无铅回流焊.doc

无铅回焊 2008-12-25 16:55:39资料来源:PCBcity作者: 白蓉生 一、前言所谓的Reflow，在表面贴装工业（SMT）中，是指锭形或棒形的焊锡合金，经过熔融并再制造成形为锡粉（即圆球形的微小锡球），然后搭配有机辅料（助焊剂）调配成为锡膏；又经印刷、踩脚、贴片、与再次回熔并固化成为金属焊点之过程，谓之Reflow Soldering（回流焊接）。此词之中文译名颇多，如再流焊、回流焊、回焊（日文译名）熔焊、回焊等；笔者感觉这只是将松散的锡膏再次回熔，并凝聚愈合而成为焊点，故早先笔者曾意译而称之为“熔焊”。但为了与已流行的术语不至相差太远，及考虑字面并无迂回或巡回之含意，但却有再次回到熔融状态而完成焊接的内涵，故应称之为回流焊或回焊。 图1. 左图为位于观音工业区的协益电子公司，其SMT现场安装之锡膏印刷机，为了避免钢板表面之锡膏吸水与风干的烦恼起见，全机台均保持盖牢密封的状态。右为开盖后所见钢板、刮刀及无铅锡膏刮印等外貌。二、锡膏的制造与质量2.1锡膏组成与空洞 图2. 锡稿回焊影响其锡性与焊点强度方面的因素很多，此处归纳为五大方向，根据多年现场经验可知，以锡膏与印刷及回焊曲线（Profile）等三项占焊接品质之比重高达七八成以上，以下本文将专注于此三大内容之介绍，至于机器操作部分将不再著墨。锡膏是由重量比88-90的焊料合金所做成的微小圆球（称为锡粉Powder），与10-12有机辅料（即通称之Flux助焊剂）所组成；由于前者比重很大（7.4-8.4）而后者的比重很轻（约在1-1.5），故其体积比约为1：1。SAC无铅焊料之比重较低（约7.4），且因沾锡 较差而需较多的助焊剂，因而体积比更接近1：1。故知锡粉完成愈合形成焊点之回焊后，其浓缩后的体积将不足印膏的一半。一旦外表先行冷却固化，深藏在内的有机物势必无法逃出，只好被裂解吹胀成为气体。此即锡膏回焊之各种焊点中，气洞或空洞（Voiding）无所不在的主要成因，其数量与大小均远超过波焊。 图3. 无铅锡膏中之锡粉(Powder指微小球体)约占重量比88-90%，必须正圆正球形才能方便印刷中的滑动。由于硬度较软容易被压伤，故搅拌时要小心。左二图即为无铅锡粉之放大图。右图为锡膏中大小锡粉搭配成型的印著画面。现行无铅锡膏以日系SAC305为主（欧系SAC3807，或美系SAC405等次之），日系尚另有SZB83，及SCN等。至于AIM公司的著名锡膏castIN（Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb）之四元合金在亚太地区则很少见到。2.2锡粉制造与质量 图4. 锡粉是从熔融液锡所成形而调制，左图为氮气塔中利用强力氮气喷成粉体之情形，右为液锡在离心力设备上甩出成粉的另一种制程。将原始焊锡合金在氮气环境中先行熔成液态，继以离心力容器将之甩出来成为小球状的锡粉；或采氮气强力喷雾法，在氮气高塔中冷却及下降而成为另一种锡粉。之后分别用筛子筛选出各种直径的小球，然后再按尺寸大小采重量比例去与助焊剂调配与混合，即成为回焊用的锡膏。 对于锡粉的基本要求比起助焊剂来较为简单，其质量重点只要求外形一定要正圆球形，以符合印刷作业中向前滚动的条件。其次是直径尺寸应大小匹配互补，以减少印刷后贴件或踩脚时的坍塌（Slump）。第三项质量是外表所生成的氧化物不可太厚，否则在助焊剂未能彻底清除下，熔融愈合中将会被主体排挤出去而成为不良的锡球。不过一旦外表完全无氧化物时，也较有机会发生“冷熔”（Cold Welding）现象进而容易堵死钢板开口。通常要求开口之宽度以并迭5-7颗主要锡球为原则。 2.3助焊剂之成份及品质助焊剂（Flux）之成份非常复杂，已成为影响锡膏乃至于回焊质量之最关键部份，且更成为品牌好坏的主要区别所在。其主要成份有树脂（Resin）、活化剂（Activator）、溶剂（Solvent）、增黏剂（Tackifier即摇变剂）、流变添加剂（Rheological Additives）亦称抗垂流剂（Thixotropic Agent，或称摇变剂或触变剂或流变剂等）、表面润湿剂（Surfactant）、腐蚀抑制剂等，现简要说明于后：树脂也就是整体助焊剂的基质，一向以水白式松香（Rosin或称松脂）为主，常温中80-90为固体形式的松脂酸（Abietic Acid），高温中将熔融成为液体并展现活性 （常温中不具活性），可用以去除焊料或待焊底材等某些表面轻微的氧化物。活化剂以二元式固体有机酸为主（指含两个羧酸根COOH者），例如草酸、己二酸；其次是固态的卤化盐类例如二甲胺盐酸(CH3)2NHHCL等，在高温中亦可熔化成液态而得与各类氧化物进行反应，可将之去除并得以改善沾锡性。各种活化剂去锈（去除氧化物）的原理，其一可说明为有机酸或卤酸与各种金属氧化物在热能的协助下，进行多次化学反应，使之转变为可溶性金属卤化盐类而得以移除：图7. 