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焊接技术资料324015080由焊接连接的金属金字塔的发现证明这个技术并不是现代才有的。事实上，考古发掘的金属工具与器具证明焊接的基本技术甚至在史前时代就已被认识。可是，这种工艺形式只是在上个世纪才进步到科学的状态。焊接转变成为复杂的生产技术可追溯到四十年代后期印刷电路板(PCB)的广泛使用。随后波峰焊接机器的发明打开了多板组合的批量焊接途径，消除了成本高得多的对装配的手工处理，提供了对不断增长的产量需求作出反应的方法。表面贴装技术的兴起，对负责改进由电镀通孔技术所建立的数量与质量的工程师提出了独特的挑战。转向SMT的原因是要保证电子生产的崇高目标：更小的尺寸和更低的成本。可是，要做到这些需要一个完整的新的批量焊接方法。它涉及替代材料形式(锡膏)的创造，用于焊接点形成的在线(批量)设备的发明，以及这些技术发展与应用的一整套新的原则。自从六十年代，对焊接技术的狂热的发明创新活动，在高产量电子生产形成规范之前的那些年，与其工艺的相对静止状态形成鲜明的对比。尽管这样，步伐还是没有放慢。在材料技术与设备技术中，创新保持主流，以至于生产工程师很难保持其生产线在一个完美的状态。下面回顾一下在材料和工艺技术中的一些最近的发展。材料 建议转向Sn62锡膏的使用，作为解决Sn63/Pb37熔化时高表面张力问题的解决方案，因为该材料是J形引脚元件高品质焊接点的障碍。还有，由于惰性(利用氮气)环境趋向于增加表面张力，因此由J形引脚的边缘共面性所引起的开路类型的缺陷可以通过Sn62锡膏在空气环境里来防止。如果装配上翅形引脚元件占大多数，锡桥是一个问题，那么希望表面张力大一点，Sn63锡膏的保持力和非氧化气氛可使熔化的锡被“拉”回到引脚上。 杜帮公司介绍了一种新的、温柔的氢氟碳(HFC,hydrofluorocarbon)去助焊剂的介质，用于清除残留松香和由较新的低固(免洗)助焊剂与锡膏留下的离子污染。由HFC43-10、反式1, 2二氯乙烯(trans 1,2-dichloroethylene)、环戊烷(cyclopentane)、甲醇(methanol)和稳定剂(stabilizer)组成的溶剂，与许多塑料、共形涂层和元件标记墨水都兼容。据说，添加这种很温柔的碳水化合物，减少那些更具侵蚀性的残留物的集中，同时具有零臭氧损耗、低全球警告与低毒性特征，不可燃烧。 开发出一种免洗锡膏，使用的是有机金属熬合(organo-metallicchelation)的化学品，dendrimerpolymer作催化剂。据说，这种化合物是即可代用的材料，提供良好的化学、物理与冶金特性，用于延长锡膏粘性寿命和改善印刷特性。该锡膏叫做NC-559，由两部分组成：合成松香和催化剂系统。催化剂已暂停在溶剂中使用，因为其据有较高的极性吸引聚合物网，在回流焊接过程中，与被消耗的聚合物一起使得不能形成恒沸物质。挥发性的部分与被消耗的一部催化剂系统一起被带走。回流焊后的残留物，和传统的免洗锡膏比较，是非腐蚀性的、非导电的和不吸湿的。其结果一种坚硬、清洁、非粘性和化学上良性的表面，而不是那些可能造成回流焊后残留物中离子污染的离子或极性物质。 在刚好及时(JIT,just-in-time)制造的时代，为了良好的可焊性控制，对空板的库存可能比实际的大一点，尽管成本考虑要求大批量的采购。为了防止仓库储存的板在焊盘上积累氧化的趋向，装配制造商被迫在一个适当的时间内组装和焊接电路板，这个步骤有赖于良好的生意状况。因此，重要的是，SMT装配线的工艺工程师与采购及管理人员一起工作，来决定空板的安全储存寿命。