焊接工艺发展趋势.doc

我学网 成功路上有你.焊接工艺发展趋势使用聚焦白光的选择性焊接 $cM9B0 *b c+K 本文介绍，这种光束技术为许多困难的焊接应用提供一种创新的解决方案。 d)_HH 在今天的竞争性与变化的制造环境中，我们经常受到挑战，要以成本有效的方法来制造日益复杂的装配。传统的焊接工艺经常要扩展其能力，以接纳新的设计与技术规格，同时保持在品质、产量和成本的限制之内。 :K:FX?lW 聚集白光(focused white light)焊接为许多挑战性焊接应用提供一个可行的方法。复杂性日益增加的焊接工艺要求，和光束技术处理能力的最新提高，使得光束焊接成为制造商的一个吸引人的的选择。在线的(line-integrated)、高速机器人控制的焊接操作可以在一平方米的工作单元内进行。典型的应用包括热敏感元件和装配设计，这些使传统的回流焊接是不实际的。 H96(8 在世界级的高产量运作中，光束(light beam)工艺已经具有这样的特征：到达每个焊点在一秒中之下的周期时间和少于每百万100(ppm)的缺陷率。光束利用可以进一步提高，因为它提供一个使用成本低的非回流焊接元件的机会。已经证明它是一个对连接器损失和导线焊接有成本效益的替代方法。 h L7 TrAD -an .T 光束设计 p + 光束技术的最简单形式类似于通过放大镜玻璃将太阳光聚焦在聚集点上产生热量。通过控制光源、光学输出和一些中间的次要细节来改进这个方法，一个焊接工艺几乎就可以产生了。 u|&tl 首选的光源是氙灯(xenon lamp)，它在正常可见到接近红外的范围内发出一种宽带的光谱。相反，激光发出的光在很窄的光谱带宽。光谱越宽，在更宽范围的基板上提供更好的热传播能力。 ;czi 由Panasonic Factory Automation (Franklin Park, IL)设计的一个聚集白光系统使用来自1500W氙灯的光能。这个能量通过放大镜由光纤线传送到一个可变的(大于等于1mm)聚光点。在光束聚焦点的反射光是强烈的，对眼睛的影响可以好象在很晴朗的天直接看太阳光一样。该工艺可以用电焊护目镜安全地观察，但最好是间接地通过视频监测系统来观察。 r.o 把热敏的显示与晶体元件焊接到电路板 gN_9bEs# 开关装配内端子的精密焊接 2N*oem 少量引脚元件的装配 VP?X !t 不能清洗的元件 HU_nv 汽车传感器、柔性电路板、PCMCIA应用和几何形状复杂的装配。 t4 +A LL 8q 光束甚至可以回流焊接位于玻璃罩后面的元件。由光束在焊接点上产生的独特问题设定特征要求使用更新的助焊剂，其配方具有低挥发性和低溅锡特性。 6Kl#v( 系统集成 =z_ |(7ME 光束焊接一般不作为一个独立的工具使用。它通常是在一个自动机械平台上的集成焊接系统的一部分，包括精密移动控制、锡线进给、光束参数控制、过程监测能力和通信协议。其典型的一平米占地面积可容易地适于大多数制造装配线。 so ,1B 自动机械平台与集成焊接过程的软件已经在过去几年大大改进。Motorola Manufacturing Systems (Boynton Beach, FL)和Motorola Cellular Subscriber Group (Harvard, IL)的工艺开发专家在该工艺的开发与改进中起重要作用，该集团现在有超过25个这种系统在运作。市场上可买到的设备范围从简单的只焊接单元到更复杂的零件贴装与多光束焊接系统。光束镜与焊锡进给器可安装在拱架(gantry)或X-Y工作台上对顶面和/或底面焊接。复杂成熟的和基于PC的自动系统可以买到，它插件和焊接元件，具有高度的可靠性。 PGA-uOZ $SzOL K 过程控制 39U,PJEy 产品设计要求必须彻底地评估与建立，以达到最佳的质量水平。这些要求包括焊盘/引脚尺寸和几何形状，引脚对孔的比率，尺寸公差、阻焊层和基板材料。 gVN 材料质量与可焊性要求必须为该工艺建立并监测。该工艺对来料质量的变化敏感并且没什么宽容。不可预料的可焊接性问题或污染，如树脂胶的残留，将使该工艺更加困难。 YV*6kOc 光束变量包括光纤类型、透镜类型(焦点直径、焦距)、和灯泡功率输出。光纤与透镜的选择是基于所希望的工艺要求。由于氙灯的本质就是灯，功率输出和光的分布随着时间发生变化。这些变化使用电子反馈机构和校准的方法来控制。 ?PTPEC&J 过程参数包括光强设定、预热/驻留/后热时间、锡线类型和锡线进给角度/速度。这些变量可以优化以达到改进品质和减少循环时间。选择和确认低溅锡助焊剂夹心的焊锡是必要的。 J3s8VW 一个简单视频监测系统可安装在机械手臂工具上。该系统提供对焊接操作的接近观察和记录。当回放慢动作时，其结果是对过程动态的无价反馈。 #E.nb5u 7HF 9_b4 优点与缺点 -4yfGT; 聚焦式白光束焊接当与传统的和其它的非接触焊接方法相比，有几个优点与缺点。光束工艺将用于几乎所有的任何通孔或表面贴装焊接应用。可是，作为一种选择，波峰焊接或红外(IR)回流焊接工艺通常对高产量/高混合度的运作更有成本效益。一旦有了，光束系统可用于其它周边运作，这些对这个专用设备的成本是无关痛痒的。 Y5:sl& 光束工艺的总速度决定于每个装配的焊点数量。循环时间随着每个装配焊点数量的增加而增加。相反，波峰焊接或回流焊接与每个装配的焊点数量没什么关系。因此，对于一个给定数量的焊点，每个工艺的处理时间是相等的。虽然高产量/低混合制造通常使用光束技术，但一些系统的多功能性和编程能力可使得快速适应更高混合度的要求。 *!-2$K%_ 钇铝榴石紫外(YAG UV, yttrium aluminum garnet ultraviolet)激光器(波长：1064N-m)，也用于焊接应用，它优越于白光束(氙光波长：3001200N-m)，因为它提供更高的能量集中和更细的光束直径。可是，钇铝榴石紫外激光器的光吸收率(热传导能力)很大程度上决定于它加热的材料特性，而白光束的吸收率在更宽范围的基板特性上较稳定。另外，激光成本高，要求严格的安全考虑。 #X O 不象其它焊接过程，光束工艺参数可以对单个的焊接点按要求设定。这样避免了为了接纳板上所有不同零件而不得不决定一个最适合的工艺设定，这点已经变得越来越困难了，因为板的设计更复杂了。用户具有更多的灵活性，因为任何改进都只要求修改相应的自动机器程序。 22Z( 6-43 因为光束焊接是点到点的，不希望的PWB温度副作用，如弯曲与翘曲，实际上不存在。可是，光束将很快地烫伤电路板，如果过程变量不受控制。使用视频相机对每个焊点监测和记录整个过程动态的能力是这个工艺的独特的优点。 Y/+qk-_ ;h vA 结论 Pef* 自动光束焊接为许多困难的焊接应用提供一个创新的和革命性的解决方案。该技术现在是在许多世界级运作中的经过验证的资产。它为制造提供又一个工具，来增加焊接工艺能力和在一个变化的环境中的效率。不管怎么样，光束焊接是一个复杂的工艺，要求完整的能力、需要和成本效益的分析。无铅焊锡与导电性胶 2iOy63 daA# !9 本文介绍，两种材料都可以有效地取代含铅焊锡。 u(,|q 466*Tw? u 世界上，对无铅焊锡替代品的兴趣正在戏剧性地增加，主要因为在亚洲和欧洲都开始迅速地消除含铅焊锡在电子装配中的出现。日本的电子制造商已经自愿地要求到2001年在国内制造或销售的产品是无铅的。欧洲也在要求无铅电子，正如1998报废电气与电子设备指示(WEEE)所要求的那样。可是，由于欧洲社会的反对，最后期限没有确定，现在的截止日期估计在2004年以后。有许多理由支持把铅从电子焊锡材料中消除的努力。除了来自该元素毒性的环境压力之外，其它动机包括有害废物处理的关注、工作场所安全性考虑、设备可靠性问题、市场竞争性、以及环境共同形象的维护。 ,DOqOED 现在北美电子制造商所经受的压力本来是经济上的，而不是法令上的。为了消除其产品再不能出口到亚洲和欧洲电子市场的危险，制造商们正在寻找可行的含铅焊锡的替代者，包括无铅焊锡材料与可导电性胶。 vuc/3 2Yi&J 无铅焊锡 *iL/W3i 无铅焊锡技术不是新的。多年来，许多制造商已经在一些适当位置应用中使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。可是，今天无铅焊锡研究的目的是要决定哪些合金应该用来取代现在每年使用的估计50,000吨的锡-铅焊锡。取消资源丰富价格便宜的(大约每磅0.40美元)铅，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加许多。 ccmZU 选择用来取代铅的材料必须满足各种要求： baW qM- gQ3JS*ehH 1.它们必须在世界范围内可得到，数量上满足全球的需求。某些金属 - 如铟(Indium)和铋(Bismuth) - 不能得到大的数量，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 j Yd3(R 2.也必须考虑到替代合金是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金属，如锑(Antimony)，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 1 m,W 3.替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型(preform)。