打破焊接的障碍

打破焊接的障碍 本文介绍，在化学和粒子形态学中的技术突破已经导致新型焊接替代材料的发展。 随着电子制造工业进入一个新的世纪，该工业正在追求的是创造一个更加环境友善的制造环境。自从 1987 年实施蒙特利尔条约 (从各种物质，如大气微粒、制冷产品和溶剂，保护臭氧层的一个国际条约 )，就有对环境与影响它的工业和活动的高度关注。今天，这个关注已经扩大到包括一个从电子制造中消除铅的全球利益。 自从印刷电路板的诞生，铅锡结合已经是电子工业连接的主要方法。现在，在日本、欧洲和北美正在实施法律来减少铅在制造中的使用 。这个运动，伴随着在电子和半导体工业中以增加的功能向更加小型化的推进，已经使得制造商寻找传统焊接工艺的替代者。 新的工业革命 这是改变技术和工业实践的一个有趣时间。五十多年来，焊接已经证明是一个可靠的和有效的电子连接工艺。可是，对人们的挑战是开发与焊锡好的特性，如温度与电气特性以及机械焊接点强度，相当的新材料；同时，又要追求消除不希望的因素，如溶剂清洗和溶剂气体外排。在过去二十年里，胶剂制造商在打破焊接障碍中已经取得进展，我认为值得在今天的市场中考虑。 都是化学有关的东西 在化学和粒子形态学中的技术 突破已经导致新的焊接替代材料的发展。在过去二十年期间，胶剂制造商已经开发出导电性胶 (ECA, electrically conductive adhesive)，它是无铅的，不要求卤化溶剂来清洗，并且是导电性的。这些胶也在低于 150 C 的温度下固化 (比较焊锡回流焊接所要求的 220 C)，这使得导电性胶对于固定温度敏感性元件 (如半导体芯片 )是理解的，也可用于低温基板和外壳 (如塑料 )。这些特性和制造使用已经使得它们可以在一级连接的特殊领域中得到接受，包括混合微电子学 (hybird microelectronics)、全密封封装 (hermetic packaging)、传感器技术以及裸芯片 (bare die)、对柔性电路的直接芯片附着 (direct-chip attachment)。 混合微电子学、全密封封装和传感器技术 ：环氧树脂广泛使用在混合微电子和全密封封装中，主要因为这些系统有一个环绕电子电路的盒形封装。这样封装保护电子电路和防止对元件与接合材料的损伤。焊锡还传统上使用在第二级连接中，这里由于处理所发生的伤害是一个问题，但是因为整个电子封装是密封的，所以焊锡可能没有必要。混合微电子封装大多数使用在军用电 子中，但也广泛地用于汽车工业的引擎控制和正时机构 (引擎罩之下 )和一些用于仪表板之下的应用，如双气控制和气袋引爆器。传感器技术也使用导电性胶来封装压力转换器、运动、光、声音和振动传感器。导电性胶已经证明是这些应用中连接的一个 可靠和有效的方法。 柔性电路 ：柔性电路是使用导电性胶的另一个应用领域。柔性电路的基板材料，如聚脂薄膜 (Mylar)1，要求低温处理工艺。由于低温要求，导电性胶是理想的。柔性电路用于消费电子，如手机、计算机、键盘、硬盘驱动、智能卡、办公室打印机，也用于医疗电子，如助听器。 空间的需求 胶剂制造商正在打破焊接障碍中取得进步，由于空间和封装的考虑，较低温度处理工艺和溶剂与铅的使用减少。由于空间在设计 PCB 和电子设备时变得越來越珍贵，裸芯片而不是封装元件的使用变得越来越普遍。封装的元件通常有预上锡的连接，因此它们可以焊接到 PCB 上。通过消除这些元件和使用半导体裸芯片，空间减少并且环氧树脂可替代连接方法。环氧树脂固化温度不会负面影响芯片，该连接也消除了铅的使用。在产品设计可受益于整体尺寸减少的情况中 (如，助听器 )，从表面贴装技术封装消除焊接点和用环氧树脂来代替，将帮助减少整体尺寸。可以理解，通 过减小尺寸，制造商由于增加市场份额可以经常获得竞争性边际利润。 在开发电子元件中从一开始，封装与设计工程师可以利用较低成本的塑料元件和基板，因为导电性胶可用于连接。另一个消除铅而出现的趋势是贵金属作为元件电极的更多用量，如金、银和钯，环氧树脂可取代这些金属用作接合材料。 另外，用环氧树脂制造的 PCB 和电子元件不要求溶剂冲刷或溶剂的处理，因此这给予重大的成本节约。 未来是光明的 导电性胶已经在渗透焊锡市场中迈进重要的步子。随着电子工业继续成长与发展，我相信导电性胶 (ECA)将在电路连接中起重要作用 - 特别作为对消除铅的鼓励，将变得更占优势。并且随着在电子制造中使用小型和芯片系统 (system-on-chip)的设计，对环氧树脂作为一级和二级连接使用的进一步研究将进行深入。 再流焊温度曲线记录器的研究与应用 第七研究室作者：常青 郑毅 张小燕 摘要：再流焊是表面安装组件生产中的关键工序。焊接中的印制板从材质、结构、元件布局、焊膏牌号等都各不相同，因此印制板焊接的温度曲线也就均有差异。目前由于 QFP 和 BGA等器件大量采用，如何准确地测试、调整印制板温度曲线是提高焊接质量的关键。国 外 SMT 行业已经认识到这点，相继地开发出了各种温度曲线记录器，在国内也有越来越多的专业人员投入到这个课题的研究开发中来。本文重点阐述了 WJQ 3 温度记录器的结构与工作原理及应用。 关键词：再流焊；温度曲线；温度记录器 表面安装技术 (SMT)是包括从元器件、贴装设备、焊接设备 及组装辅助材料等内容的综合系统技术。实践证明，要想做出高质量产品，仅仅具有高级的 SMT 硬件设备是不够的，还依赖于对设备正确的使用和调节。而再流焊是印制板组装过程中最后一道关键工序，印制板 (PCB)的焊接温度曲线设置 是否正确直接决定焊接质量。 1 再流焊温度曲线测试的必要性 再流焊是通过加热融化预先涂敷到印制板焊盘上的焊膏，冷却后实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气联接。