可焊性测试可以决定这个期限是多少，以便确保高合格率装配制造的最重要的一环 在焊接之前免使板受到污染。 对密脚元件的最终贴装，在空板上载运固体焊锡沉淀(SSD, solid solderdeposit)是一种达到6，和无缺陷工艺的新方法。该技术使用一种干胶片(dry-film)阻焊材料，在元件焊盘上提供正确长度、宽度和间距的开孔，来接纳锡膏。在回流之后，板通过清洗，沉淀变平成为锡“砖”，因此引脚可坐落而没有滑动(图一)。通过丝印过程，将松香基的、粘性胶状的助焊剂印在焊盘上，板送给装配制造商准备元件贴装。另一方面，如果用聚脂薄膜覆盖，板可储存达到一年的时间，并还保持良好的可焊性。 无铅焊锡怎样保证焊接点的品质？将镍/钯和镍/钯/金的无铅焊锡回流性能与那些传统的Sn/Pb材料比较，对可替代合金进行评估。测试包括接触角、引脚拉伸、温度循环、截面(对断裂)和熔湿平衡。虽然只发现熔湿平衡的轻微改进(还有金层的增加成本)，总的来看，在焊接点成型品质方面，替代合金相当于或超过锡/铅焊锡的性能。工艺过程 连续的焊锡喷射是模仿计算机喷墨打印的锡膏沉淀技术。以“连续的方式”，这样的系统据说可这样的系统每秒钟发出3,000个锡球。涉及的控制因素包括：焊锡冶金、机械运动控制、温度、和惰性气体成分与流动等(图二)。系统工作按照有关液体沉淀的物理学的基本规律，但是通过增加机械振动来达到可重复性。焊锡池的持续的“扰动”是通过压电传感器在焊锡流中产生正弦波动，产生0.0040.012的焊锡“滴”。波动越快，焊锡流分离焊锡滴也越快。焊锡滴在Y轴上的偏斜和电路板在X轴上的运动在电路板上产生精确的沉淀分布。应用包括为CSP产生焊锡球、为直接芯片贴附(DCA,direct-chip-attach)座准备的覆层、超密脚的焊锡沉淀和倒装芯片(flip chip)的晶片成块。 高品质、低缺陷焊接要求最佳的温度曲线来回流锡膏，并保持它。焊锡回流是在回流区完成的，这里锡膏加热到比其熔化点更高的温度。对Sn63/Pb37共晶焊锡，液化温度为183C，必须超过大约20C以保证回流品质。如果产品温度曲线不维持在控制范围内，则会产生缺陷。表一显示了一些不适当曲线产生的问题和原因。按照Dr. Jennie S.Hwang，基于较慢加热和较冷温度的回流温度曲线将更符合今天的复杂装配和锡膏配方。减少过程中的热损伤将降低残留应力和诸如元件包装破裂(“爆米花”, popcorning)、板弯曲和板起层的问题。 表一、焊锡回流曲线的问题分析问题 可能的原因片电容破裂 预热区过快的升温速率锡球 回流前不完全干燥、过高的干燥温度、不适当的气体(N2、空气)冷焊点 回流区时间不足焊锡对引脚不熔湿 干燥时间过长引起助焊剂失效、回流温度过高/时间过长引起氧化焊锡没熔焊盘 由于过分的空气流动，引脚加热比板快元件/板烧伤 过高的回流温度 使用全过程惰性化的波峰焊接方法是针对锡渣积累的问题。看使用的专门技术而定，气体的消耗可能不比单独对焊锡波峰惰性化所要求的多很多。这是因为该技术利用了本来要在处理了波峰后排出的氮气，而把它指向了过程的其余部分。“全通道”惰性化机器，通过连续的氮气净化使整个过程受益。其它优点包括锡渣的实际消除，通过低氧化预热保护了有机焊锡保护处理的PCB，以及支持了要求有效惰性化来防止氧化的无铅替代焊锡合金。 从焊锡回流工艺得到最好的效果，也许只是挑战传统智慧原则的问题。例如，“理想的”曲线特征是每秒24C的坡度，达到大约150C的3090秒的居留区间。虽然该曲线适合大多数的应用，但当使用的是免洗锡膏时，该设定一般不适合。