此图说明印妥之锡膏在预热中，会引发锡粉表面甚至铜垫的氧化，但到达峰温时，在助焊剂迅速发挥威力下可对各种氧化物进行化学反应并使之溶解，进而出现锡粉的熔融愈合。在此等反应进行的同时也将出现金属盐类与多量的气体，以致冷却后的焊点中免不了会出现空洞。其二为氧化还原反应，以甲酸（蚁酸）将金属氧化物予以还原，并再经后续之热裂解反应，最具代表性： 溶剂以分子量较大的某些高级醇类，或醚类酮类等较常被采用，可用以溶解某些固态的有机物；例如M-Pyrols即为著名的溶剂化学品。抗垂流剂此剂可在锡膏运动或摇动（触动）中，出现较易流 动现象；但在静置时却又会坚持抗剪力，而具有不轻易移动 特性的化学品。如此将可使锡膏在刮刀推行印刷时容易滚动，一旦印着定位后的锡膏，则又可强力协助其保持固定不动的状态。此类添加剂以篦麻油衍生物为主，可增加锡膏的黏度及黏着力（Tack Force）。2.4锡膏等级与配制按照J-STD-005锡膏规范（表2A与2B，见次页），依比例选出表列各种直径的锡粉，然后搭配助焊剂，于特殊“双行星轨道”之混搅机中进行轻柔搅拌（Double Planetary Mixing）中，在不伤及锡粉下可使均匀混合成为锡膏。此种“双行星”搅拌方式，是利用两具双拌桨，从同一轴心对容器内的膏体进行慢速旋转搅拌。该四桨叶是以其厚度方向从膏体的外缘连续划过，逐渐逼使内外膏料产生高效率的混合，只要划过3圈后，大部膏料均已完成彼此混合；旋转36圈后，任何一桨均已与全部成员完成接触，是一种很温柔但却高效的搅拌机。 锡膏在印刷刮刀之水平推行中不但要容易滚动，而且穿过钢板开口着落在PCB焊垫上还要黏牢，要求印后十小时以内，或于零件踩脚时，均不可发生坍塌的情形。故知其商品之难度颇高，质量亦非常讲究。锡膏是一种高单价的物料（以SAC305锡膏而言，每公斤即在N.T.2000元以上），一旦发现吸水则只有报废一途以减少后患。国际规范J-STD-005在其表2A与2B中，已将六种型式（Type）锡膏中的锡粉，按不同直径在重量百分比方面加以规定，以减少在印刷与踩脚时的坍塌，并在热风回焊中容易愈合成为良好的焊点。下列者即为各型锡膏中锡粉组成之百分比，其中最常用者为Type3（主要锡粉直径为35-38m），其次是用于密距窄垫的Type4（锡粉直径以30m为主），其它Type在组装业界较少使用（其它Type5 or 6系用于覆晶Flip Chip之封装）。 2.5锡膏现场作业性品质事实上锡膏质量之待检项目甚多，不同规范亦有不同的要求，一般在作业质量与后续可靠度方面，平均即有15-20项之多。供货商也并非在每次出货时都要每项必做。至于使用者则只需就其生产作业的必要性，且在无需精密昂贵仪器的条件下，以简易的手法检测其关键项目即可。以下五种质量项目即按此种观点而选列，可供使用者现场参考。（1）愈合性（凝聚性或熔合性）试验Solder Ball Test（IPC-TM-650之2.4.43），是在阳极处理过的铝板上，加印一个小圆饼形的锡膏（直径6.5mm厚度2mm），然后小心平置于小型锡池上，无铅锡池之温度设定为245-255。此时锡膏中的锡粉开始受热愈合成为一个圆顶型的焊饼，锡膏中已熔化的助焊剂则被不断挤出而向外扩张。放置5秒钟后即小心水平取下并放平，直到冷却后才以10-20倍放大镜去做检查。此试验是在检查锡粉愈合的能力如何？其中若已部份生锈而无法愈合之下，将随Flux向外扩散成为卫星状的小碎球。 图9.此为锡膏规范中测试愈合性（Coalescence）的允收与拒收画面，其金属载板为阳极处理过的铝板，只做为传热的工具。良好的锡膏熔合后其锡粉会集中成球，其中氧化较严重锡粉，在无法熔合下，将被排挤出来随著助焊剂的扩散而向外流失，下二图即为流失者太多而遭到拒收的画面。本试验选用Al2O3皮膜的铝板，是刻意将其当成传热载体而不使产生沾锡反应（即出现IMC），纯粹只在了解锡粉本身愈合能力的好坏而已。也可在完成锡膏印刷并于室温中放置24小时后，再进行愈合试验，以观察其抗湿及抗氧化的能力如何。前页之四图即为J-STD-005在3.7节中所列之有铅锡膏允收规格之图标画面。至于无铅锡膏愈合能力的允收情形则目前尚无规格，预计J-STD-005A于2006下半年内发布后即可有所依循。下列之五图即为无铅膏在氧化铝板与铜板上另于回焊中所做愈合试验的比较。 图10. 上图为锡膏在铝板上受热而愈合的画面，下三图锡膏在基材板铜面上的熔合情形。由于锡与铜之间会出现焊接反应并生成Cn6Sn5 的IMC,故其愈合后的外观与铝铜板上不同。（2）散锡性试验 Spreading Test焊锡性（Solderability）是说明金属表面可否进行焊接反应，并就其反应能力的好坏，以科学数据加以表达的质量。从沾锡天平（Wetting Balance）而言，即可用以测出引脚的沾锡时间（愈短愈好）与沾锡力量（愈大愈好）。