影响焊接效果的主要因素包括：元器件的可焊性、焊料的性能和给印制板提供的热量。为给印制板提供适当且足够的热量，就需要准确地控制加热温度与时间。实际组装的印制板组件千差万别，从材质上分，有环氧玻璃布板、陶瓷板、铝基板和柔性印制板等；从构造上分，有单面板、双面板、多层板；而且印制板的元件布局、密度、走线也各不相同。所以需要 针对板子的具体情况调整加热温度和时间。 加热过程中，必须考虑对元器件的热冲击。例如，有机半导体电解电容是表面贴装元件 (SMC)中对热比较敏感的元件。材料与结构使它能承受的温度与时间是 230 ， 3OS。片式多层陶瓷电容的脆性和精细多层结构也使得它对热冲击相当敏感。当今小型细间距 QFP 和 BGA 等器件大量采用，它们的焊接效果直接决定了整块印制板焊接的成败。所以，越来越多的 SMT 工艺技术人员认识到控制再流焊温度曲线的重要性。 在 SMT 生产中为满足自动化生产和大批量生产的需要，绝大多数均采用隧 道式连续传送结构的再流焊炉。这种再流焊炉普遍具有 3 个以上的温区。各温区温控仪表显示的温度只是控温热电偶所处位置即炉膛内若干个固定点的温度，由于控温热电偶测试点与印制板有一段距离，而且印制板是从炉膛中动态地穿过，所以温区设定温度并不是印制板上的实际温度。实际上，印制板上的温度变化远比仪表的显示温度复杂得多，因此对于再流焊炉操作者来说只凭经验，很难在短时间内把这种再流焊炉的温度设定和传动速度调节到最佳状态。现在，大型的由计算机控制的再流焊炉普遍带有测试热电偶接口。将这种接口接上长热电偶，再把热电偶和印制板一起送 入炉膛，可以实测印制板在炉内的温度曲线，并且可以由软件实现对测量结果的存储、调用和打印。而对于仪表控制的再流焊炉来说，没有这样的装置，操作者也就无法知道印制板上的实际温度曲线。针对这种情况，国外有些如ECD、 DATAPAQ、 ERSA 等公司开发了多种型号的温度曲线记录器。在国内也有越来越多的专业人员开始投入这个课题的研究开发中来， 1999 年 4 月信息产业部电子第二研究所 SMT 系统工程部研制成了 WJQ 3 温度记录器，并已投放市场。 2 WJQ 3 型温度记录器的结构与原理 WJQ 3 温度记录器组件 如图 l 所示： RS232 通讯线 用它可把记录器的通讯插座与 PC 机RS232 口连接起来，实现数据传送。 印制板 为具体测试用的板子。 热电偶 测量温度传感器。 插头 可连接热电偶至记录器。 保温套 它保护记录器内部电路板免受高温影响。 安装盘 WJQ 3 数据分析软件。 WJQ 3 温度记录器的外壳是由不锈钢制成的扁平金属盒子。侧面带有 3 个热电偶插座，内芯的另一侧面带有电源开关、通讯插座和充电器插座。所配热电偶为 K 型， 偶丝直径 0.2mm。它的工作原理是：将三支 (也可用一支或两支 )细丝状微型 K 型热电偶的探头用焊料或胶粘剂固定在印制板上需要监测的三点上，再把热电偶与温度记录器上的热电偶插座相连。打开温度记录器的电源开关，套好保温罩，记录器和被测印制板一起随炉子的传送网或传送链从炉膛中穿过，记录器自动按程序以 0.5s 时间间隔采样热电偶的温度信号，并将随时间变化的温度数据保存在记录器内的非易失性存储器中。当印制板和记录器从炉膛内传送出来后，取下保温罩，关闭电源开关。用通讯电缆将记录器联接到PC 机 RS 232 串行口上，启动 WJQ 3 温度记录器专用数据分析软件后，打开记录器电源开关，启动通讯功能后，进入通讯状态。数据传送完毕，软件就将从记录器内读出的数据绘制成曲线(温度曲线 )显示在 PC 机屏幕上。需要时还可把曲线和数据打印出来。所测出的温度曲线全面、准确地反映了印制板各测试点的温度与时间关系。细丝状热电偶探头微小，可监视任何细小间距 器件引脚或焊盘的温度，并且测量结果比较接近真实温度。 3 wJQ 3 温度记录器的实际应用 下面仅以我们在沈阳某厂的调机过程为例说明如何使用温度记录器来调整焊接工艺参数。 该厂组 装的印制板材质为环氧玻璃布板，厚 1.6mm，尺寸为200(L)100(W)mm，是典型的双面混装板，它的生产工序为： 先丝印 A 面 手工贴装 焊接 A 面 翻转印制板丝印 B 面 手工贴装 焊接 B 面 手工焊接插装元件 在 A 面板子中心有一 QFPl32 脚的大型器件，其余均为 SOP集成电路、片阻、片容和片式钽电容，分布在它四周，其中靠近印制板边缘还有一小的 PLCC20 脚器件。焊接所用设备为 P18T200 红外热风混合式链条传送再流焊炉。 A 面印刷所用焊膏为Sn63 Pb37(熔点为 183 )。 B 面 正对 A 面 QFP 处有一 PLCC44脚器件，其余的 SOP 集成电路和片阻片容元件，分布在它四周。 B 面所用焊膏为 Sn62/Pb36 从 82(熔点为 179 )。要求在焊接 B面时必须确保印制扳 A 面的片式元器件均不能熔化脱落。一般情况下，处于下面的小元件如片式阻容元件和 SOP 集成电路即使再次熔化，由于熔融焊料表面张力的作用也不会脱落。但是QFPl32 脚器件体积大，在熔化后会因其重力大于焊料的表面张力而脱落，以前该厂曾发生过这种问题。原来该厂生产中设置的再流焊炉工艺参数为：预热 l 275 ，预热 2 210 ，焊接275 ，链速 300mm min，由于没有测试手段，印制板上温度 分布不合理，从而造成焊出的印制板焊点不光亮。 这次厂方给我们提供了一块同样的印制板，我们首先对印制板进行分析。 A 面的 QFP 是大型关键器件， B 面的 PLCC44 在焊接时吸热较多，是印制板上温度最低的区域。印制板上无元件的边缘，是印制板上温度最高的区域，在焊接时要确保它的温度不超过印制板所能承受的最高温度，否则印制板会受高温而损坏。我们将 A 路热电偶焊在小型 SOP 引脚上， B 路热电偶焊在QFPl32 的引脚上， C 路热电偶焊在无元件的印制板边缘过孔处 。