焊接工艺文件[1].doc

无铅焊接：开发一个稳健的工艺. By Gerjan Diepstraten本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺.。开发一套稳健的方法检验一个焊接工艺是否稳健，就是要看其对于各种输入仍维持一个稳定输出(合格率)的能力。输入的变化是由“噪音”因素所造成的。甚至在印刷电路板(PCB)进入回流炉之前，一些因素将在一个表面贴装装配内变化。首先，在工艺中使用的材料中存在变化。这些变化存在于锡膏特性如成分、润滑剂、粉末和氧化物；板的材料，考虑到不同的供应商和不同的存储特性；和元件。其次，变化可能发生在表面贴装工艺的第一部分：锡膏印刷与塌落和元件贴装。第三，噪音因素可来自制造区域的室内条件. -温度与湿度。这些输入变量要求最佳的加热曲线，它必须对所有变量都敏感性最小，和一个量化工艺能力的方法。回流曲线就回流焊接而言，无铅合金的使用直接影响过程温度，因此影响到加热曲线。提高熔化温度缩小了工艺窗口，因为液相线以上的时间和允许的最高温度. 250C(为了防止元件损坏和板的脱层)没有改变。三角形(升温到形成峰值)曲线我们可以区分那些关键的和接近回流焊接现实极限的工艺和那些较不关键的工艺。对于. PCB相对容易加热和元件与板材料有彼此接近温度的工艺，可以使用三角形温度曲线(图一)。三角形温度曲线建议用于诸如计算机主板这样的产品，它在装配上的温度差别小(小的. T)。图一、三角形回流温度曲线图二、升温-保温-峰值温度曲线三角形温度曲线有一些优点。例如，如果锡膏针对无铅三角形温度曲线适当配方，将得到更光亮的焊点和改善的可焊性。可是，助焊剂激化时间和温度必须符合无铅温度曲线的较高温度。三角形曲线的升温速度是整个控制的，在该工艺中保持或多或少是相同的。其结果是焊接期间. PCB材料内的应力较小。与传统的升温-保温-峰值曲线比较，能量成本也较低。升温-保温-峰值温度曲线较小的元件比较大的元件和散热片上升温度快。因此，为了满足所有元件的液相线以上时间的要求，对这些工艺宁可使用升温-保温-峰值温度曲线(图二)。保温的目的是要减小. T。在升温-保温-峰值温度曲线的几个区域，如果不适当控制，可能造成材料中太大的应力。首先，预热速度应该限制到. 4C/秒，或更少，取决于规格。锡膏中的助焊剂元素应该针对这个曲线配方，因为太高的保温温度可损坏锡膏的性能；在氧化特别严重的峰值区必须保留足够的活性剂。第二个温度上升斜率出现在峰值区的入口，典型的极限为. 3C/秒。温度曲线的第三个部分是冷却区，应该特别注意减小应力。例如，一个陶瓷片状电容的最大冷却速度为-2-4C/秒。因此，要求一个受控的冷却过程，因为特殊材料的可靠性和焊接点的结构也受到影响。对于任何一个工艺，最佳的温度曲线可以通过一个. Taguchi试验来确定。在试验中使用噪音因素将帮助确定哪一种曲线对变量敏感性最小，更加稳定。评估工艺统计过程控制(SPC, statistical process control)用来将工艺稳定和保持在控制之中。在焊接中，SPC用来减少可变性和提供工艺能力。典型地，X-Y坐标图(x-bar-range chart)和性能分析是用于这个目的的。X-Y坐标图是对测量变量进行统计计算的图形表示，这里每个分组的平均值与幅度(最大-最小)用来监测平均值或者范围的变化；该幅度用作变量的度量。统计上大的改变可能表示工艺漂移、趋势、循环模式或由于特殊原因造成的失控情况。当焊接工艺的最具影响的参数(如. Taguchi试验所定义的)受到统计过程控制(SPC)，工艺的稳定性和性能的改进可以容易达到。例如，在一台焊接设备中，硬件和软件设计用来保持重要的参数在设定点的规定范围内。可是，即使当一个参数在起偏差极限之内时(没有报警发生)，它可能已经在统计上失控，或者显示一个由于历史数据而意想不到的状态。只购买硬件和软件不一定会得到成功的. SPC。一个关键的考虑是可变性的减少，在特殊原因变量和普通原因变量之间有一个区别。控制图用来消除特殊原因变量，即任何可能与可归属原因有联系的变量。性能图用来减少普通原因变量，即任何工艺固有的和只能通过工艺变化减少的变量。在一个回流焊接工艺中，SPC的典型参数包括传送带速度、气体或加热器温度、液相线以上的时间和最高的峰值温度。在一台波峰焊接机器中，典型的参数包括传送带速度、接触时间、预热温度(PCB或加热器)和作用于. PCB上的助焊剂数量。图三、描述预热温度的. x-bar-range图一个. X-Y坐标图的例子显示在一个波峰焊接工艺中的预热区的热空气温度(图三)。在一整天中，取样读数每. 10秒一次并分成分组，每组五个样品。平均值与幅度在图三中显示。平均温度为. 120.0C，设定点也为. 120C。该数据来自于安装在预热模块中的热电偶。