现在更频繁使用的免洗锡膏要求的曲线没有居留区间，而当使用直线的坡度或“帐顶形”曲线时，反应出改良的效果。对活性助焊剂较少的免洗锡膏，过多的居留时间只会使助焊剂在回流之前耗尽。帐顶形曲线的第二个优点是，通过减少原来居留区间需要的时间，加速回流过程，减少了对炉的占用。产量平均增加2025%。另一个“传统的”原则 避免双面板的回流，因为担心元件从底面吹落 也是一个挑战。一个双面贴装的公式可以决定元件对于这类贴装的候选资格： Cg/Pa这里 C = 元件重量(g)，P =焊盘总面积(in2)(对第二面的贴装，g/in2必须小于30)例如，为了锚固大于68脚的PLCC(如，继电器，高重量/低引脚数)，大多数装配制造商使用胶剂。其它情况，可使用不同熔点的焊锡。如果底面首先用高熔点焊锡(大于183C)回流，顶面可用共晶焊锡回流(熔点=183C)。用这种步骤，底面在过第二次时将不会回流。 目前，锡球(缺陷，不是指接触点)形成的最大的一个因素是阻焊材料的类型与化学成分。太暗的阻焊材料，或许带有对锡球形成有传导作用的末道漆或不适合于BGA技术的配方，如果与免洗过程一起使用可能会形成灾难。早在九十年代初期，对阻焊材料和锡球的研究表明，粗糙的阻焊层，如在焊接过程之前刷上的，比未经处理的阻焊层引起较少的缺陷。这是因为粗糙的表面使得锡球更难附着于PCB。研究者随后开发出一种液体可感光的阻焊材料(LPISM, liquidphoto-imagablesoldermask)，使表面粗糙度增加，消除达99%的锡球，甚至在有密脚和BGA的装配中。它有几种可应用的方法：丝印、涂敷、空气喷雾和静电喷雾。回流焊接表面贴装元件现在有二十年之久了。虽然基本理论没有改变，但在元件包装和材料方面已经有进步，再加上新一代的、“对流为主(convection-dominant)”的、极大改善热传导效率的回流炉。大规模的回流焊接，特别是在对流为主的(强制对流forcedconvection)，以及激光和凝结惰性的(condensation-inert)(即汽相Vaporphase)焊接中，在可见的未来将仍然是大多数表面贴装连接工艺的首选方法。尽管如此，新的装配工艺和那些要求整个基板均匀加热、温度变化很小、高的温度传导效率的新应用技术，在促进对流为主的回流焊接的进化。无数的因素，包括增加的装配复杂性、更新的互连材料和环境考虑，结合在一起对工艺和设备提出了额外的要求。更快更经济地制造产品，这个持之以恒不断增长的要求驱动这一切的前进。焊接技术资料4氮气回流焊接的最古老动机就是前面所提到的改善表面张力的优点，通过减少缺陷而改善焊接合格率即是归功于它。其它的好处包括：较少的锡球形成、更好的熔湿、和更少的开路与锡桥。早期的SMT手册提倡密间距的连接使用氮气，这是基于科学试验得出的结论。可是，这测试是实验室的试验，即，“烧杯试验”与实际生产的关系，没有把使用氮气的成本计算在内。应该记住，在过去十五年，炉的制造商已经花了许多钱在开发(R&D)之中，来完善不漏气的气体容器。虽然当使用诸如对流为主的(convection-dominant)这类紊流空气时，不容易将气体消耗减到最小，但是有些制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消耗，已经达到非常低的氧气水平。这样做，他们已经大大地减低了使用氮气的成本。 随着连接的密度增加，过程窗口变小。在这个交接口，在有CSP(chipscale package)和倒装芯片(flip chip)的应用中使用氮气是很好的保证。 双面回流焊接人们早就认识到的SMT的一个优点是，元件可以贴装在基板的两面。