焊接时采用高熔点焊膏 (如熔点为 268 的 Snl0 Pb88/Ag2 焊膏 )，以确保热电偶在升温过程中不脱焊。测试后的温度曲线如图 2 所示： 从图 6 中可看出 B 面除 PLCC 外的元件均达到焊接熔化温度，同时 A 面 QFP 元件的温度在熔点附近，没有熔化脱落。于是采取折衷办法，焊接完 B 面后，再用热风枪单独焊接 PLCC44脚元件。 从整个调整过程我们有几点体会： 1从焊接工艺角度考虑，两个大元件 (QPPl32 和 PLCC44)在 A 面与 B 面正对放置，板子布局不合理，因为它们均吸热很多，如果要保证 它们得到良好焊接，印制板上其它元件势必过热。 2， Sn63 Pb37 和 Sn62 Pb36 Ag2 焊膏熔点相差不大，起不到分次焊接的作用。我们建议该厂今后可采取在一面的 PCB焊盘图形中央涂敷粘接剂以加强 SMD 的固定或印制板两面采用 不同熔点的焊膏 (至少相差 30 ，如一面用 183 的焊膏，另一面用 22l 的焊膏 )的方法来解决。 如上所述，用温度记录器测试后，操作者可用温度曲线与所用焊膏的推荐曲线比较，从而能够实现对再流焊工艺的温度、速度实现精确的调整，获得最佳焊接质量。除此之外， WJQ 3温 度记录器数据分析软件可以对记录后的数据作深入的分析 可以计算 3 条曲线每一段的升温速率：能够对热电偶的偏差进行修正：还可输入记录曲线时炉子的工作状态信息。在实际生产中，对于多品种、小批量的场合，记录工作状态信息是非常必要的功能。它可以将当时炉子的各温区设定温度、传动速度、印制板尺寸和名称保存在与温度曲线对应的数据文件中，方便存档及日后重新生产时直接调用。使用温度记录器能够在短时间内准确的把再流焊炉的工艺参数调整好，克服了以前缺乏测试手段而造成的印制板浪费和次品率高等等弊端，给 SMT 工艺人员带来极大的便利，生 产效率明显提高。因为可以精确地测出印制板上实际温度，所以有时可以通过调整工艺参数，省略点胶等生产工艺，达到节省时间和节约原材料消耗的效果。 WJQ 3 温度记录器在具体使用时，要注意以下几点： (1)选取能代表印制板上温度最高、最低、中间部位的 3 点放置热电偶探头。再流焊炉所用的传动方式不同会影响最高、最低部位的温度分布情况。对此，应结合炉子的具体情况分析，以便全面的反映印制板各部位的真实受热状态。调整工艺参数时，要 保证对热敏感的元器件不超过最高承受温度，同时也要保证处于最低温度区域的器 件得到良好的焊接。 (2)放置热电偶探头时应先清理测试点表面。将测试点 (器件引脚或焊盘 )表面的焊锡和助焊剂残留物清理干净，并用酒精擦洗。用高熔点焊料 (例如 SnIO Pb88 A82 熔点 268 的焊锡 )焊接，或用胶粘剂将热电偶探头固定在测试点。采用焊接方法固定时注意焊点尽量小，并且各焊点保持大小均匀，以免影响测量温度的真实性。热电偶固定好以后，再把热电偶探头后的热电偶丝用耐高温胶带或细金属丝固定，否则受热松动，偏离测试点会引起测试误差。 (3)测试时，温度记录器和测试板的距离最好大于 100mm。调整再流焊炉的设定参数后，需要等炉温稳定，并且等待温度记录器和测试板的温度冷却至室温后才能开始下一次测试。 现在很多厂家用免洗焊膏，这里也给出它的推荐曲线作为参考，如图 7： 4 4 wJQ 3 温度记录器主要性能指标 测温范围 0 350 热电偶类型 K 型 (偶丝直径 0.2mm，长 0.5m标准配置 ) 分辨率 0 1 测量精度 2 记录时间 7 5min(可扩充 ) 采样间隔 0 5s 电源供应 可充电电池 (配专用充电器，充足电可连续使用4h) PC 机配置 WINDOWS95 中文版， 256 色 VGA 显示器 外形尺寸 215(L)115(W)25(H) 怎样设定锡膏回流温度曲线 约翰 .希罗与约翰 .马尔波尤夫 (美 ) “正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。” 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25 C 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 120150 C，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 205230 C，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒 25 C，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 183 C。 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 210 C(410 F) 140 C(284 F) 活性 177 C(350 F) 150 C(302 F) 回流 250 C(482 C) 210 C(482 F) 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 37 C(98.6 F)稍微高一点。例如， 38 C(100 F)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。 柔性电路的脉冲加热回流焊接 By Paul Brackell 本文介绍，零件设计与工艺过程指南。 脉冲加热回流焊接 (pulse-heated reflow soldering)是一种工艺，将两个预先上好助焊剂的、镀锡的零件加热到足以使焊锡熔化、流动的温度，固化后，在零件与焊锡之间形成一个永久的电气机械连接。