记录了来自工艺、设定和测量值的所有机器数据。管理信息文件可以导入. SPC软件，它将产生象图三的. X-Y坐标图和性能分析图。我们接受. 120C2C的预热温度(热风)，因为我们知道，只要测量的温度在这个极限之内，板的温度将不会波动和保持在助焊剂规格内。该数据，与上控制极限(UCL=122C)和下控制极限(LCL=118C)将返回一个工艺性能(Cp, process capability)值：这里. Cp = 工艺能力，S = 标准偏差。图四、样品工艺能力(Cp)图在图四中的 Cp 图显示，对于预热温度，工艺是有能力的。我们发现. Cp=3.55；一个稳定的工艺要求大于. 1.66的. Cp值。稳定性一旦我们用无铅焊锡运行第一批产品，我们需要量化工艺的稳定性。这些响应因素可以在产品上测量，就象计数缺陷或从机器设定收集的数据。例如，一块板的温度可以用安装在. PCB上的热电偶测量，或者热风的温度可以在机器内测量，这个温度与. PCB上的温度是相关的。另一种测量稳定性的方法是用专门的校正工具，该工具将仪表骑在传送带上通过炉子。使用这些工具的优点是它们非常稳定，一次运行可以测量几个不同的参数。在多数生产线中，操作员有自己的测试板，热电偶已安装在上面。将板在炉(或者波峰焊机)中运行将很快损坏测试板因为无铅焊接的温度高。板会开始出现脱层和翘曲，热电偶可能从表面脱落。影响品质最多的参数从我们对锡-铅工艺的认识和. Taguchi试验的结果已经知道了。我们开始计数和收集这些参数的数据。在. SPC已经证明一个参数在较长时间内受控(Cp 1.66)的之后，测量的间隔可以减少。使用. SPC，我们只集中在一些最重要的参数上。Pareto图也将帮助定义这些要测量的参数，以保持工艺稳定。X-Y坐标图显示工艺的漂移、趋势、循环模式或由于特殊原因的失控条件。在一些情况中，在失控条件实际发生之前可以采取预防性措施。排气与温度条件整个工艺已经随着无铅合金的引入而改变。在机器的所有模块中温度已经升高了。对于回流焊接，得到的是更高的温区和峰值温度。对于冷却区，要求比正常更有效的冷却方法，因为峰值温度更高了。炉子要设计满足这些更高的温度，但是，在实施的这个阶段，机器温度应该验证。无铅锡膏具有和传统锡-铅配方不同的化学成分。因此，我们不得不处理其它的以不同和更高温度蒸发的残留物。热比重分析可以帮助定义在哪里和以什么温度材料可以蒸发。需要一个充分的助焊剂管理系统来控制所有残留物的清除。另外，在把该工艺实施到生产环境之前，排气与排气设定应该验证。评估可靠性应该进行可靠性试验来预测产品的寿命周期和与锡-铅工艺的标准比较数据。剪切、拉力和温度循环试验得到有关无铅焊接点强度的更多结论。截面图将显示金属间化合层与增长的厚度，这也是与可靠性有关的。工艺发放用以实施现在我们已经到达实施阶段的下一个里程碑。一旦所有条件都已满足，我们可以得到如下结果：. 工艺是稳定的和可重复的. 机器情况是受控的. 焊接点品质和可靠性是在规格之内的. 成本还是可以接受的。因此，该工艺可以发放用于实施。到目前为止，试验已经在独立的机器、或实验室或演示室的机器、或在停机其间的生产线机器上进行。下一个步骤是将该技术转移到生产线。可是，在开始生产之前，许多工作还要去做。这些工作包括：工程时间计划表、品质问题、失控行动计划(OCAP)、和操作员培训。工程时间计划表为所有实施行动创建一个时间表。这个时间表将结合考虑采购材料和必要的机器配件、组织人员和材料以作调整、写出规程和. OCAP、以及培训操作员和工程师。品质问题(波峰焊接)锡锅中的焊锡在较长期生产之后会污染。试着建立合金最大允许污染的规格。客户规格或来自研究机构的指引可帮助定义在你的工艺中最大允许的合金元素百分比。在一些无铅工艺中，这些限制在. 20,000块板之后就超出了，这样一来就要换锡了，造成成本很高。失控行动计划(OCAP)由于特殊原因变量干扰的一个工艺将在. X-Y坐标图上显现出来。多数操作员都训练有素，很快看出这种不稳定。当操作员控制工艺的稳定性时，快速反馈是可能的。迅速反馈对尽可能减小对产品的影响是必须的。为了保持工艺稳定，需要采取以下步骤：. 定期测量参数. . 在每次测量后验证工艺是否还是稳定的. . 如果工艺是稳定的，则可继续无须行动；如果不是，则按照. OCAP确定不稳定的原因。操作员培训生产线操作员应该为新的工艺作准备。他们的培训应该包括对新机器选项的工作指示、不同的参数设定(来自. Taguchi试验的经验)、焊接点形状的改变、色泽与其它品质问题。操作员应该培训怎样使用. SPC图表和怎样处理. OCAP。结论有了. Taguchi实验的分析与数据，我们能够设计一个稳定的、无铅焊接工艺。