可是，问题马上出现了：怎样将前面回流焊接的元件保持在反过来的一面上完好无损，如果第二面也要回流焊接？人们已经采取了无数的方法来解决这个困难： 一个方法是有胶将元件粘在板上，这个方法只用于波峰焊接无源元件(passivecomponent)、小型引脚的晶体管(SOT)和小型引脚集成电路(SOIC)。可是，这个方法涉及增加步骤和设备来滴胶和固化胶。 另一个方法是为装配的顶面和底面使用两种不同的焊锡合金，第二面的锡膏的熔点较低。 第三个方法是企图在炉内装配板的顶面和底面之间产生一个温度差。可是，由于温度差，基板Z轴方向产生的应力可能对PCB结构，包括通路孔和内层，有损耗作用。在有些应用中，虽然这种应力可能是有名无实的，但还是需要小心处理。 事实上，有更实际的解决办法。人们不要低估熔化金属的粘性能力 它远比锡膏的粘性强。 记住这一点，元件绑解的表面积越大，保持它掉落的力就越大。为了决定哪些元件可用作底面贴附与随后的“回流”，导出了一个比率，评估元件质量与引脚/元件焊盘接触面积之间的关系2： 元件重量(克)焊盘配合的总面积(平方英寸) 这里，第二面的每平方英寸克必须小于或等于30。 侵入式焊接(Intrusive Soldering)波峰焊接是一个昂贵的工艺，因为伴随着越来越多的对其废气排放的研究 这也是工业为什么要减少波峰焊接需求的一个理由。另一个理由是随着表面贴装元件(SMD)的使用，放用回流焊接传统通孔元件(特别是连接器)的兴趣越来越多。取消波峰焊接不仅经济上和制造上有好处，而且消除了一个处理中心，通过减少周期时间和占地面积使得装配线更流畅。从工艺观点来看，PCB减少一次加热过程，这一点对潜在的温度损害和金属间增长是很重要的。 侵入式焊接(即通孔回流through-holereflow、单中心回流焊接single-center reflowsoldering、引脚插入锡膏pin-in-paste，等)是一个表面贴装和通孔元件都在回流焊接系统中焊接的工艺。采用该工艺可减少波峰和手工焊接。这不是一个“插入式(drop-in)”的工艺 #151; 因为沉积的焊锡用来连接SMD和传统两种元件，控制锡量是必须的。有人用模板(stencil)来将锡膏印刷到孔内。这里，小心是很重要的，以保证插入的通孔元件引脚不会带走太多的锡膏。其它的使用者将焊锡预成型结合到工业中，来提供足够的锡量给插入的元件。可是，这是一个昂贵的选择，并且不太适合于自动过程。一个更先进的方法是调节围绕电镀通孔周围的焊盘直径与几何形状。最主要的问题是多少锡量才达到“足够的”通孔连接(以及“最佳的”锡膏沉积方法)，该工艺还处在试验阶段。侵入式焊接(Intrusivesoldering)也要求回流系统比平常多的加热能力。工艺中增加的通孔元件数量对回流系统的热传送效率的要求更高。许多混合技术装配的复杂表面几何形状要求一个很高的热传送系数，以可接受的温度差来充分地回流装配。虽然大多数对流为主的炉可胜任这个任务，在某些装配上的某些元件的热敏感性可能阻碍其通过回流焊系统。这个情况可能在使用较高熔点的无铅焊锡时，变得更富挑战性。可是，对大多数应用，侵入式焊接具有很大的吸引力，理所当然应该得到考虑。结论虽然本文重点在量的回流焊接上面，但相同的原则与惯例对其它的(选择性的)回流工艺，包括激光，都是可应用的。虽然回流焊接是一个高要求的工艺，但它不是“火箭科技” 必须控制但非常可受的。适当的设备与材料选择，以及理解主要的热、化学和冶金的工艺，将向高合格率的焊接工艺迈出一大步。 基本培训：手工焊接 本文介绍一项基本训练，手工焊接。一个牢固的焊接点要求使用一个上锡良好的、保持良好的烙铁头，温度在焊锡的液化温度之上大约100F。