与传统的焊接相反，脉冲加热回流焊接通过对每个连接使用一个热电极加热和冷却来焊接。在整个加热、回流和 冷却周期内要施加压力。脉冲加热控制将能量传送到安装在回流焊接头上的热电极。附着在热电极上的热电偶为可重复的、持续的热源控制提供反馈。 焊接头将两个零件直接接触。以一个精确的压力，头发信号给控制器，开始热电极的加热循环。热电极将热传导给零件，随后的热传导将零件之间的焊锡熔化。熔化的区域开始流动，造成 两群焊锡的接合。当控制器终止回流循环，在冷却循环中零件继续保持在一起，因此焊锡重新固化，形成焊点。一个好焊点应该是焊锡充分地结合两个表面，在两个零件表面发生熔湿 (wetting)。 电线元件 (Flex Component) 用于脉冲加热回流焊接工艺的最常见类型的电线是由聚酰亚胺 (polyimide)制造的，也叫做“ Kapton”。两层聚酰亚胺包胶铜迹线 (trace) - 一般 0.52 盎司 (ounce)。两种最常见的铜导线是轧制韧化 (RA, rolled annealed)铜和电解沉淀 (ED, electrodeposited)铜；电解沉淀铜最有成本效益，被广泛使用。铜迹线的厚度范围是 0.00070.004 (0.020.10mm)。聚酰亚胺的可操作温度范围是 130200 C，可经受高达 300 C 的短期焊接温度。热电极的温度总是高于被热电极加热的零件温度。在热电极与焊点之间、横 穿 Kapton 电线，可能发生 5080 C 的温降，决定于厚度。电线 (flex)的厚度范围是 0.0010.0047 (0.02540.12mm)。 在脉冲加热回流焊接工艺的柔性电路上使用的三种常见类型的端子设计是： 暴露引线设计 (exposed lead design) - 这种设计将聚酰亚胺材料的两面去掉，留下不 绝缘的迹线。热电极直接接触迹线，将热传导给零件。如果 PCB 焊盘与热电极脚印尺寸正确，这种 设计 将容许一些多余的焊锡在焊盘上，因为焊锡可能流到开放的区域。在工艺过程中，焊锡也将熔湿迹线顶部。在处理零件时必须小心，因为迹线容易弯曲或损坏。 单面电线设计 (single-sided flex design) - 这种设计只从一面去掉聚酰亚胺。热量从热电极通过固体聚酰亚胺表面传导到底下暴露的迹线。聚酰亚胺通过绝缘体传导热量到暴露的迹线和 PCB焊盘。在焊接点区域的聚酰亚胺的厚度限制在 0.002，使得可 以热传导。如果聚酰亚胺必须加热超过 260 C，可能造成表面烧伤和热电极污染。这个设计不容许过多焊锡在 PCB 焊盘上，因为存在很少空间来过多流动。 开窗式电线设计 (open-windowed flex design) - 这种设计将焊接区域的两面的聚酰亚胺去掉，但在边缘和迹线尾端都有剩下的聚酰亚胺材料支持。该设计给予装配一定的强度，并对较生硬的处理有弹性。因为迹线暴露，对零件的热传导是良好的，有额外的空间给剩余的焊锡流动。热电极的尺寸是关键的，因为它必须适合窗口，并允许熔化的焊锡流动的空间。 电线与 PCB 迹线的尺寸 (Flex and PCB Trace Sizes) 理想地，柔性电路的焊盘应该比 PCB 上的 焊盘在宽度上更窄。随着焊锡熔化、零件压下，焊锡被挤到旁边。该设计将允许焊锡在柔性焊盘的另一面流动的空间，将容许 PCB 上更多的焊锡，避免锡桥问题。 柔性电路上更小的焊盘宽度将帮助两个零件的定位与对中。 对于密间距 (fine pitch)的应用， PCB 迹线的宽度设计成间距的50%。这种设计减少由于不对准所造成的短路。 通用基板零件设计指南 多数 PCB 材料诸如 FR-2 和 FR-4 对于工艺期间的局部受热是很有弹性的。象陶瓷基板这样的材料必须以一种更受控的方式来加热，以减少破裂的机会。两个零件的散热能力太大的差 距也可能引起冷却期间的焊接破裂。 沿焊接点长度上的散热差异是最常见的要克服的设计问题。小的差别影响也小，但沿焊接区域的任何热质量改变都将引起温度和焊接点质量的不一致。 散热、焊盘区域设计问题，解决方案 热可能很容易从焊接区域传导到大的焊盘，如果位置太靠近焊接区域 (图一 A)。加大的迹线宽度和电镀的通孔从焊接区域吸走热量 (图一 B)。宽度减小的迹线就好象挡热墙，阻止焊盘的任何散热 (图 一 C)。如果使用小迹线挡热墙，没有散热存在的有效的最小面积是 0.08(0.2mm)(图一 D)。相等尺寸的小迹线作挡热墙 用，保证焊接区域相同的加热。 从焊盘引出的迹线应该相同的宽度，尽可能地窄 (图二 )。这种设计将起挡热墙的作用，防止焊接期间过多的热量从焊盘区域排走。对于多层板，将粘结区域下的迹线限制为最小宽度的 (信号 )迹线，在 PCB 的焊盘之下均匀地分布。 PCB 上任何屏蔽都在焊接区域有同等的影响。 PCB 焊盘的焊接要求 焊锡沉积的可重复性对达到良好的过程控制是关键的。在许多情况中可能要求试验来获得理想的焊锡量。一个良好的开始点是使用一块 0.006的丝印模板， 40%的焊盘覆盖面积。 PCB 焊盘上要求的焊锡数量取决于 几个因素。焊盘尺寸与间距决定可施用的焊锡量的最大与最小，使用丝印模板工艺。模板印刷的焊锡在回流工艺之前应该熔合。小焊盘与小间距要求较少的焊锡，防止焊点形成锡桥。 电线 (flex)的设计也将影响焊锡量。开窗的电线和暴露的迹线的电线将得到比单面电线稍微较多的焊锡量。 热电极尺寸与对零件的定位 热电极应该按照焊盘和电线的尺寸来确定尺寸，如图三所示。热电极的长度必须完全覆盖迹线，在每一边超出至少一个焊盘间距。热电极的宽度应该提供充分的热传导，以达到在最短的时间内完成焊接，因此消除对零件的温度危害。热电极 的宽度也应该接纳足够的空隙给熔化的焊锡位移，消除锡桥的任何机会。 热电极的宽度 为了热电极最好的热性能和寿命，最小尺寸应该是 0.059。