在产品的第一批焊接之后，如果产品品质可以接受，工艺稳定的话，可以将该工艺发放用于实施。. Bibliography . DeKlein, F.J. (1998). Statistical Process Control for Soldering. Oosterhout, The Netherlands: Vitronics Soltec. . Hall, W.J. (2000). Cooling Parameters in Reflow Soldering. Stratham, NH; Vitronics Soltec Corp. . Kelly, B., and Weigerber, J. (2000). Step-by-Step SMT Process Control. SMT 2000 . Rooks, B. (2000). Robust Reflow Profile Design . Suraski, D. Reflow Profiling, The Benefits of Implementing a Ramp-to-Spike Profile. AIM. Gerjan Diepstraten is a senior process engineer with Vitronics Soltec BV in The Netherlands; e-mail: . (A 06/21/2001) 无铅焊接：如何确定工艺. By Gerjan Diepstraten本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺.。开发一套有效的方法既然生产线中的无铅焊接即将来临，那么我们应该开发出一套有效的方法，来决定正确的工艺设定。无铅焊接不仅仅是以另一种合金来取代一种合金，不存在“插入式”的取代。一种新材料的引入影响着整个工艺，因此，所有机器设定都必须再检查。在回流焊接中，目标是要满足或再现锡膏的正确设定，保持在元件和电路板材料的规格之内。我们面临的挑战是使用现在生产中使用的机器并保持现有的产量，来达到这个目标。为了实现这个目标，机器应该具有良好的热传导特性和均匀性(板上的温度差别小)。大多数今天的热风/氮气对流炉能够焊接无铅合金。可是，红外灯的炉子将很可能需要取代，因为板上的加热均匀性能差和温度差别大。对于波峰焊接工艺，转变到无铅也将影响大多数机器参数。对于这个工艺，目标是在与无挥发性有机化合物(VOC, volatile organic compound)的水基助焊剂的结合中实施无铅合金(消除卤化阻燃剂)，而不减低生产率或产量。我们必须设计一个适当的试验来决定是否计划中的生产设备可以接纳转换到无铅焊接的目标。DOE(Design of experiment, 试验设计方法)，特别是. Taguchi方法，提供一个调查设备能力的有效方法。通过学习和使用该技术，可以大大减少试验研究所要求的时间。设计一个有效的试验Taguchi试验优化产品/设备的设计，以最经济的方式使得性能对变量的不同原因敏感性最小，而不实际上消除这些原因。包括了研究开发、制造和运作的成本。Taguchi试验是基于正态阵列，它减少试验运行的次数。一个. Taguchi试验的设计是非常重要的，因为结果的质量取决于一个适当的准备。这个准备要求仔细的计划、审慎的试验布局和输出数据的专家分析。试验以一个集思广益的会议开始，邀请来自不同部门(设计、运作、品质和制造)的雇员参加。所有个人都应该对焊接有第一手资料。每个成员在所有必须由这个小组所作的选择中都有一个投票权。因此，小组成员数量应该是奇数。小组的工作是列出问题。目标是要通过确定设计因素的最佳结合，以尽可能最高的品质和可能获得的最好性能实现无铅焊接。第一步是要列出控制因素，或者那些将对焊接品质有主要影响的参数，或者可以控制的输入。对于波峰焊接，控制因素的例子包括助焊剂数量、预热设定、传送带速度和焊锡温度。在回流焊接中，控制因素可能包括氮气的使用、传送带速度和保温与峰值区的温度设定。助焊剂类型和板的表面涂层是受控的输入因素的例子。如果在这些因素的有些之间出现相互影响，那么它们也应该列出。每个小组成员分别按照其对于影响输出品质的重要性的次序排列这些因素。噪音因素是那些影响变化、但又或者不可能控制或者控制成本太高的工艺或产品因素。例子有板的质量、空气温度和湿度。当必须量化一个设计的稳定性时，这些因素可以集中到一个试验中，以一个所谓的外部阵列。现在，必须选择试验的方式。Taguchi方法使用正交阵列，这些是可以用同时变化的因素填充的严格定义的矩阵。每个因素的每个级别按照每个因素级别的每个级别测试相同的次数。正交阵列和将选作试验的重复次数取决于成本、时间和现有的材料。有许多矩阵可用；例如，L4(2 3)，它代表4(次运行)、2(个级别)和. 3(个因素)；L8(2 7)、L9(3 4)、L12(2 11)和几个. L18变量。