烙铁头上的焊锡改善来从烙铁的快速热传导，预热工件。建立良好的流动和熔湿(wetting)都要求预热。具有良好可焊性特征的焊盘、孔和元件引脚将有助于在最短的时间内形成良好的焊接点。在升高的温度下，时间短是避免对基板的损伤、对焊盘与基板接合的损伤和过多的金属间增长的关键。暴露在焊锡和/或基板的Tg的液化温度之上的重复温度循环中的焊锡点，可能遭受可靠性累积的降级。最好的方法是在少于5秒的时间内完成焊接点，最好是大约3秒钟。这个时间包括要求产生连接的所有必要操作。 工艺过程 一个推荐的手工焊接程序是，快速地把加热和上锡的烙铁头接触带芯锡线(coredwire)，然后接触焊接点区域，用熔化的焊锡帮助从烙铁到工件的最初的热传导。然后把锡线移开将要接触焊接表面的烙铁头。有些人推荐首先把烙铁头接触引脚/焊盘；把锡线放在烙铁头与引脚之间，形成热桥；然后快速地把锡线移动到焊接点区域的反面。任何一种方法，如果正确完成，都将给出满意的结果。这两种技术的目的是要保证引脚和焊盘的温度足够熔化锡线，并形成所要求的金属间的接合。如果在焊接点形成期间，烙铁直接接触和熔化锡线，那么要焊接的表面可能不够热，以提高焊锡流动，形成的焊接点可能不是真正熔湿(wet)到焊盘(pad)、焊接孔(barrel)和引脚(lead)。当工艺过程实施正确的时候，助焊剂将熔化并先于焊锡在将要焊接的表面流动，预先处理表面，因此焊锡将在表面上熔湿和流动，进入缝隙，形成接合。一旦熔湿建立和有充分的焊锡流动形成所希望的焊接点，锡线和随后的烙铁即从焊接点区域移开。在培训、练习和相对正规的应用之后，这些程序对于有积极性和经验的人员来实行是不太困难的。有些人比其它人更快，更喜欢它，甚至最有经验和最聪明的操作员都会要几天掌握该工艺过程。这个不同来自认为控制的操作。因为这个原因，应该提供给操作员良好的初始训练和定期的更新。这些方面应该包括手工焊接的艺术与构造、控制焊接点形成的因素、和公司机构用于焊接点接受和拒绝的标准。焊接技术资料5问题在产生牢固的、可接受的手工焊接点中的问题通常是使用不适当温度、太大压力、延长据留时间、或者三者一起而产生的。可是，这些问题的根本原因经常与其使用的工具有联系，而不是操作员的技术和积极性。用技术熟练的、受过培训的、工作尽责的和有积极性的操作员，看看工艺过程中的其它地方，是否手工焊接操作需要改进。一些厚的PWB设计可能要求不同的方法和/或帮助，比如用热板(hotplate)的辅助加热。另一个更前面的原因可能是可焊性差的元件，通常可以通过元件规格或长途运输处理上的变化来处理。认可和替换一种不同的带芯锡线助焊剂可能是合适的。外部施用的液体助焊剂的使用是另一个短期的替代方法。在这种情况，应该以一个受控的方式使用所要求的最少量。在使用任何液体助焊剂来帮助手工焊接之前，应该通过试验来确认助焊剂与残留物的可容性。如果材料来自同一个制造商，那么可以要到数据资料。如果材料来自不同的制造商，那么通常给使用者带来试验的负担，因为对任何供应商存在太多可能的组合。 手工焊接与返修工具本文介绍，在返修工艺中，必须小心，不要将印刷电路板过热；否则电镀通孔和焊盘都容易损伤。手工焊接与返修是要求杰出的操作员技术和良好工具的工艺步骤；一个经验不足的操作员可能会产生可靠性的恶梦。当配备足够的工具和培训时，操作员应该能够创作可靠的焊接点。表面贴装手工焊接有时比通孔(through-hole)焊接更具挑战性，因为更小的引脚间距和更高的引脚数。返修工艺中，必须小心，不要将印刷电路板过热；否则电镀通孔和焊盘都容易损伤。本文将回顾接触焊接与加热气体焊接，这两种最常见的手工焊接。 接触焊接接触焊接是在加热的烙铁嘴(tip)或环(collar)直接接触焊接点时完成的。