标准尺寸是 0.079，以达到更好的性能和寿命。在焊锡量没有好 好控制或者空间受限制的地方，可以使用 0.047宽的热电极，可是，热电极的寿命与性能将减少。 电线 (flex)焊盘宽度 注意，电线焊盘短于 PCB 焊盘 (图四 )，这样方便焊点的检查。 PCB 焊盘宽度 额外的宽度允许额外的焊锡和方便检查。 PCB 焊盘大约是热电极宽度的三倍。表一的尺寸只是指导性的。可能要求一 些试验，因为焊锡量不同。 热电极定位 当在暴露的或开窗的电线 (flex)上面定位热电极时，热电极不应该定位太靠近电线主体的边缘 (图五 )。一些柔性电路有较薄和较厚的涂层在其中等迹线两面。如果是这样，将迹线较薄的一面定位在 PCB 上，这将减少当热电极推下迹线时热电极损伤迹线的机会。 表一、建议热电极的宽度 /焊盘长度与间距 PCB PCB 焊盘间距(mm/inches) 热电极宽度(mm/inches) 焊盘长度(mm/inches) 0.8/0.031 1.5/0.059 4.5/0.177 1.2/0.047 1.5/0.059 4.5/0.177 1.4/0.055 2.0/0.079 5.0/0.197 1.5/0.059 2.5/0.098 5.5/0.217 1.6/0.069 2.5/0.098 5.5/0.217 1.8/0.071 2.5/0.098 6.0/0.236 2.0/0.079 3.0/.0118 6.0/0.236 3.0/0.119 3.0/0.118 6.0/0.236 热电极制造、温度特 性 现代线路腐蚀技术如 EDM和高级材料已经允许精密设计的热电极的制造，以适合大多数应用。三维的热电极在表面周围通过电流，因此，在迹线之间具有零电势。在机器工艺中的这些技术进步产生在横跨长度上的恒温设计，专门的合金取得平整与共面性。焊锡将不会熔湿到使用的材料，它们对氧化是 有弹性的。 工具与零件定位 热弹性的、高温塑料如 peek(Kepton) 或 tuffnel 应该用在回流区域的下面，来防止从焊接区散热。模具座应该完全平整，因为该工艺的质量决定于当施加热电极压力时达到热量均匀分布。最好的表面 处理技术是用磨削来抛磨表面。如果可能，零件应该定位在与回流区靠近的定位销上。经常，电线 (flex)上的定位孔用铜迹线来加固，得到更好的强度与精度。如果不可能有定位孔，零件可以从方边上定位和夹紧。因为电线 (flex)不是刚性 的，可能要求零件座中的真空孔来把它保持平整。对于密间距电线， X-Y 定位台和相机系统可能是有用的。由于设计零件时尺寸上的误差或批量与批量之间的变化，夹具是重要的。 准备 较常见的，两个零件都要预先镀锡。如果没有，达到单面电线 (flex)与镀金或锡的焊盘之间的熔湿还是可能的。两个零件的基 础电镀经常有足够的焊锡达到单面电线的可靠焊点。 可是，多数电线设计将要求额外的焊锡，通常用丝印工艺来施用，预先回流。对于较密间距的应用，焊锡通常在回流之前通过热空气均匀。热空气均匀法 (hot air leveling)可使焊盘上的焊锡均匀分布，达到更好的热传导。这个方法也使在加热条的压力作用下的对位更容易保持。零件必须没有灰尘，一般要清洁和没有氧化。通常用助焊剂来保证清除任何氧化物障碍，以允许适当的熔湿发生。 助焊剂 助焊剂有两个重要特性：把热传导给焊锡和通过清洁和除掉表面氧化物来促进表面熔湿 (wetting)。对于容易焊接的零件，脉冲加热焊接工艺只要求少量非活性的助焊剂。通常使用免洗助焊剂。推荐使用低固含量的助焊剂，因为固体含量越低，热电极的污染越少。在开始焊接工艺之前，应该允许任何有的溶剂干燥。 安全 脉冲加热热电极焊接工艺是安全的，因为当压向零件时只有 加热单元是热的。另外，只需要很少数量的助焊剂，比传统的焊接产生较少的烟雾。操作员在这个期间还应该防止碰到热电极，也应该防止夹住的危险。 焊接方法：工艺步骤 基板放入夹具，助焊剂施加到焊盘。 电线定位在零件夹具内，保证两套焊盘的对准。 给出工艺开始信号到焊接控制器。 焊接控制器驱动焊接头和热电极模块到零件 以一个预设的压力，开始加热过程。 加热过程 预热 将一个长度达到 2的现代设计的热电极加热到焊接温度需要大约两秒钟。在这期间，助焊剂活化，开始通过去掉氧化层来提高熔湿。预热只是当过多的散热片影响热电极时使用，或者当应用了脆弱的基板如陶瓷需要以更加受控的方式加热以避免破裂的时候。 升温 升温到焊接温度的时间应该可编程，以允许精确的加热率控制。当脆弱基板可容易地被太快的加热率损坏时，这个特性特别有用。对于大多数热电极一般的升 温时间为 1.52 秒。 回流 实际时间与温度可以在这个阶段编程控制。理想地，可编程 时间为 0.1 秒递增，温度为一度的递增。通常，对于用直接热电极接触到零件的开放式焊点，温度设定点为 280330 C。虽然正常的焊锡在 180 C 回流，热电极必须设定更高，因为热传导损失。一个典型的单面电线将要求 330400 C，由于在Kapton材料内的温度损失。用最少的时间和温度来达到所希望的焊接点，以减少零件对热的暴露和损坏的机会。 冷却 冷却是一个可编程温度，在这一点，控制器将驱动头到上面的位置。这个 温度将设定到刚好在焊锡的固化温度之下。因此，只要焊锡变成固体，过程即终止，焊点形成。冷却过程可用强制空气冷却来缩短。电源供应可编程来触发一个继电器，这个继电器是控制回流阶段结束时的空气流动和迅速冷却焊接点与热电极。因为多数连接都有相对高的散热，焊锡的温度比测量的热电极的温度较低，甚至当使用冷却空气时。因此，在大多数情况下，释放温度可以设定在 180 C，而没有机会碰到干焊点。 力的控制和简单系统的例子 多数这类回流焊点要求少于 20 磅的压力。压力必须精确控制。应该校准，设定到正确的水平，以达到适当的热传导 到达焊接点。