然而此种精密试验，不但专业设备昂贵且相当耗时，而所得数据对生产现场的实用价值却不大。一般的焊锡性在波焊而言，讲究是通孔的上锡填锡能力；就SMT回焊而言，则专注于锡膏愈合后向外的散锡 性，以下将介绍简易做法的散锡性试验。 图11.此为无铅与有铅两种锡膏，在窄铜面上散锡性的比较。相同条件下无铅锡膏的焊锡性就相形见拙了。有铅焊料（63/37）之表面张力（Surface Tension）为0.506 N/m；但SAC305之表面张力却增为0.567N/m，比起前者要超出20%之多。表面张力加大即表内聚力（Cohesive Force）增加，而向外扩展的附着力（Adhesive Force）却减小。于是无铅锡膏在散锡性方面当然就比起有铅锡膏差了一截，若能在助焊剂的活化性能方面有所提升时，也许无铅膏还可展现较好的焊锡性。日商对此做法是利用1.6mm厚的双面板，做出32mil（800m）宽的多条并行线路，之后加全面印绿漆而留出线路中间2cm长的裸铜区（或另加做不同的表面处理以方便评比）。于是在此可焊区的中央印刷上直径950m厚度150m（6mil）的无铅锡膏，然后利用生产线的回焊曲线进行试焊，并观其向两侧散锡的能力。只需简单的量测已散锡的长短，即可知晓其可焊皮膜或锡膏品牌，在“散锡”(Spreadability)方面的质量好坏了。 图12. 此为日本工业规范对锡膏在散锡性方面的试验方法，可针对锡膏品牌或可焊性表面处理进行散锡性的评比，孰优孰劣立见分晓。（3）黏度试验Viscosity Test与黏度指数（Thixotropy）每批进料锡膏之保证书中，虽已明列其黏度数据，但为确保其出货中的质量起见，亦应在入库前按J-STD-005之3.5节与IPC-TM-650之2.4.34.3 节，抽检其黏度值。其做法是将已回温（5-6小时）的锡膏，开盖后先用搅拌刀从其刀口方向轻搅1-2分钟，再整罐置于专业黏度仪（例如Malcom之PCU201型）之测座上，并将感测头（Sensor）伸入膏体中，续以10 rpm的慢转速度，在25下取20分钟后的量测数据做为纪录即可。 图13.左为业界所广用Malcom牌之锡膏粘度计PCL-2201,右为其试验平台之特写至于黏着指数（或称抗垂流指数Thixotropy）之质量项目，事实上美式锡膏规范J-STD-005并未列入，至于其新A版中是否已纳入则目前尚不得知。日本工业标准JIS-Z-3284则已实行多年，其做法是先求出上述10rpm在20分钟后的黏度值后，再分别另行测出3rpm的6分钟数据，及30rpm的3分钟数据。然后将此两种数据分别求取对数值（Log），此等读值应落在0.45-0.65之间。所谓的Thixotropy也就是控制Slump的能力如何的指标，可令读者较易体会其与抗坍塌性或抗垂流性之间的关系。也就是说印刷后较长时间的置放中（例如10小时），观察是否出现坍塌现象的质量。 图14. 此为了解粘著指数所刻意印刷之锡膏，可做为现场对比之用。希望其数据能落在0.4与0.6之间，即最为理想最适合生产用途。（4）黏着力（Tack Force）按IPC-TM-650之2.4.44法，在室温环境（25，50%RH）中，于玻璃板面印着四个均等圆盘形的锡膏（直径6.5mm厚度0.2mm），再利用精密拉力计所加装之平头不锈钢探棒（直径5.1mm），对准所印之锡膏以2.0mm/s的降速压进锡膏中，并施以重力50g进行0.2秒的压着，然后另以10mm/s的升起速度将探棒缓缓拉起。此时可按下图纪录其向上拉脱时的最大力量，如此共做5次再求取其平均值，即为其纪录用的黏着强度或黏着力之数据（KN/m2）。 （5）印刷能力（Printability）是指对密距（Fine Pitch）多垫区（例如QFP之连垫），或直径很小的圆垫等连续印刷多次，希望仍不致造成黏度值或抗垂流性的改变，甚至放置10小时仍未发生坍塌的情形形。此种特性对于连续施工颇为重要，对现场而言此检验方法也并不困难，美式规范中亦未列入此项，日系规范可参考JIS-Z-3284附件5。下二图即为首印样与第30次印样的比较。 图16.左为疏距（例如20mil）与密距(例如5mil)所并列之锡膏印样;上图则为开封之锡膏先印一样，然后到达锡膏第30次印刷时，另印另一样。之后进行比对并观察后者是否在密距处发生异常坍塌情形。上二图即为其前后两印样的对比图。三、锡膏的管理与印刷3.1冷藏储存锡膏是由锡合金的正圆小球，搭配一半体积的有机辅料，均匀掺和而成。但由于两者比重相差极大，放置过久后难免会出现分离沉淀的现象，且当储存温度较高时其分离现象还将更为恶化，甚至氧化现象也较容易发生，对印刷性与流变性乃至后来的焊锡性都会产生不良影响。故只能置于冰箱中（5-7）冷藏以保证其用途与寿命。3.2干燥环境 锡膏很容易吸水（Hygroscopic），一旦吸入水份后各种特性将大幅劣化，难免在后续作业中制造很多烦恼（例如锡球），故现场印刷环境中的相对湿度不可超过50，温度范围应保持在22-25，并应彻底避免吹风以减少干涸的发生。