现在选择运行次数(有正交阵列决定)和重复次数，变化因素的级别也必须定义。小组在这一步应该大胆一点，因为在这类试验中的主要目的是要看到变化。如果品质差别没有看到，那么该小组还不够大胆，或者甚至更差，所选择的控制因素不能影响品质。品质特征和方法输出特征(反应数据)允许试验运行的结果被量化。这些特征将表示是否该产品按照品质规格焊接的，或者是否焊点质量差。对来自该工艺的焊接缺陷的. Pareto分析可以提供在输出特征选择中的良好输入。可是，应该清楚，无铅焊接将有一些特殊的品质问题，如焊角升起、空洞和锡球。因为无铅焊接温度比锡/铅更接近于熔点，孔的填充和可靠性也必须量化。无铅焊接试验做一个实际的试验来显示. Taguchi分析法可以怎样应用。对于这个试验，小组决定在一个基本的波峰焊接机上做这个焊接，使用一个. L8阵列，重复三次运行(图一)。在外部阵列中，测试了两种助焊剂。这个试验结果总共. 48次运行：八次对. L8运行，三次重复和两次对外部阵列(表一)。表一、试验方案L8 正交矩阵级别. 2 265 -关. 4.3 -关最大. -高. -NiAu 选择锡/银/铜(SnAgCu)合金来焊接。使用了两种无. VOC的水基助焊剂，预热温度由助焊剂规格决定。波峰焊机装备有一个主波和一个Smart波。Smart波有一根六角形轴在波中转动，因此产生波上的紊流。其结果是较高的焊锡垂直力，提供更好的通孔渗透。图一、在波峰焊机内的测试. PCB使用了. 1.6mm的. FR-4板。总共，装配了. 14个插针连接器(280个插针，等于. 280个潜在的锡桥)。输出特性在这个试验中，研究了通孔渗透和插针之间的桥接问题。因为使用无铅合金的通孔填锡更加困难(图二)，应该将那些可以帮助焊锡流动到通孔顶部的变量进行量化。可能帮助这个响应因子的变量是接触时间、氮气、助焊剂、板面涂层和焊锡温度。焊锡温度限制到. 265C，以防止板的弯曲。图二、部分充满的通孔例子较早的试验显示，在桥接、助焊剂和预热设定之间的关系中，预热起主要的作用。太高的预热设定可能使助焊剂活性剂不稳定，因而造成在波峰出口处缺乏助焊剂，使得氧化物产生桥接。为了避免这种情况，不能超过如助焊剂供应商所规定的板顶面最高温度。分析数据在表二中列出了填充差的通孔数量。使用助焊剂. A的第七次运行得出最好的结果，4,000多个通孔中只有四个对. SnAgCu焊锡的填充效果差。表二、通孔渗透结果外部矩阵助焊剂. B 锡锅温度 氮气 接触时间 Smart 波 预热温度 助焊剂数量 板面涂层 A B C A B C 1 1 1 1 1 1 1 1 26 23 2 0 22 71 2 1 1 1 2 2 2 2 5 18 28 38 60 71 3 1 2 2 1 1 2 2 9 10 30 4 1 0 4 1 2 2 2 2 1 1 87 58 51 36 29 38 5 2 1 2 1 2 1 2 5 8 0 33 80 26 6 2 1 2 2 1 2 1 7 0 11 8 3 6 7 2 2 1 1 2 2 1 4 0 0 5 14 17 8 2 2 1 2 1 1 2 72 86 77 61 79 79 表三、锡桥的结果 因素 外部矩阵 运行 A B C D E F G 助焊剂A 助焊剂B 锡锅温度 氮气 接触时间 Smart 波 预热温度 助焊剂数量 板面涂层 A B C A B C 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 6 0 2 1 1 1 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 3 1 2 2 1 1 2 2 0 0 0 5 8 8 4 1 2 2 2 2 1 1 0 2 3 52 106 120 5 2 1 2 1 2 1 2 0 0 0 0 0 0 6 2 1 2 2 1 2 1 0 0 0 0 0 0 7 2 2 1 1 2 2 1 0 0 0 0 12 4 8 2 2 1 2 1 1 2 8 4 0 0 70 0 表三列出锡桥的数量。几次运行没有锡桥，而用助焊剂B 的第四次运行显示278 个插针有锡桥。通孔填充是用Anova 软件进行评估的(表四)； 列显示各因素对通孔填充影响的百分比， 是根源贡献收益率( 等于根源纯变量 S 除以标准偏差)。 表四、通孔渗透的Anova 分析结果 根源 DF 根源自由度f S 根源偏差 V 根源变量1 F 根源变化率2 S根源纯变量3 ?