热电极安装应该包括共面性调整，或者头本身易于安装。现代设计有或者气动或者马达驱动装置，热电极冷却的内置阀。许多头结构上是模块式的，因此，对定位与半自动夹具都是通用的。线性滑动允许零件从焊接区域的安装与卸装。对于高产量的 生产可能宁可使用旋转式工作台系统，因为操作员可在一套零件正在焊接的同时装载另一套零件。 质量控制与检查 当焊点冷却时维持压力，减少干焊点 (dry joint)的可能性。热电极的压印应该在焊接点上看到，甚至宽度与长度。视觉迹象应该显示回流已经发生，当零件撕开时结果焊点应该在焊接 区域有颗粒状外形。焊盘到板或电线的熔焊或脱层不应该明显。在使用单面电线的地方，在聚酰亚胺的上面可能有记号或变色，但不应该看到烧结或分离。助焊剂残留物可以在回流过程之后清洁。免洗、低残留助焊剂不要求焊后清洁。 温度与时间过程数据可以从控制器收集，以图表格式显示，以说明过程的稳定性。 过程维护 要求零件夹具清洁度的维护，以保证零件继续平齐地坐入底座。热电极的定期维护也是必要的，以防止烤焦的助焊剂的积累。使用助焊剂溶剂或用很细的金刚砂或研磨纸放置在平的刚性表面清洗热电极，将维持对零件的良好的热传导。不要 圆整热电极的边或损坏平整性。在对那些热电极直接定位在与焊锡接触的引脚上的焊接过程和对那些热电极接触 Kapton 表面的焊接过程的热电极污染之间有明显的不同。在第一种情况，污染与热电极磨损是高得多的，清洁必须定期进行。热电偶节点连接必须保持清洁和整齐，以保证可重复的温度控制。热电偶类型 K 与 E 不受 助焊剂腐蚀，但 J 型可能被侵蚀。 结论 如果遵循某种基本的设计规则，将柔性电路焊接到 PCB 的脉冲加热热电极回流焊接是一个稳定的和很好控制的工艺过程。这些规则不同于应用于传统焊接工艺的规则。通过焊点设计提供容易和均等的 热量产生，工艺窗口可以实际上更宽。窗口甚至可以通过一个设计增加更多，该设计接纳焊锡流动和可以补偿在前面工艺步骤中的变化。良好的焊点设计和可重复的焊锡量的精密控制是生产成功的关键。对产品小型化和减少重量的日益增长的需求是电子工业柔性电路使用增加的主要驱动力。今天的对热电极焊接工艺的控制为这个增长市场的内连接需求提供一个适于生产的、可靠的解决方案。 开发通孔回流焊接工艺 By R. Glenn Robertson and Nathalie Nguyen 本文介绍：“通孔回流焊接工艺消除许多混合 技术 PCB 的波峰焊接的需要。” 在过去三到四年期间，美国 Alcatel 公司 (Richardson, TX)已经在作消除对尽可能多的混合技术 PCB的波峰焊接需要的工作。减少波峰焊接的计划已经提供了成本与周期时间的重要改善。 通孔回流焊接工艺的实施已经是该计划的一个必要部分。该工艺涉及在通孔 (through-hole)元件要插位置印刷锡膏。这些元件然后在表面回流焊接炉之前安装，并与其它元件一起焊接。适合该工艺的元件 类型包括针栅阵列 (PGA, pin grid array)、 DIP(dual in-line package)和各种连接器。 初始结果 能力分析 (capability studies) Alcatel 公司的工艺质量标准对所有通孔元件一直要求至少75%的通孔填充。焊接工业标准 J-STD-001 B1 (第三类应用 )要求垂直填充至少 75%，并明显有良好的熔湿。计算显示，假设将孔的尺寸从波峰焊接和手工焊接正常使用的减少， 0.007的模板可提供足够的焊锡满足这些要求。 通过使用一种为新工艺重新设计的波峰焊接产品电路板，对回流焊接炉提供必要温度曲线的能力进行了研究。该电路板是 10x15.2 ，厚度 0.093，安装一个 47-mm2 的陶瓷 PGA，以及一些典型的标准与密间距的表面贴装元件。该炉子是标准的带有氮气的强制对流型的。 图一显示得到的温度曲线。板上所有的点都在锡膏供应商对峰值温度和回流以上时间的规格内。 PGA 引脚的温度实际上是 两面相同的，尽管有元件的热质量 (thermal mass)。小型表面贴装电阻与 PGA 引脚之间的峰值温度之差只有 9 C 初始实施 当工艺在产品电路板实施时，遇到许多的问题。由于焊锡对引脚的分布不均，有时要求焊接点的返工。有些引脚特别少锡，而相 邻的引脚又多锡。其它的情况，大的锡“块”保留在引脚端上，因此由于孔内少锡而要求手工的补焊。最后，旧的电路板经常通孔太大，用 0.007厚度的模板不能充满 75%的焊锡。没有考虑用更厚的模板，因为使用了 0.020间距的表面贴装元件。 对表面贴装装配过程的观察发现，为通孔元件印刷的锡膏有时会在元件贴装所要求的时间内塌落 (slump)，使得锡膏沉积跑到一起，或相互“汇合” (图二 )。这些电路板的模板具有 0.090或0.092方形开孔，用来提供尽可能最大的锡膏量。这些开孔只允许 0.0080.010的锡膏 沉积之间的间隔，因为元件引脚之间的间距为 0.100。 回流焊接后对板的检查证实，放在汇合的锡膏沉积中的连接器几乎总会出现焊锡“抢夺”的效果，造成引脚之间焊锡分布不均匀。如果保持了锡膏沉积之间的分离，引脚的焊锡分配就会一致。 这些观察提出了许多问题。特别是，锡膏沉积 (模板网格 )之间的分离怎样达到最佳以避免汇合，同时又提供最大的锡量以形成焊接点？我们还不了解阻焊 (solder mask)开口的几何形状对引 脚之间焊锡分布的影响，如果有的话；需要更好的了解来促进回流期间焊锡从引脚端回到通孔内的运动。最后， 在基 本问题上还需要数据，多少焊锡、或多少百分比的孔内填充需要用力提供可靠的机械与电气的连接？ 试验程序 设计 使用专门的试验板，建立一个试验程序；有些试验也在产品板上进行。使用 10 个引脚的直线插座 (in-line socket)，通常用于混合包装，作为将要焊接的元件；设计出试验板。