否则会很容易失去印刷 并造成锡膏的氧化，进而亦将耗损掉助焊剂在除锈功能方面的能量，导致脚面与垫面原本应有除锈能力之不足，甚至可能引发坍塌搭桥、四处飞溅的锡球，并使得黏着时间（Tack Time）也为之缩短。3.3回温后开封使用 锡膏离开冰箱后，一定要在干燥的室温环境中，放置4-6小时达到其内外均温后才能开封使用。不要被容器外表已经不冷所骗过，必须内外彻底回温后才可开封 。凡当锡膏之整体温度低于室内之露点(Dew Point)时，锡膏外表会将空气中的水份予以冷凝而附着成水珠。所谓露点是指气温不断下降中，空气中的水气会持续增多，直到饱和(100RH)为止，其所对应的温度即称为“露点”。冰箱取出的空杯其表面很快会有水珠附着就是这个道理。而且锡膏也不宜快速加温回温，以防助焊剂或其它有机物的分离。 图17. 良好的锡膏不但在印刷时不可糊涂与变形，正常压力踩脚时也不可发生坍塌与移位，否则回焊一定会出现搭桥短路的麻烦。未开封前已回温的锡膏，要连瓶一起放在公转与自转合并的搅拌机中，并就容器之不同位向予以定时转动，以达到内盛锡膏整体均质的目的。正确开封的锡膏，还要用小型压舌片采固定方向温和搅拌约1-3分钟，使整体之分布更为均匀，不宜强烈与过度搅拌，以免锡膏受损及在剪应力（Shear Force）方面的弱化，进而可能导致坍塌（Slumping）甚至焊后搭桥短路的发生，钢板上的锡膏若未能全数用完而必须刮回储存时，则应另外单独存放，不可与新膏混和。为了节省成本起见，当旧膏再次回到钢板上用于较低阶产品时，亦应另掺较多量的新膏以调和使用。搭配比例则以方便印刷之施工为原则，也有质量较严的业者则宁可不用旧膏。至于有铅与无铅锡膏当然是绝对不能混用，必须要将钢板彻底用溶剂（IPA）洗净，才能换膏。3.4钢板开口（Aperture）通常无铅锡膏（例如SAC305）中的金属比重，较有铅者轻约17（SAC305为7.44；有铅Sn63者为8.4），且无铅者之沾锡性较差，故助焊剂在比率上也会多加一些（达11-12by wt），以加强去锈助焊之能力。如此将使得无铅锡膏对钢板之黏着性增大，在浓稠不易推动的状况中，印后必须要放慢向下之脱板速度，以减少印膏发生局部拉起与带走漏印的麻烦。焊性良好的有铅锡膏，其钢板开口（Aperture）一般要比PCB的承垫（Pads）需小一点，一来可节省用膏，二来也可达到减少外溢短路的烦恼。但无铅锡膏的焊性较差，常需放大开口与承垫的比率为1：1，甚至超过承垫到达扩印（Overprint）的地步才行。事实上无铅锡膏愈合时的内聚力很大，很容易就会把外缘部份拉回到中央来。再者输送轨道上待印的PCB，到达定位上升触及钢板底面之际，其待印板底部的支撑一定要够强才行。也就是说在刮刀动态施压中板子不可出现下沉之变形，以减少诸多后患的发生。印刷台面之左右为X轴，远近为Y轴，板厚为Z轴，必须要将正确的板厚读值输入计算机，以达到待印板上的钢板与轨道平齐，刮印中才不致造成刮刀的受损。其板厚要用千分卡（Caliper）仔细测量与输入才不致发生差错。3.5刮刀速度与压力 刮刀速度平均为1-3寸/秒，印速加快时印压也会增大，致使刮刀与钢板的磨擦加剧，连带温度上升又将破坏锡膏的抗剪力，进而会使黏度转稀，造成锡膏着落的不良与容易坍塌。以及于钢板下缘的溢出甚至搭桥短路，而且还会使得刮刀磨损增加。故通常只要找到良好印速后，即不可任意加快。但施工时若发现锡膏太稠、不易脱离钢板，着床性不佳时；则亦可稍行加速约1寸/秒，以便浓稠度得以减弱而方便施工。 当刮刀用力向前推行的同时，也会产生一种向下的压力（Downward Pressure），迫使锡膏通过钢板开口而到达垫面。对无锡膏而言，每当行走1寸中将产生1-1.5磅的向下压力；此时所刮过的钢板表面应呈现清洁光泽的外观，正如同汽车挡风玻璃被雨刷刮过的整洁清爽一般，即为其最适压力的表征。换句话说良好刮压的钢板，其表面不应残留任何锡膏的痕迹。 图19. 左为刮刀下沉太多所造成印膏的浮刮现象。中为钢板开口不洁所引发的溢出与糊印，右为待印板印妥后下降脱模太快所造成的撕印。凡当刮压太重时，则印膏中心处会出现掠过 的浮刮（Scooping）缺点，也会发生溢出（Bleed Out）情形。有时可从着膏区的绿漆边缘处，看到一连串锡粒的残存，或外侧锡粒已被压扁者，均为已发生Bleed Out的明证。倘若刮压不足以致钢板表面尚留有锡膏残迹时，其藕断丝连下又将出现印膏局部被撕起带走的“撕印”（Torn Prints），更将引发覆盖不足或提早干涸等问题。事实上刮压与印速（Print Speed）成正比，只要降慢印速即可减轻刮压，此等由于重压而发生的问题也都将自然消失了。刮刀不宜太长，否则涂抹面积太广，左右两侧超出待印区域之无效印面，只会造成提早干涸的负面效应而已。采用短刀时两侧溢出者应以手动方式移回印区之内，以免动静差别太久而造成锡膏的变性。