(%) A 锡锅温度 1 44 44 11 40 0.1 B 氮气 1 1,704 1,704 417 1,700 4.3 C 接触时间 1 2,241 2,241 549 2,237 5.7 D Smart 波 1 7,701 7,701 1,886 7,697 19.6 合并. 26.8 6.6 1.3 16.8 18.3 0.5 1. V = S/f, 2. F = V/Ve, Ve是合并变量, 3. S = S - Ve x f表五、锡桥的. Anova分析结果. ? (%) 6.0 8.1 5.4 4.7 5.0 5.2 5.5 7.0 38.1合并. 15.1 1. V = S/f, 2. F = V/Ve, Ve是合并变量, 3. S = S - Ve x f助焊剂量对通孔填充有最大的影响。这个结论是有意义的，因为如果没有助焊剂在孔内，焊锡不会流进去。另一个有趣的结果是. Smart波的影响几乎达到. 20%。焊锡温度没有影响，可能由于差别太小(10C，不够大胆)。Anova软件也用于评估锡桥(表五)。列的值显示所有因素都或多或少对锡桥有影响。正如所预计的，氮气和助焊剂是主要因素。如果没有强助焊剂出现，锡桥将出现在焊接表面氧化的地方。图三描述对通孔渗透的分析；数值越小越好。得到良好的通孔充锡的最佳设定是：. A1/A2 -焊锡温度：没有最好，选择最经济的值. B1 -氮气，开. C2 -接触时间：4.3 秒. D1 - Smart 波，开. E1/E2 -预热温度：没有最好，选择最经济的值. F2 -助焊剂量：较多助焊剂. G1 -板面涂层：有机可焊性保护(OSP) N1 -助焊剂类型. A图四描述了锡桥分析；同样，越小越好。没有锡桥发生的最佳设定是：. A2 -焊锡温度：265C B1 -氮气，开. C1 -接触时间：2.3秒. D1 - Smart波，开. E1 -预热温度：低. F2 -助焊剂量：较多. G2 -板面涂层：镍/金(NiAu) N1 -助焊剂类型. A 图四、锡桥的均值分析图三、通孔渗透的均值分析结论试验结果揭示，265C是首选的焊锡温度。对. SnAgCu使用氮气是有意义的，因为它减少锡碴的形成，也减少焊接失效。最佳的结果在接触时间较长时得到。这样，通孔填充更好，除非板上的助焊剂不够，否则不发生锡桥。该试验也证明，Smart波可以达到较好的焊接质量。预热温度是不太重要的，只要跟随规定。这个结果是一个优点，因为板上较大的温度差别不会对通孔充锡和锡桥造成太大的影响。也使用了较小的助焊剂数量，但是试验显示这个方法不可行。板面涂层也可以讨论，从成本的角度，OSP最佳。该数据不可能正好适合于每一个波峰焊接工艺。可是，数据进一步证实有关氮气、Smart波和接触时间的理论，以及其它有关工艺问题。还可以进行验证运行。这次另外的运行使用最佳的参数设定，它将揭示最终结果的质量。验证运行应该与软件预测进行比较，以决定是否该试验设定正确。如果验证运行不符合预测，应该考虑产生差别的原因；这些原因可能是相互影响，或者不是本试验中的因素。. Gerjan Diepstraten is a senior process engineer with Vitronics Soltec BV in The Netherlands; e-mail: . (A 06/14/2001) 无铅合金波峰焊接的温度选择. By Al Schneider, Sanju Arora and Bin Mo本文介绍一种湿润平衡测试方法，它为几种具有典型的低固、免洗助焊剂的无嵌合金建立最佳的波峰焊接温度。湿润平衡(wetting balance)早就是一种有用的评估焊锡湿润特性的实验室试验，用它来预测在生产场所的印制板装配工艺中的情况。这里要求三种材料来进行湿润平衡的测量：基板、助焊剂和焊锡。因此，对这个湿润平衡试验有三个主要方面。基板可以是印刷电路板表面上的一块金属面积、一个电子元件的引脚或端子。湿润平衡试验使用来评估金属表面的可焊性。试验程序在. IPC J标准-002和-003中有详细规定。湿润平衡试验也可以用作评估替代焊接助焊剂成分的湿润效果的筛选工具。最近，湿润平衡被用来评估几种替代焊锡合金，特别是无铅焊锡的湿润特性。这个试验是对无铅回流焊接与波峰焊接广泛研究的一部分，其目的是要评估材料的兼容性、可焊性和焊接点的质量。该研究包括了各种混合的合金、焊接助焊剂、锡膏、板的表面涂层、表面贴装与通孔元件和一块专门设计的试验板。选择了湿润平衡仪器来决定适当的锡炉温度，以适合各种用于本研究波峰焊接阶段中的无铅合金。湿润平衡试验方法这里评估了五种无铅焊锡合金，包括锡与银和铜的二元合金、锡/银/铜的三元合金和锡/银/铜与铋和锑的四元合金。本研究中也包括了共晶的锡/铅焊锡，用作比较。评估的专门合金及其熔化范围如表一所示。表一、试验的合金熔化温度范围内. 183C 227C 221C 217218C 214218C 210216C 1. 美国专利#4,879,096 2. 