引脚直径是0.019，间距 0.100，锡 /铅表面涂层。订购的插座引脚长度为0.120和 0.180。 0.120引脚的基体金属为紫铜 (copper)，而 0.180引脚为黄铜 (brass)。 0.120引脚长度用 于所有不涉及拉力试验的应用，假设名义引脚的背部突出对 0.062厚度的板和 0.093的板分别 0.058和 0.027。 在用于拉力试验的插座上，插座每一端的一个引脚向外弯曲，提供拉力试验夹具所要求的离板高度 (standoff)。 0.120长的引脚用于在 0.062厚板上的拉力试验，留下大约 0.0100.020的引脚突出。 0.180的引脚主要用于 0.093厚板上的拉力试验，靠外引脚弯曲以提供 0.0300.040的突出。焊接之后，每个插座的引脚被分出来用于拉力试验，使用手磨工具将塑料壳 从引脚去掉。 表一、试验板与模板设计 板的材料 FR-4 厚度 0.062, 0.093 板的表面涂层 HASL, LPI 阻焊层 通孔直径 0.028 焊盘直径 0.050 阻焊层开口 (标准圆形 ) 0.058 直径 模板开孔 0.040,0.050,0.060,0070,0.080, 0.085和 0.090方形 阻焊层开口 (特殊方形 ) 0.072, 0.077, 0.082 对方形阻焊开口的模板开孔 0.080, 0.085, 0.090分别 表一列出板与锡膏模板设计的详细数据。包括了各种尺寸的方形阻焊层开口和标准的圆形开口，来评估阻焊层开口对“抢夺(robbing)”的效果。锡膏模板的厚度为 7-mil。对方形阻焊开口的模板开孔比阻焊开口大 0.008，以得到印刷期间良好的“密封(gasketing)”。对标准圆形开口的焊盘开孔覆盖了 0.0400.090的范围，对应于 0.062厚板的 36%185% 和 0.093板的 24%123%的计算通孔填充量。 试验步骤 试验板的装配 试验板用 标准的 Bellcore 检定的免洗锡膏印刷。所有锡膏沉 积物在印刷之后马上在四倍放大镜下进行视觉检查。将用于拉力试验的插座放在各种提供所希望的通孔填充量的位置。其它插座用来评估由于锡膏汇合所引起的“抢夺”效果。通过在插座安装后马上故意的使插座引脚污染锡膏，来模拟这个效果。使用带氮气的强制对流炉来进行回流焊接，使用锡膏供应商所推荐的回流曲线。 视觉评估 完成的板使用 735 倍的立体显微镜来检查。印刷于阻焊层上的锡膏全部流到通孔孔内，因此没有形成锡球。抢夺效果的严重程度与回流前锡膏的汇合程度有关。阻焊层开口 的尺寸与形状似乎很少或者没有影响。 0.085或更小的锡膏沉积通常不容易产生抢夺作用，因为很难出现引脚尖的锡膏污染。 孔内焊锡分布是通过有代表性的电路板截面来评估的。除了一些放在 0.093厚度的板中的引脚有 24%的焊锡填充量之外，所有回流焊接的引脚 (图三 )都显示引脚整个周围的焊锡熔湿(wetting)。对一些极其少锡的焊接点，几乎所有的焊锡保持在引脚与通孔的接触点上 (图四 )，并且没有形成引脚周围一整圈。 拉力试验 试验板分开成 2x4.5的小板，进行拉力试验。一个特制的钩状夹爪安装在测试机的 横臂上，然后钩在要测试的引脚肩下。 表二、通孔回流焊接拉力试验结果 PCB 厚 充 引脚 热冲击 平均断 标准偏 最小断 失效方 度 满 % ( 计算值 ) 材料 循环 裂力 (磅 ) 差 (磅 ) 裂力 (磅 ) 式 0.062 波峰焊接 紫铜 0 19.5 0.6 18.3 所有针断 0.062 手工焊接 紫铜 0 17.5 1.9 15.3 所有针断 0.062 36 紫铜 0 13.9 0.8 12.8 所有针断 0.062 36 紫铜 100 14.0 0.4 13.7 所有针断 0.062 36 紫铜 500 13.6 0.5 13.1 9 针断1 针出 0.062 36 紫铜 1000 13.6 0.6 13.2 所有针断 0.062 146 紫铜 0 13.7 0.5 13.2 所有针断 0.062 146 紫铜 100 14.5 0.9 13.1 所有针断 0.062 146 紫铜 500 14.2 0.7 13.3 所有针断 0.062 146 紫铜 1000 14.0 0.5 13.6 所有针断 0.093 波峰焊接 黄铜 0 19.8 1.9 16.0 所有针断 0.093 手工焊接 黄铜 0 20.9 1.0 19.5 9 针断1 针出 0.093 24 黄铜 0 20.4 1.0 18.0 所有针断 0.093 24 黄铜 100 19.2 1.5 16.5 5 针断5 针出 0.093 24 黄铜 500 18.5 2.4 15.5 所有针出 0.093 24 黄铜 1000 19.1 1.9 15.0 所有针出 0.093 97 黄铜 0 20.6 1.3 18.5 所有针断 0.093 97 黄铜 100 21.4 0.6 20.5 所有针断 0.093 97 黄铜 500 20.1 1.3 17.8 8 针断2 针出 0.093 97 黄铜 1000 20.3 1.1 18.0 所有针 断 表二总结了拉力试验的 结果。初始的试验是在手工焊接和波峰焊接的引脚上，形成一个基线。除了一种情况之外，全部的引脚都是以传统的拉力失效形式断裂，没有明显的焊点变形。然后试验回流焊接的引脚。在 0.062厚的板上、低至 36%与高至 146%通孔填充的焊接点没有发现明显的焊锡变形。都是引脚断裂。手工焊接引脚的断裂强度更高是由于焊锡熔湿到引脚肩部的整个长度。 在有 24%97%通孔填充的 0.093厚的板上的焊点试验产生相同的结果。这些引脚是黄铜，而不是紫铜，大约高出 36 磅的断裂力。 然后板放在空对空 (air-to-air)的热 冲击室内作加速老化。