3.6缓脱之降距(Separation Distance) 图20.此亦为印后下降脱模太快所拉扯出现的狗耳（Dog Ear）现象。当板面已完成锡膏印刷之作业，该加工板即将在各顶柱移开后，会先行自动缓降以脱离不锈钢模板。但由于模板开口与印膏两者尚有黏着力量，因而当板面的印膏欲自开口处下降脱离之际，其动作必须缓慢温柔，以免牵动印膏造成不良之狗耳（Dog Ear）现象。直到印膏已全部安全降离脱出模板开口为止，才可对待印板进行较快速的续降与平移动作。此段安全性缓降之落差即称之为“缓脱降距”。通常此段小心翼翼的降距约为0.1吋（即100mil）。困难印品如CSP等圆垫而言，其降速应保持在0.1-0.2 in/sec，至于其它不太关键的印垫则可加快到0.3-0.5 in/sec之降速。凡当生产已顺利时，此段降距的耗时还可予减缩短，以提高效率节省全线直通所需的时间。至于难度高的产品则应从延缓其降速做起，以减少质量问题。3.7着膏板隙（Print-Gap or Snap-off） 是指待印板上升触及钢板底面之际，刻意在两板间预留出的细小间隙而言。此一小段垂直间隙，可协助钢板开口将锡膏释放在承垫上的动作，并稍可增加锡膏印着的厚度。但当锡膏之黏度较稀时，则此种垂直间隙则应加以减缩，以免印膏自着落区向外溢出（Bleed Out），进而导致相邻印膏间的搭桥短路。在已校正之印机决定上述板隙之前，须先将待印板的精确板厚读值（包括绿漆白字在内）输入计算机中；一般均将其板隙设定为0，即所谓的轻贴式印刷（On Contact Printing）。此种设定值将可使钢板开口与承垫之间，出现一种密贴套圈式(Gasketing)的闭合作用，可防止印膏之外溢，并可得到分布均匀高矮一致的锡膏厚度。3.8钢板（模板）的清洁 使用过的钢板应加以清洁，务使底面与各开口中不致积累太多的残渣，甚至干涸结壳而不易清除。操作中钢板底面可常规采用滚动布轮（已沾IPA）式的初步清洁，若发现无法奏效时则可戴手套采己沾异丙醇（IPA）之抹布，或专用清洁液沾湿之抹布用力擦洗。此种专用清洁液应不至对开口中仍存在的锡膏造成伤害。通常每印完2-5板子时，即应对钢板底面进行初步清洁。四、回焊的原理与管理所谓Reflow（译词有回流焊、回焊、再流焊、回流焊、回焊、熔焊等，其回焊为日文），是指利用输送带（Conveyor，指移动式不锈钢网或架空双轨）负载待焊板通过多道加热段（Heating Zones），在热空气或热氮气或搭配红外线，于全方位高效传热下，完成锡膏的熔融愈合（Coalescence）并冷却而成为焊点之谓也。早期的SMT技术亦曾利用远红外线（波长较长之IR）直接辐射式（Radiation）的加热方式，不过目前炉中的IR反到成了配角，帮忙主角热气对流去进行双重加热。或单纯只采用高效的循环热风或热氮气做为能量的来源。 无铅回焊的最高目标，是要以最起码的热量，将板面所有待装的大小组件全数焊妥，并应避免施加过多热量造成组件与电路板的伤害。小心运用可移动式感热仪（Profiler），找出正确的回焊曲线将可达成此一目标。 图22.左图为IR（红外线）与热风两种热源共用的回焊炉，长条发橙光者即为IR热源，另外灰色有小孔之不锈钢者为热风出口。右图为单纯热风之回焊机。 4.1回焊曲线（Profile）的组成当组装板在金属网式或双轨式输送带上，通过回焊炉各段（Zone）的热冷行程（例如8热2冷之大型机，总长5-6m的无铅回焊炉），以达到锡膏熔融（Melting）以及冷却（Cooling）愈合成为焊点的目的，其主要温度变化可分为四部份，亦即：(1)起步预热段（Ramp-up）指最前两段之炉区，从室温起步到达110-120之鞍首而言（例如10段机之1-2 Zone）。(2)缓升（恒温）吸热段（Soak or Preheat）指回焊曲线之缓升而较平坦的鞍部（例如10段机之3-6段而言，时间60-90sec.），鞍尾温度150-170。希望能达到电路板与零组件的内外均温，与赶走溶剂避免溅锡之目的。 图23此为日本千住金属9热2冷式之回焊内曲线，可见到多层板之受热要超过零组件，此即爆板隐忧之所在。(3)峰温强热段（Spike or Peak）可将板面温度迅速（3/sec）冲高到235-245之间，以达到锡膏熔焊的目的；此段耗时以不超过20秒为宜（例如10段机之7-8两段）。(4)快速冷却段（Cooling）之后再快速降温（3-5/sec）使能瞬间固化形成焊点，如此将可减少焊点之表面粗糙与微裂，且老化强度也会更好（例如10段机之9-10段）。为了将抽象的文字叙述简化为易懂的方便图标起见，利用简单直角坐标的纵轴表达温度，横轴表达时间（秒数），描绘出组装板随输送带按设定速度（例如0.9m/min）行走，过程中温度起伏变化（热量增加或减少）的曲线，即称之为回焊曲线（Reflow Profile） 图24左为回焊曲线与回焊炉相互匹配的示意图，右为尾段降温用的冷却风扇图。 