美国专利#5,405,577试验基板试验基板是尺寸为1.0x0.5厚度0.005的铜试样，该试样按照标准IPC-TM-650符合ISO 1634-CU-ETP 条件 HA。该试样是按如下预清洗的：. 在沸腾的异丙醇中去脂. 用铜表面调节剂去氧化物在纯水中冲刷. 最后在异丙醇中冲刷湿润平衡试验是用刚清洁的试样和在. 100C下氧化一小时的干净试样进行的。试验参数焊锡湿润测试是使用一部湿润平衡测试仪进行的。该仪器的锡锅连续地装满要试验的每一种合金。把试样浸入一种低固免洗的试验助焊剂内达到. 0.1的深度。然后试样都悬空在锡锅之上. 0.1预热五秒钟。试样浸入与从助焊剂和焊锡中抽出的速度都是每秒一英寸。被氧化和未被氧化的铜试样都是使用该助焊剂。试验是使用一个范围的锡锅温度进行的。每个焊锡合金、锡锅温度和试样表面条件的组合使用了十五个试样。试验结果每个湿润平衡试验记录两组测试：湿润时间和湿润力。记录的湿润时间是要求穿过零湿润力轴的时间，单位为秒。希望得到短的湿润时间。记录的湿润力是最终的湿润力，单位为 N/mm。希望得到大的湿润力。从本研究获得的湿润平衡结果在图. 14中介绍。每个数据点代表. 15个读数的平均值。试验数据中的标准偏差对每个试验条件都是低的。图一、每种合金的湿润时间，使用试验助焊剂和干净铜图二、每种合金的湿润力，使用试验助焊剂和干净铜图三、每种合金的湿润力，使用试验助焊剂和受氧化的铜图四、每种合金的湿润力，使用试验助焊剂和受氧化的铜图一和二表示使用干净(不被氧化的)铜的每种试验合金和试验助焊剂的湿润时间和湿润力结果。图三和四表示使用被氧化的铜的每种试验合金和试验助焊剂的湿润时间和湿润力结果。结果显示，271C似乎是当使用低固、免洗松香型助焊剂时对于这些无铅合金的合适的锡锅温度。对于干净的铜和低固助焊剂，湿润时间一般对无铅合金减少，直到达到. 271C，然后湿润时间平稳或者随着温度升高而稍微增加。类似地，湿润力一般增加到. 271C，然后平稳或者随着温度升高而稍微减少。二相与三相的锡、银和铜合金产生比四相合金和锡/铅合金较快的湿润时间和较高的湿润力。锡/铜合金要求最低的. 260C温度来获得正向的湿润力。四元合金要求最低. 249C的温度来获得正向湿润。锡/银和锡/银/铜合金在最低. 232C的温度获得正向湿润，和锡/铅对照焊锡一样。对于受氧化的铜和低固助焊剂，不同合金的结果更加靠近。对于受氧化的铜基板，271C的锡锅温度一般比较低的温度得到较好的结果。可是，一些合金在最大. 277C的试验温度时或多或少地得到较好的结果。二元和三元的锡、银、铜合金对于干净的铜比氧化的铜产生稍微较快的湿润时间和稍微较高的湿润力。这个结果是预计到的；氧化的铜较难在冶金的意义上与焊锡湿润。尽管如此，对于四元合金和锡/铅对照样品，该趋势刚好相反。它们实际上对受氧化的铜比对干净的铜产生稍微较好的湿润平衡结果。结论湿润平衡试验表明，当使用一种低固、免洗松香型助焊剂时，对于所评估的无铅合金，271C是一个适当的锡锅温度。锡/银、锡/铜和锡/银/铜合金一般产生最快的湿润时间和最大的湿润力。各无铅合金与锡锅温度的适合性必须在实际的波峰焊接工艺评估中确认，该工艺要使用到通孔与表面贴装电子元件的印刷电路板。. Bibliography 1. Bastecki, C. (1997). A Benchmark Process For The Lead-Free Assembly of Mixed Technology PCBs, Alpha Metals publication. 2. IPC. (Nov. 2000). IPC/ANSI J-STD-006A, Proposal, Appendix A Solder Alloys, Table A-1 Composition, and Temperature Characteristics of Lead-free Solder Alloys. 3. IPC. (Oct. 1998). IPC/EIA J-STD-002A, Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires. 4. IPC. (Apr. 1992). IPC/EIA J-STD-003, Solderability Tests for Printed Boards. 5. IPC. IPC-TM-650, Test Methods Manual. Number . Smelik, G. Internal communications. Cookson Performance Solutions. 