有更好的回流温度曲线可以利用。注：所有温度曲线都是使用Sn63/Pb37合金，183 C的共晶熔点。消除免洗PCB中的锡珠 本文介绍，一种U形模板开孔确定的锡膏沉淀可以防止锡珠的形成。焊锡由各种金属合金组成。由印刷电路板(PCB)装配商使用的锡/铅合金(Sn63/Pb37)是锡膏和用于波峰焊接的锡条或锡线的典型粉末。在PCB上不是设计所需的位置所找到的焊锡包括锡尘(solder fine)、锡球(solder ball)和锡珠(solder bead)。锡尘是细小的，尺寸接近原始锡膏粉末。对于-325+500的网目尺寸，粉末直径是25-45微米，或者大约0.0010-0.0018。锡尘是由颗粒的聚结而形成的，所以大于原始的粉末尺寸。锡珠(solder beading)是述语，用来区分一种对片状元件独特的锡球(solder balling)(图一)1。锡珠是在锡膏塌落(slump)或在处理期间压出焊盘时发生的。在回流期间，锡膏从主要的沉淀孤立出来，与来自其它焊盘的多余锡膏集结，或者从元件身体的侧面冒出形成大的锡珠，或者留在元件的下面。图一、锡珠IPC-A-610 C将0.13mm(0.00512)直径的锡球或每600mm2(0.9in2)面积上少于五颗分为第一类可接受的，并作为第二与第三类的工艺标记2。IPC-A-610 C允许“夹陷的”不干扰最小电气间隙的锡球。可是，即使是“夹陷的”锡球都可能在运输、处理或在一个振动应用的最终使用中变成移动的。锡球已经困扰表面贴装工业许多年。对于只表面贴装和混合技术的PCB，锡珠在许多技术应用中都遇到。查明相互影响和除掉锡珠的原因可以改善合格率、提供品质、提高长期的可靠性、和降低返工与修理成本。锡珠的原因人们已经将锡珠归咎于各种原因，包括模板(stencil)开孔的设计、锡膏的成分、阻焊层的选择、模板清洁度、定位、锡膏的重印、焊盘的过分腐蚀、贴片压力、回流温度曲线、波峰焊锡的飞溅、和波峰焊锡的二次回流。3-5模板开孔的设计模板开孔的形状是在免洗锡膏应用中的一个关键设计参数。形成一个具有良好焊脚的高质量可靠的焊接点要求有足够的锡膏。过多的锡膏沉淀是锡珠的主要原因。为了解决在片状元件上的锡珠问题，已经推荐了各种模板设计形式。最流行的是homeplate开孔设计(图二)。据说这种homeplate设计可以在需要的地方准确地提供锡膏，从片状元件的角上去掉过多的锡膏。可是，homeplate设计带来锡膏的粘附区域不足的问题，造成元件偏位。锡膏提供很小的与零件接触的面积。一个贴装50%偏位的零件与湿润的锡膏接触的面积甚至更少。除此而外，homeplate设计不能消除片状元件下面和相邻位置的锡珠。锡膏还是直接在元件的中间出现，从这里它可能在回流期间转移到不希望的位置。在探讨各种形状的模板开孔期间，在片状元件下面出现过多锡膏的模板设计包括： homeplate模板(图二) 比矩形片状元件焊盘形状减少85%的模板(图三) 对片状元件的T形开孔模板(图四) 图二、Homeplate开孔模板图三、减少85%的模板图四、T形开孔模板homeplate模板减少在片状元件上的锡珠数量，但是不能完全消除。减少85%的模板有80%的片状元件出现锡珠。T形模板可去掉50%的锡珠。因此，这三种模板没有哪个可以持续地消除锡珠，同时在装配期间提供足够的粘附力来将元件固定在位。