图25 左图为有鞍型（RSS）回焊曲线及其各部段之说明;右图为待焊板进入加热段受到上下强力热风吹送热量之示意图，上下热风之温度速度均可调整。回焊曲线是经由移动式电子测温仪与纪录器（Profiler or Datalogger）所绘制，此仪器可引出数条K Type之感热导线，并连接到数枚感温之熔合头（Thermo-Coupler），使逐一固定在板面不同位置，移动中执行“边走边测”的动作。实作时是走在前面，随后牵引感温仪通过全程而自动绘制多条曲线。再自多条曲线中折衷选出最中道不伤组件者，做为正式产品之试焊曲线，并在出炉完工板的品质经过认可后，即将该曲线存档做为后续量产的作业根据。 图26 左为无铅回焊曲线与有铅回焊曲线者在温度与热量(即曲线下含之面积)比较上的落差，即使二者TAC之秒数相等，但所涵盖热量之差异却仍然很大。右图为有铅与无铅两者在可操作之范围与峰温方面落差之比较。4.2回焊曲线的测绘利用有瑕疵的PCB与关键的零组件，刻意改用高温焊料（Sn10/Pb90）先在板面以手焊方式在各处脚垫上将热偶焊妥，做为量产前测温用的试焊板。所采用的“移动式测温仪”是由扁平机盒为主，内部主要是一片组装板，板面上安装了一颗由电池驱动的IC，此IC内已烧录了专用软件，可供各种数据的纪录与整理。金属外壳则另包覆耐热材料，以保护内部不致受损。该扁平主机可监测全程任何时间任何位置的温度（误差须在10以内），并以无线方式快速传送（约每秒一次）资料到炉以外的计算机中。试焊板上亦可采用高温胶带去贴着耐热线避免其乱动。试焊所得数据可采数种颜色绘成多条回焊曲线，然后再根据经验权衡折衷而找出可用的最佳曲线（也就是将最怕热的组件例为优先考虑） 图27 此为著名品牌（KIC）之移动式测温仪（Profiler）的全体组合，可见到前行板面上可固著的9条K-type感热线;右三图为感测线之熔合点（Thermo Coupler）在待焊板焊垫上采点胶，焊牢及高温胶带贴牢等三种固定法，以高溶点焊接法效果最好。通常更换待焊板的料号时，即应从档案中找出正确的回焊曲线，然后上机重新实焊一片首件板（First Article），在焊点品质无虑后即可展开量产。不过一般老手却未将动态测温仪用之于新料号首件板，而只是在每日开工前，利用已接线的试焊板，对各区段的热风温度进行校验与微调而已。4.3回焊曲线的分类一般而言，曲线可概分为(1)有鞍的RSS型(2)无鞍的L型（RTS型Ramp to Spike）(3)长鞍型（LSP型Low Long Spike）现说明于后：（1）有鞍型：从室温起步以1-1.5/sec的速率，将行走中的板子升温到110-150的鞍首部。然后再以缓升或恒温方式，在60-90秒内拉高到150-170的鞍尾部，本段主要功用是让板子与组件吸足热量，在内外均温下以便飙升峰温。此Profile之峰温约2405，TAL（熔点以上之历时）约50-80秒，冷却速率3-4/sec，总共历时3-4分钟。（2）无鞍型：全程采直线性升温，其速率控制在0.8-0.9/sec之间，一路提升到峰温2405。 图28 此为一般待焊板无铅回焊所常用的有鞍型回焊曲线，各热量差异较小。此L型曲线以直线式或稍呈下凹(Concave)为宜，不可出现隆起(Convex)状态，以免板面过热造成厚板之表层起泡。且此升温线的2/3长度处不宜超过150，其余参数同上。 图29此为待焊板在6种元件焊垫上设置感测热偶线，以及全程所绘制的6条回焊曲线的比较图。 图30 此为无鞍型（RTS）一路升温的回焊曲线，可用于较简单或较小的待焊板。（3）长鞍型：当板面须焊装多颗BGA时，为了减少球脚中之空洞（Voiding），及供应腹底内球充份热量之考虑，可将有鞍型之鞍部再予平缓延长，以赶走内球锡膏中的挥发份。其做法是以1.25/sec的升温速率起步，到达120的初鞍时，即以120-180秒的耗时平缓走到末鞍，然后才往峰温飙升，其它参数也与上述者相同。 图31 当板面装有多颗大型BGA必须内外均热时，应采用此种长鞍型回焊曲线。4.4移动式测温仪（Profiler）之品质与手法此种必备的测温仪可牵引出的热偶数目不等（4条到36条），其品牌与价格之差异也很大（NT.10万到30万）。良好测温仪之纪录器可记下的数据应包括：起步段之升温速率（Heating Rate or Slope or Gradient）、PCB板面温差（T）、吸热段之耗时（Soak Time）、峰温前之飙升速率（Ramp Rate）、峰温读值（Peak or Spike Temp.）、熔融锡膏之液态历时(TAL)，以及最后历程之冷却（Cooling）速率等重要参数。为了要达成使命起见，测温仪主机盒与内部电池都必须能够耐热，外形要够扁平而不致被炉口所卡住，热偶线本身的感热误差不可超过1，测温取样频率不宜超过1次/秒，记忆量也要够大，输出资料还要具有统计管制（SPC）的能力，软件的升级亦应简单容易。