温度周期的组成是， 9 分钟 85 C，接着 11 分钟 -40 C。温度转变速度是每分钟 88 C 冷却和每分钟 115 C 加热。 在 100 次温度循环之后的拉力试验结果显示很少的变化，除了在 0.093厚的板上只有 24%的焊锡填充的引脚之外。这些焊接点的一半是通过把引脚拉出焊锡而失效的，但是最少的断裂力还是 16.5 磅。焊接点的强度虽着进一步的加速老化而逐渐下降，因此拉出的失效多过引脚断裂。 附加试验 在前面的研究中注意到焊锡在引脚端形成“焊锡滴”的趋势2,3。使用 0.093厚度的板对这个效 果作进一步的研究。有 0.180 焊锡尾的插座放置在印刷与标准焊盘上的 0.085的锡膏方块内。一些插座完全座落，产生大约 0.087的引脚突出。其它插座进行调节以产生一个离板高度，留下大于 0.0200.030的引脚突出。图五与图六显示该结果。在较长引脚上的锡膏分散在较大的面积上，不能移上到引脚上以形成与 PCB 可接受的焊接点。 讨论 焊接点强度 拉力试验结果证实了适当地回流的焊接点，甚至最小的焊锡填充量 (通常 3040%)，具有很高的机械强度，甚至在加速老化之后。这些结果与在最佳时间与温 度条件下形成的通孔焊接点是一致的，通孔焊点具有比表面贴装焊点相对较大的表面积。 加速老化是发现了焊接点强度的一点下降。这个作用在0.093的伴随特别明显，主要由于用于较厚板的黄铜引脚的较高强度。由于温度疲劳引起的焊接点强度的下降是一个复杂的现象4,5。在任何情况中，焊接点要保持足够的强度，要有超过 1000次温带冲击循环的可靠性。 设计上的考虑 在为通孔回流焊接设计一个装配时，必须考虑到许多因素。首先，必须用引脚形状、通孔直径和板的厚度来计算要用锡焊锡填充的体积。然后可以计算出达到通孔填充百分比 所需要的锡膏量，估计锡膏内金属的体积含量大约为 50%。锡膏可得到的量受到模板厚度、通孔引脚间距和锡膏沉积物之间所要求的最小间隔 的限制，锡膏最小间隔将防止装配过程中锡膏塌落而相互接触。 因为许多通孔回流元件不适合机器贴装，通孔必须足够大，有助于手工安装。通孔尺寸的上限是由可得到锡膏的量来决定的。多数装配制造商使用的“现实世界”的兼顾尺寸是，通孔直径比引脚尺寸 (直径或对角线 )大大约 0.010。应该规定引脚长度，以产生板的底面最小所允许的突出高度。元件最大允许长度将决定于板的厚度、可得到的锡量、和引脚表面涂 层，并且必须经常对一个给定的板用试验的方法决定。 最后，注意现有的有关通孔填充的装配工艺标准是基于上锡的工艺过程，在该过程中焊锡供应是无限的，通孔填充不完整通常表示工艺或元件的可能负面影响可靠性的问题 6。这个假设不适合于通孔回流焊接工艺，因为每个焊点可得到的焊锡供应是有限的。焊锡填充程度不可以用来指示良好的可焊性。 回流焊点的不同外表，不是拒绝或返工的理由。工艺标准应该谈到对每个引脚的焊锡均匀分布和引脚与通孔的适当的焊锡熔湿。 结论 通孔元件的回流焊接是将这些元件结合到表面 贴装工艺的一个有吸引力的工艺方法。通过适当的设计与过程控制，回流焊接点的品质与可靠性将可以与通过传统替代工艺所形成的焊接点相媲美。一个高效的工艺过程将要求对板与元件的仔细开发的设计指南，工艺标准必须与工艺特征相协调。 穿孔回流焊一种新型焊接技术 在传统的电子组装工艺中，对于安装有过孔插装元件（ THD）印制 板组件的焊接一般采用波峰焊接技术。但波峰焊接有许多不足之处：不适合高密度元件焊接；桥接、漏焊较多；需喷涂助焊剂；印制板受到较 大热冲击翘曲变形。因此波峰焊接在许多方面不能适应电子组装技术的发展 。 为了适应表面组装技术的发展，解决以上焊接难点的措施是采用穿 孔回流焊 PIHR（ p in in h ole ref lo w）。该技术原理是在印制板完成贴片后，使用一种安装有许多针管的特殊模板，调整模板位置使 针管与插装元件的过孔焊盘对齐，然后使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上，然后安装插装元件，最后插装元件与贴片元件一起通过回流焊完成焊接。穿孔回流焊的优越性在于：首先是减少了工序，省去了波峰焊这道工序，在费用上自然可节省不少，同时也减少了所需的工作人员，在效率上也得到了提高；其次回流焊相对于波峰焊， 产生桥接的可能性要小得多，这样就提高了一次通过率。 穿孔回流焊相对传统工艺在经济性、先进性上都有很大优 势。目前日本 SONY 公司有在 1 2 年内以穿孔回流焊全面代替波峰焊的计划，而我国生产调谐器的企业和高技术、高附加值的一些通信产品已率先使用 PIHR 工艺，预计不远的将来这项新技术将会得到普遍采用。 下一代的回流焊接技术 By Hiro Suganuma and Alvin Tamanaha 本文介绍，世界范围内无铅锡膏的实施出现加快，随着元件变得更加形形色色，从大的球栅阵列 (BGA)到不断更密 间距的零件，要求新的回流焊接炉来提供更精确控制的热传导。 表一、典型的无铅焊锡特性 合金 熔点 蠕变强度 熔湿 热阻 Sn/3.5Ag 216221C 良好 一般 良好 Sn/3.5Ag/0.7Cu 共晶 Sn/3.5Ag/4.8Bi Sn/5.8Bi 139200C 一般 一般 良好 Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5Cu Sn/0.7Cu 227C 一般 ？ ？ Sn/9.0Zn 190199C 良好 一般 良好 Sn/8.0Zn/3.0Bi 共晶 表一与表二列出了典型的无铅 (lead-free)锡膏 (solder paste)的特性和熔湿 (wetting)参数。显示各种无铅材料 (不包括那些含铋 )的主要金属成分和特性的表一，揭示它们具有比传统的 Sn/Pb 锡膏