烙铁嘴或环安装在焊接工具上。焊接嘴用来加热单个的焊接点，而焊接环用来同时加热多个焊接点。对单嘴焊接工具和焊接嘴，有多种的设计结构。对烙铁环形式的焊接嘴也有多种设计结构。有两或四面的离散环，主要用于元件拆除。环的设计主要用于多脚元件，如集成电路(IC)；可是，它们也可用来拆卸矩形和圆柱形的元件。烙铁环对取下已经用胶粘结的元件非常有用。在焊锡熔化后，烙铁环可拧动元件，打破胶的连接。四边元件，如塑料引脚芯片载体(PLCC)，产生一个问题，因为烙铁环很难同时接触所有的引脚。如果烙铁环不接触所有引脚，则不会发生热传导，这意味着一些焊点不熔化。特别是在J型引脚元件上，所有引脚可能不在同一个参考平面上，这使得烙铁环不可能同时接触所有的引脚。这种情况可能是灾难性的，因为还焊接在引脚上的焊盘在操作员取下元件时将从PCB拉出来。焊接嘴与环要求经常预防性的维护。它们需要清洁，有时要上锡。可能要求经常更换，特别是在使用小烙铁嘴时。 接触焊接系统接触焊接系统可分类为从低价格到高价格，通常限制或控制温度。选择取决于应用。例如，表面贴装应用通常比通孔应用要求更少的热量。恒温系统，提供连续、恒定的输出，持续地传送热量。对于表面贴装应用，这些系统应该在335365C温度范围内运行。限制温度系统，具有帮助保持该系统温度在一个最佳范围的温度限制能力。这些系统不连续地传送热量，这防止过热，但加热恢复可能慢。这可能引起操作员设定比所希望更高的温度，加快焊接。对表面贴装应用的操作温度范围是285315C。 控制温度系统，提供高输出能力。这些系统，象温度限制系统一样，不连续地传送热量。响应时机和温度控制比限制温度系统要优越。对表面贴装应用的操作温度范围是285315C。这些系统也提供更好的偏差能力，通常是10C。 与接触焊接系统有关的特性包括： 在多数情况中，接触焊接是补焊(touch-up)以及元件取下与更换的最容易和成本最低的方法。 用胶附着的元件可容易地用焊接环取下。 接触焊接设备成本相对低，容易买到。 与接触焊接系统有关的问题包括： 没有限制烙铁嘴或环的系统容易温度冲击，将烙铁嘴或环的温度提升到所希望的范围之上。 烙铁环必须直接接触焊接点和引脚，到达效率。 温度冲击可能损伤陶瓷元件，特别是多层电容。 加热气体(热风)焊接热风焊接通过用喷嘴把加热的空气或惰性气体，如氮气，指向焊接点和引脚来完成。热风设备选项包括从简单的手持式单元加热单个位置，到复杂的自动单元设计来加热多个位置。手持式系统取下和更换矩形、圆柱形和其它小型元件。自动系统取下合更换复杂元件，诸如密脚和面积排列元件。热风系统避免用接触焊接系统可能发生的局部热应力，这使它成为在均匀加热是关键的应用中的首选。热风温度范围一般是300400C。熔化焊锡所要求的时间取决于热风量。较大的元件在可取下或更换之前，可能要求超过60秒的加热。喷嘴设计很重要；喷嘴必须将热风指向焊接点，有时要避开元件身体。喷嘴可能复杂和昂贵。充分的预防维护是必要的；喷嘴必须定期清洁和适当储存，防止损坏。 热风系统有关的特性包括： 热风作为传热媒介的低效率，减少由于缓慢的加热率产生的热冲击。这是对某些元件的一个优点，如陶瓷电容。 使用热风作为传热媒介，消除直接烙铁嘴接触的必要。 温度和加热率是可控制、可重复和可预测的。 热风系统有关的问题包括： 热风焊接设备价格范围从中至高。 自动系统相当复杂，要求高技术水平的操作。 助焊剂与焊锡助焊剂可以用小瓶来滴，可使用密封的或可重复充满的助焊剂笔。经常，操作员使用太多的助焊剂。我宁愿使用助焊剂笔，因为它们限制使用的助焊剂量。我也宁愿使用带助焊剂芯的焊锡，含有助焊剂