6. Zarrow, P. (1999). Lead-free: Dont fight a fact, deal with it! Circuits Assembly, pp. 18-20. Al Schneider is director of pastes and chemicals R&D, Sanju Arora is manager of chemical R&D, and Bin Mo is a development chemist, all with the Central Research Center of Alpha-Fry Technologies, Jersey City, NJ; e-mail: . (A 06/12/2001) 清洁度的规范. By Terry Munson本文介绍，新的设计、元件的敏感性和松香与溶剂清洗的消除，已经迫使采用新的清洁度检测方法。历史上，生产场所的清洁度测试一直是使用那些利用. IPC测试方法. 2.3.25，即溶剂浸出液的电阻率（ROSE, resistivity of solvent extract）的设备进行的。这些工具是在松香助焊剂与溶液清洗的时代开发出来的，它允许工艺残留物的表面提取，并且通过一个标准的导电率探头，在暴露给提取溶剂. 1015分钟之后，进行导电率的一般测量。这种设备允许尺寸范围较大的板放在一个大桶（提取单元）内，桶内有异丙醇（IPA， isopropyl alcohol）和纯水（DI, deionized）。然后将75%的异丙醇和25%的纯水溶液温和的加热，在某种系统中喷雾，经过浸泡的装配表面进行循环。测试方法：过去与现在的比较典型地，50,000ml 的溶液对一块表面积为. 100平方英寸或更小的板是足够的。导电率的测量则转换成一个当量数，单位表面积上的氯化钠当量。最后，得出清洁度值。在该技术刚出现的时候，工业没有经历大量的电迁移短路或者由于漏电造成的失效。新的电路设计、元件的敏感性和松香与溶剂清洁的取消给电子工业带来极大的挑战。使用今天的助焊剂技术，人们必须理解前面所提到的工具所报告的值。什么是清洁？什么是脏？1996年IPC与美国海军的一项联合研究（RR0013）作出结论，在所有的现有测试设备中不能有任何的计算，也不能将清洁度水平与电气性能关联在一起。这些工具被标记为变化总水平的工艺指示器，但不作为一个真正的清洁度测量方法。清洗还是不清洗？几个月前，我完成了一项将传统的松香适度激化(RMA, rosin mildly activated)的助焊剂与新的免洗技术进行比较的研究。我的评估使用了IPC B24板，这是一块在一面有铜迹线的热风焊锡均匀(HASL, hot airsolder leveling)表面涂层的. FR-4板。将一组试样在皂化水（纯水）的在线清洁机内清洗，然后使用下面其中一种助焊剂进行波峰焊接：1)免洗液体助焊剂(2.5%的固体)，没有清洗，2)RMA助焊剂(25%固体)，用甲醇共沸混合物(氟利昂)清洗。免洗的空板装配使用清洗和不清洗两种条件。RMA助焊剂的板只使用了不清洗的空板。经过清洗的空板显示低离子残留水平(氯化物)，并通过表面绝缘电阻率(SIR, surface insulation resistance)测试，在整个测试中与高电阻率水平表现良好。那些经过免洗助焊焊接的板显示电气失效，96小时的记录，再也没有恢复。这些板也显示出多处腐蚀点和树枝状结晶的增长，伴随在板的许多区域出现白色残留物。免洗助焊焊接的板没有出现腐蚀点，没有金属迁移，没有白色残留物，并且电气性能良好。经过. RMA助焊和溶液清洗的板显示良好的电气性能，没有腐蚀或金属迁移的迹象。许多白色区域出现在板的表面，意味着潮湿与松香反应。标准的. ROSE测试显示对. RMA助焊剂的可接受水平，但是离子色谱分析法(IC, ion chromatography)发现非常高的氯化物水平，这是由于. RMA助焊剂中活性剂的缘故。这种水平证明，为了得到良好的电气性能，必须有大量的松香将残留物包围住。ROSE测试对失效的免清洗装配显示可接受水平，对通过的免洗与RMA装配显示不可接受水平。结论前面的试验支持这个观点：ROSE测试仪是工艺控制的工具，但不是清洁度可靠的测量方法。因此，ROSE测试仪不是一个预测在提高的湿度条件下电气性能的有效工具。现在的清洁度水平应该是基于使用者收集数据和将数据比较现场性能与. ESS测试条件的能力。目前，理解清洁度的最好方法是将整个工艺基于表面绝缘电阻，定期地审查工艺，比较现场使用性能，并用. ROSE测试仪来确认工艺中的较大变化。. Terry Munson is with Contamination Studies Laboratory (CSL), Kokomo, IN; (765) 457-8095; e-mail: R ; Web page: / 回流焊接工艺的经典. PCB温度曲线. By Andy Becker and Marc C. Apell本文介绍对于回流焊接工艺的经典的. PCB温度曲线作图方法，分析了两种最常见的回流焊接温度曲线类型：保温型和帐篷型.。