通常较大板子的回焊中，其领先进入的前缘，当然比起中间或后缘要提早升温及提早冷却。且四角或板边的吸热与升温，都要比中央来得更快更高，故所贴着的热偶线中至少应包括此二区域在内。而且大零件之本体也会吸热，致使其引脚升温也较小型被动组件来得慢一些。甚至大号BGA腹底之热量更是不易深入，此时须将腹底之PCB另行钻孔，并自板子正面先焊妥自底面穿出的感温线，再于贴焊BGA时量测其死角处之温度。某些对强热敏感的组件，其附近也应刻意贴着热偶线，作为回焊曲线取决的首要条件。 图32图说明板子前缘呈现领先另热与领先冷却的事实，可表现在回焊曲线中之红线，板子中央者黄线，板子后缘者为绿线之对应示意图。为了避免热敏组件与高层数厚板遭到强热之伤害起见，还须利用测温仪找出组装板上的“最热点”与“最冷点”。其做法是另采印妥锡膏的试焊板，先以高速通过回焊炉（如2m/min ），之后观察板边小型被动组件（如电容器）的双垫是否已焊妥？未妥者则再次降速（如1.5m/min）试焊，一直要找到第一个熔焊点出现为止，那就是全板的最热点。然后继续降速（即增加热量）直到大号组件最后之焊点也完成时，那就是全板的最冷点。于是在既定的Spike温度下（如240），将可试找出组装板的正确输送速度（Conveyor Speed，例如0.9-1.0m/min）来。此刻其锡膏之液态历时（TAL，例如50-100秒）也可测得。如此一来热敏组件与高层数厚板等体质不强者方得以安全，方不致在回焊强热中遭到烫伤或表面爆板的灾情。 图33 左为大型待焊板上共设备了6处感测线（Thermal Coupler）的俯视画面，右为所设6处感测线经过全程所绘记的6条回焊曲线，其曲线间最大落差（8）即为回焊关键所在的板面T（但最热与最冷两点间以不超过15为宜）。4.5鞍部吸热的管理以SAC305或SAC3807各种品牌之锡膏规格而言，其鞍部吸热耗时之变化约在60-120秒之间，温度则自其前鞍的110-130缓升到165-190的后鞍高温。凡当PCB为厚大之多层板（尤其高层厚板），所承载的组件也都厚重硕大，甚至所装BGA还不在少数者，则其4-6段之缓升（如1-1.5/s）吸热（Soak）将非常关键。必须要让厚板与厚件的内外全体吸饱热量，其随后飙升峰温（3-4/s）的快速强热中，才不致因里外温差太大而造成厚板或厚件的迸裂。此时之Profile必须选用有鞍部或帽檐型一波三折式之回焊曲线。 图34 左图为无铅慢速冷却的曲线（2.5以下），右图为无铅快速冷却的曲线（2.5以上）；注意两图中之红线为小零件的温度曲线，蓝线为大元件的温度曲线，二者代表全板面最热与最冷之温差（T）尚未超过15。但若为小板薄板或单双面板，所承载之组件又多属是小型者，在里外温差不大下，为了争取产量产速（Through-Put）起见，则吸热段可采缩短时间快速升温（1/sec以上）的做法，此时鞍部将消失，而呈现沿路升上一波两折有如房顶的L型Profile。不过此时回焊炉本身品质的影响将很大，其各段之热传（Heat Tranfer）效率必须高效与均匀，且当板子进入以致瞬间失温之际，其迅速精确的补偿能力，必须既快又准才不致区域 落差过大（局部板面之T不宜超过4）。上述有明显鞍部的曲线者，其TAL时间较长（约120秒），而无明显鞍部L型者（又称Direct Ramp）之TAL时间较短（约60秒）。无铅重要规范J-STD-020C，系针对湿敏 装组件之考试文件；故意让封品先经前期之饱吸湿气，再经后段之回焊考试，以观察封件能否耐得住吸湿与强热的折磨。该020C中Fig5-1即为观察封件是否会爆裂的考试曲线。此图外部为起伏较平顺耗时甚长的曲线，系为厚件大件考试的Profile；而居中起伏相当陡翘耗时甚短者即为薄件小件的考试曲线很多人物误将此专用考试曲线用于量产，不免有张冠之嫌。 图35此为著名封装规范J-STD-020之Fig5-1，系为封装器件在饱吸湿气之后，再进行回焊考试，以观察封体是否迸裂的考试用曲线。外部为大件所用热量较多的曲线，内部为小件所用热量较少的另一曲线。4.6锡膏与曲线的配合一般锡膏配方中重量比90者为粉状（小球型）金属焊料，10者为有机辅料。除去少量配角型金属不谈（如锑、铟、锗等），即使在主成份完全相同（如SAC305），却在锡粒大小（Particle Size）与数量搭配比例各异者，其流动性（Fluidity）与愈合性（Coalescence）也都存在颇大的差异。 图36此图说明某品牌10段炉（8热2冷）之有鞍曲线中，其各段所呈现之温度与锡膏本身耐热范围之互相对应图。注意最前两段预热太快时，将会引发溅锡与锡球的麻烦。至于有机辅料可挥洒的空间则就更大了，品牌品质的差异也绝大部份出自于此。有机物中含助焊剂、活化剂、黏着剂、抗垂流剂与溶剂等；搭配金属小球以而得以展现施工所必须的印刷性、够久的黏着性(Tack Time)、抗塌性、黏度值、免洗绝缘品质(SIR或水溶液电阻率等)、散锡性与上锡性等。