锡膏配方较新一代的锡膏提供较长的模板寿命、提高粘性时间、松脆与持续的印刷清晰度、对各种板和元件金属的良好的可焊性、以及测试探针可测试残留物。可是，如果模板设计与回流曲线没有适当地考虑，需要用来获得这些特性的溶剂与活性剂成分也可能增加锡珠出现机会。阻焊层的选择阻焊涂层可以影响到锡膏。阻焊层类型与锡珠出现频率的关系从过去的经验上看是明显的。阻焊层可以有一种不光滑的或光滑的表面涂层。不光滑的涂层倾向于产生较少的锡珠，因为它提供对残留的立足之地，因而减少残留的扩散。光滑的涂层产生较多的锡珠，因为助焊剂在液态时可能更容易扩散。模板清洁度模板底面的弄脏可能造成锡珠和锡桥。可能的原因包括过高的刮刀(squeegee)压力、不经常与不正确的模板底部擦拭或圆顶状焊盘的密封差，圆顶状焊盘是在使用热风焊锡均涂法(HASL)对板进行表面涂敷时形成的。定位印刷的定位对维持良好的工艺持续性是关键的。锡膏对准不好可能造成锡桥、在焊盘与阻焊之间间隙中的锡尘、和锡珠。对准不好可能消除良好的密封效果和造成锡膏的渗漏。印偏出焊盘的锡膏可能在回流期间不能完全集结。锡膏的叠印与焊盘的过分腐蚀制造比设计大的模板开孔和焊盘的过分腐蚀是叠印的两个潜在原因。过多的锡膏沉淀在焊盘上是锡珠的主要原因。对于密间距(fine-pitch)元件，存在锡尘的危险。在助焊剂液化和在焊盘之间流动时，对于非焊锡阻焊界顶的焊盘，锡尘可以到达焊盘与阻焊之间的间隙内。这些锡尘可能留在井道内，在回流期间不被吸回到焊接点上。虽然有免洗助焊剂包围住，不能移动，但是锡尘不应该出现在相邻焊盘之间，特别是对于QFP(quad flat pack)。在密间距引脚之间的阻焊数量有锡尘的出现有关。减少或消除两个QFP焊盘之间的阻焊区域可能增加锡尘问题。在最近的一个试验中，在一个20-mil间距的元件上10个焊盘之间找到47颗锡尘。为了解决这个问题，开孔的尺寸减小，以提供密封和锡膏在焊盘上干净地释放。减少如下所描述的锡膏开孔消除了锡尘的原因。元件贴装压力锡膏的任何塌落或过高的贴装压力都将造成一些锡膏沉淀跑出焊盘，大大地增加回流期间锡珠的形成机会。在元件贴装期间使用适当的压力将元件直接放到锡膏中，但不会将锡膏挤到一个不希望的位置。回流温度曲线从锡膏制造商那里的回流温度曲线一般提供一个较宽的操作范围。在这个可接受的范围内，几个不同的特性影响助焊剂和焊接点形成的效果。一个慢的线性预热允许锡膏中的溶剂逐渐蒸发，减少诸如热塌落和飞溅发生的机会。可接受的升温率一般低于每秒2C。已经发现每秒1.3C的速率是最有效的。这个速率允许助焊剂缓慢激化，在完成其目的之前不被蒸发掉。回流以上的时间影响与铜基材料形成的金属间化合物的数量。可接受的回流以上时间为45-90秒钟。峰值温度可以影响产品的长期寿命。温度越低，元件上的应力越小。一般，除非特殊零件要求，230C是最高温度。波峰焊锡飞溅波峰焊接工艺也可能造成PCB的元件面上的锡珠。如果助焊剂预热不适当，在PCB进入波峰之前有水留在板上的话，飞溅就可能发生。随机的锡球可能附着在PCB和元件上。波峰高度可能造成过多的焊锡在通孔或旁路孔内起泡和飞溅。锡球可能在锡锅工艺中发生。波峰焊锡的二次回流板通过波峰焊接工艺的速度可能太慢，造成元件面上的第二次回流。慢速可能会让焊锡移动，造成QFP引脚松动。QFP引脚松动在外表看上去是好焊点，但在后面的测试中变成开路。