经典印刷电路板(PCB)的温度曲线(profile)作图，涉及将. PCB装配上的热电偶连接到数据记录曲线仪上，并把整个装配从回流焊接炉中通过。作温度曲线有两个主要的目的：1) 为给定的PCB装配确定正确的工艺设定，2) 检验工艺的连续性，以保证可重复的结果。通过观察. PCB在回流焊接炉中经过的实际温度(温度曲线)，可以检验和/或纠正炉的设定，以达到最终产品的最佳品质。经典的. PCB温度曲线将保证最终. PCB装配的最佳的、持续的质量，实际上降低. PCB的报废率，提高. PCB的生产率和合格率，并且改善整体的获利能力。回流工艺在回流工艺过程中，在炉子内的加热将装配带到适当的焊接温度，而不损伤产品。为了检验回流焊接工艺过程，人们使用一个作温度曲线的设备来确定工艺设定。温度曲线是每个传感器在经过加热过程时的时间与温度的可视数据集合。通过观察这条曲线，你可以视觉上准确地看出多少能量施加在产品上，能量施加哪里。温度曲线允许操作员作适当的改变，以优化回流工艺过程。一个典型的温度曲线包含几个不同的阶段. -初试的升温(ramp)、保温(soak)、向回流形成峰值温度(spike to reflow)、回流(reflow)和产品的冷却(cooling)。作为一般原则，所希望的温度坡度是在. 24C范围内，以防止由于加热或冷却太快对板和/或元件所造成的损害。在产品的加热期间，许多因素可能影响装配的品质。最初的升温是当产品进入炉子时的一个快速的温度上升。目的是要将锡膏带到开始焊锡激化所希望的保温温度。最理想的保温温度是刚好在锡膏材料的熔点之下. -对于共晶焊锡为. 183C，保温时间在. 3090秒之间。保温区有两个用途：1) 将板、元件和材料带到一个均匀的温度，接近锡膏的熔点，允许较容易地转变到回流区，2) 激化装配上的助焊剂。在保温温度，激化的助焊剂开始清除焊盘与引脚的氧化物的过程，留下焊锡可以附着的清洁表面。向回流形成峰值温度是另一个转变，在此期间，装配的温度上升到焊锡熔点之上，锡膏变成液态。一旦锡膏在熔点之上，装配进入回流区，通常叫做液态以上时间(TAL, time above liquidous)。回流区时炉子内的关键阶段，因为装配上的温度梯度必须最小，TAL必须保持在锡膏制造商所规定的参数之内。产品的峰值温度也是在这个阶段达到的. -装配达到炉内的最高温度。必须小心的是，不要超过板上任何温度敏感元件的最高温度和加热速率。例如，一个典型的钽电容具有的最高温度为. 230C。理想地，装配上所有的点应该同时、同速率达到相同的峰值温度，以保证所有零件在炉内经历相同的环境。在回流区之后，产品冷却，固化焊点，将装配为后面的工序准备。控制冷却速度也是关键的，冷却太快可能损坏装配，冷却太慢将增加. TAL，可能造成脆弱的焊点。在回流焊接工艺中使用两种常见类型的温度曲线，它们通常叫做保温型(soak)和帐篷型(tent)温度曲线。在保温型曲线中(图一)，如前面所讲到的，装配在一段时间内经历相同的温度。帐篷型温度曲线(图二)是一个连续的温度上升，从装配进入炉子开始，直到装配达到所希望的峰值温度。图一、典型的保温型温度曲线 图二、典型的帐篷型温度曲线所希望的温度曲线将基于装配制造中使用的锡膏类型而不同。取决于锡膏化学组成，制造商将建议最佳的温度曲线，以达到最高的性能。温度曲线的信息可以通过联系锡膏制造商得到。最常见的配方类型包括水溶性(OA)、松香适度激化型(RMA, rosin mildly activated)和免洗型(no-clean)锡膏。温度曲线的机制经典的 PCB温度曲线系统元件一个经典的. PCB温度曲线系统由以下元件组成：. . 数据收集曲线仪，它从炉子中间经过，从. PCB收集温度信息。. . 热电偶，它附着在. PCB上的关键元件，然后连接到随行的曲线仪上。. . 隔热保护，它保护曲线仪被炉子加热。. . 软件程序，它允许收集到的数据以一个格式观看，迅速确定焊接结果和/或在失控恶劣影响最终PCB产品之前找到失控的趋势。热电偶(Thermalcouples)在电子工业中最常使用的是. K型热电偶。有各种技术将热电偶附着于. PCB的元件上。使用的方法决定于正在处理的. PCB类型，以及使用者的偏爱。热电偶附着高温焊锡，它提供很强的连接到. PCB。这个方法通常用于可以为作曲线和检验工艺而牺牲一块专门的参考板的运作。应该注意的是保证最小的锡量，以避免影响曲线。胶剂，可用来将热电偶固定在. PCB上。胶剂的使用通常得到热电偶对装配的刚性物理连接。缺点包括胶剂可能在加热过程中失效的可能性、作完曲线后取下时在装配上留下残留物。还有，应该注意使用最小的胶量，因为增加热质量可能影响温度