因而各种商品锡膏都会在其型录中，特别强调在各段加热中可耐热而不变质的温度范围；以及形成焊点后所展现的各种品质特性等。至于熔融锡膏之液态历时（TAL）长短，也与待焊板表面处理之种类及厚度有关，一般板类常见之TAL以60-100秒为宜，以减少强热对待焊板与助焊剂的煎熬，但仍须以完成锡膏愈合，以及沾锡或IMC的良好为主旨。TAL太长太久当然会对零件与板体造成伤害，甚至助焊剂也遭到碳化(charring)。但TAL太短也将明显带来冷焊，吃锡不良或锡膏愈合不足，以致颗粒状外观等缺失。对于强热敏感的待焊板，似可从最短的TAL开始试焊，在不变动各段热风条件下，采较方便的行速微调中找出最合适的焊接条件。 4.7回焊曲线管理准则曾有菲利浦公司研究无铅回焊者，采DOE实验计划法对多种情况进行实做研究，并归纳出四种简易的准则（Metrics），可做为无铅回焊量产管理的借镜。现以SAC305焊料，输送速率0.9m/min，板面T在4以内，峰温245，所用连线机组则以9热3冷者为例，说明其细节原委于后。(1)第一准则（Tp/10T 2.2）：是指峰温（Tp）针对10倍板面温差（T），其两者的比值应大于2.2。此准则是考验回焊炉软件与硬件的本领如何？本领高强者其各段热风不但反应灵敏，而且瞬间局部之热传效率很高，使得待焊板面之温差（T）得以缩小。品质良好的回焊机，即使面对大板多件而言，其全板最热与最冷间之T也应保持在15以内。一旦T超过25者，即表该品牌的回焊机将会发生问题。因而此经验公式在避免拉高Tp，但却刻意压低T之下，二者的比值即可良性的变大。也就是说比值愈大者，其回焊炉本身的品质也越好，起码经验比值应在2.2以上才行。 表4.1 板面六个测温点分别取得第一准则之评分(2)第二准则（10T/（70-TAL）4.0）：此准则是着重在熔融锡膏之液态历时须愈短愈好（TAL代表加工技术的优劣），并同时就前一准则过度强调T（代表机器的能耐如何）者亦有所修正。也就是说T与TAL两者都很重要，最好是两者都不宜太大，换言之机器的能耐与加工技术两者均须兼顾之意。 表4.2 六个测点所得第二准则之评分(3)第三准则（Tp/t total 0.6）：此准则可用以量测回焊炉的加热效率，简单的说就是到底需要多久时间才能到达峰温，是着眼于产能与产量的提升。此经验公式系以峰温针对总共加热时间两者的比值，至少要大于0.6才较妥当。 表4.3 六个测点所得第三准则之评分(4)第四准则（3.5 Tp/TAL 8.3）：与第二准则颇为类似，是说明板面上呈现较热的组件或较热之区域者，例如小件（电阻器、电容器等）脚垫之锡膏会率先到达峰温（Tp），故所经历的TAL当然会比大件（BGA）引脚锡膏来的更久一些。是故对小件者而言，其Tp/TAL之比值应使之大于3.5（暗指TAL不可太久）；对大件者则其比值不宜超过8.3（暗指TAL不可太短）才较妥当。且此准则也可考验回焊炉的机动性是否够灵活。4.8冷却速率的影响（1）微结构方面的差异回焊制程锡膏愈合冷却成为焊点的经历中，热量充足展现良好焊锡性者，焊料与焊垫以及零件脚之接口间当然已完成IMC的生长。现刻意选择自242的峰温冷却下滑到200之一段曲线，取其两点间斜率之缓急定义为“冷却速率”（Cooling Rate）。于是冷却较快而余热较少者（例如-2.5/sec），其IMC生长的时间被逼短，因而厚度上较薄（有铅快冷IMC厚度平均为1.5m，但无铅快冷者其厚度竟达3.8m）。反之，冷却较慢余热仍多者（例如0.5/sec），其IMC自然变得较厚，而且部份还会脱离接口逸往液态焊料中形成枝状（Dendrite）IMC。接口常见者如Cu6Sn5，Ni3Sn4，Ag3Sn，AuSn，AuSn2，AuSn4等IMC结构也都与冷却速率有关。 图38 左图说明无铅焊接当其TAL秒数已固定，一旦峰温超过245或250时，将会危害到板面组装的大件与小件。右图说明有铅焊接的作业范围比起无铅焊接更为宽广更为安全的示意图。 图39 此二图均为焊点介面之微切片SEM画面，当回焊曲线之TAL压时较短者，其Cu6Sn5之IMC厚度较薄，当TAL较久时则IMC会明显的厚。（2）对完工强度的影响冷却速率的快慢还会改变TAL与T等数据，慢冷使得TAL变久进而会使IMC长的较厚。快冷者却让板面温差（T）拉大，致使最热点与最冷点的IMC厚度也出现厚薄的差异。除了冷却快慢之外，表面处理的种类也会对焊点强度（joint Strength）造成影响。研究者曾对OSP垫面处理者做过剪力强度（Shear Strength）试验，发现快冷者要比慢冷者更好。不过快冷焊点除了前述空洞较多外，其残存的内应力也较大，此乃由于不同材料热胀系数（CTE）各异所导致的结果。然而于各种优劣比较下，仍以快冷者优势居多。以BGA为例，在各种不同条件所焊妥之焊