有压力接触的开路可能允许电路通过测试，而不表现为开路。制造商推荐的通过预热和波峰的最高顶面温度必须维持。焊接试验一种试验设计(DOE, design of experiment)用来测量在锡膏、模板开孔设计和回流温度曲线的预热部分之间的相互作用，以决定锡珠的原因。使用共晶Sn63/Pb37合金的锡膏包括： 锡膏一：水溶性锡膏 锡膏二：免洗、探针可测试锡膏 锡膏三：合成松香免洗锡膏 锡膏通过在线丝印机来印刷，使用视觉检查锡膏沉淀的均匀性。刮刀速度每分钟1.5英寸，用来刮印一英寸厚的锡膏条。使用了两种不同的模板形状：矩形的85%焊盘尺寸(图三)和U形的85%焊盘覆盖(图五)。在U形的模板上，片状元件下面的中间部分是没有锡膏的。模板材料是0.006厚度的不锈钢，化学腐蚀。这种设计已经证明可以提供连续的锡膏沉淀。图五、U形开孔的模板使用的两种回流温度曲线主要是其预热部分不同。锡膏制造商推荐的温度曲线的特点是很宽的工艺窗口。一条曲线的预热区是很缓慢和低温的，升温率为每秒1.3C。这条曲线没有平台的预热保温区，而是缓慢地升温到峰值温度。另一条曲线使用一种更传统形状的预热、保温和升温到峰值温度。使用具有上下加热的强制对流回流焊接炉。压力均匀。用于本试验的PCB是124平方英寸、高密度贴装和贴装后重量为381克。由FR-4材料制成，具有光滑的阻焊表面涂层。单在PCB的底面就使用了超过400个片状元件。使用模板将锡膏印刷到PCB的元件焊盘上。使用自动贴装设备，PCB装配得到回流焊接。然后在元件面印刷锡膏，贴装和回流焊接。在这些操作之后，通孔元件用手工插件到PCB上。然后将板放在一个选择性焊接托盘上，在一个双波氮气覆盖系统内进行波峰焊接。使用超声波喷雾将一种低固、水基免洗助焊剂喷雾在PCB的底面上，底面对流加热用来将它预热。PCB装配就这样连续地制造出来。使用的判断标准是按照IPC-A-610C。该试验是一个自由度的方差分析(ANOVA)。试验设计(DOE)是一个八次运算的基本Plackett-Burman混合电路。响应的变量是锡珠。主要结果该试验的主要结果在表一中列出。另外，一种图形技术 - scree plotting - 用来分析该试验的结果(图六)。表一、焊接试验的主要结果设定结果运行系列锡膏曲线模板元件面过锡面81-81升温U形、85%一个无锡无缺陷79-161升温85%无缺陷锡珠、所有卡617-241回流85%锡珠锡珠、所有卡525-321回流U形、85%无缺陷无缺陷433-402升温U形、85%无缺陷两个锡桥341-482回流85%锡珠、所有卡锡珠、所有卡249-563升温85%锡珠、所有卡锡珠、所有卡157-643回流U形、85%无缺陷无缺陷图六、为锡珠的scree作图在其它产品上用相同的模板开孔进行了探索性试验。随后的试验证实了对片状元件使用U形开孔咳消除锡珠。这种U型在其所需要的位置提供准确的锡膏，而没有在可能造成锡珠从片状元件身体下面挤出的地方提供锡膏。Scree作图为分析方差分析结果提供图形工具。单词scree描述的是在悬崖底部的碎石。scree作图以幅值下降的顺序结合方差分析的平方和，将这些点连接形成“悬崖”曲线。图六中在“悬崖”底部的“碎石”代表背景噪音，而“悬崖”代表数据中出现的重要信号。对锡珠的scree作图表明了所选摩板开孔的关键性。其它的因素不提供信号，不造成