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。 KGt5W+ 4.替代合金还应该是可循环再生的 - 将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并增加成本。 k?bApb&-7Q 不是所有的替代合金都可轻易地取代现有的焊接过程。美国国家制造科学中心(NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在1997年得出结论，对共晶锡-铅焊锡没有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作为欧洲IDEALS计划一部分的研究发现，超过200种研究的合金中，不到10种无铅焊锡选择是可行的。 :YlEJJ 数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括，锡(Sn, tin)、铜(Cu, copper)、银(Ag, silver)和锑(Sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的例子包括，99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在这些替代合金内的所有这些元素具有与锡-铅焊锡不同的熔点、机械性能、熔湿特性和外观。现在工业趋向于使用接近共晶的锡银铜(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。 sgeXfFfX 多数无铅合金，包括锡-银-铜，具有超过200C的熔点 - 高于传统的锡-铅合金的大约180C的熔点。这个升高的熔点将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点可能是一个关注，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度(图一)。设计者现在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的温度，以及各向异性的(anisotropic)导电性胶来取代倒装芯片和元件包装应用中的焊锡。 3*3,T qD 无铅合金的较高熔化温度可提供一些优势，比如，提高抗拉强度和更好的温度疲劳阻抗、使其适合于象汽车电子元件这样的高温应用。 OSvht S?8;yBCD XSFm c#q 电路板与元件的表面涂层也必须与无铅焊锡兼容。例如，铜表面涂层的板面上的焊接点可能在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术(SMT)回流焊接温度的影响，它可能造成锡与铜之间有害金属间化合物的形成。无铅焊锡的外观也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比传统的锡-铅焊锡缺少一点反光性)，可能要求标准品质控制程序的改变。最后，因为现在没有高含铅(high-lead-bearing)焊锡的替代品存在，所以完全的无铅装配还是不可能的。 0 $_j? 虽然现在的助焊剂系统与锡-铅焊锡运作良好，无铅替代合金将不会在所有的板元件表面涂层上同样的表现，不会容易地熔湿(wet)以形成相同的金属间化合物焊接类型。因此可能需要改善助焊剂，提高熔湿性能，减少BGA焊接中的空洞。 Rr 导电性胶是无铅和无氟氯化碳(CFC-free)的，不危害臭氧层，并且不含VOC。这些材料提供良好的设计灵活性，因为它们可填充异形区域和不同尺寸的间隙。较低的胶处理温度减少能源成本，允许装配中使用价格低廉的基板，减少PCB上的温度-机械应力和元件的损伤。 b h3 6j 焊锡经常对要求返工的电路板更有优势，因为胶要求较费时的、可能损坏电路板元件的返工工艺。已经配制出一些万能的环氧树脂，专门用于大间距连接的返工与返修应用。例如，如果电路板表面上的迹线(trace)被擦伤，那么可使用这类胶来在原焊接的地方修理电路。 3,mX4( 成本问题 s1Cpc6; 由于许多原因，无铅焊锡和导电胶两者都比传统的锡-铅焊锡更贵。鉴于铅是属于可得到的最廉价的金属(每磅$0.40)，替代合金可能要贵得多。例如，银的每磅价格大约为$90，锡$3.70，铋$3.50，铜$0.85，和锌$0.60。锡膏通常到处的销售价为每克$0.15-0.30，取决于量和合金类型。 yh D.-*r6 导电胶的价格变化很大，取决于使用的填充物的类型及其市场价格。导电胶的不同配方可有十倍或以上的变化因素。使用贵重金属作填充物的导电胶的材料成本相对比无铅焊锡或传统胶的材料成本更高。就单材料成本而言，胶通常比焊锡贵几倍。可是，胶的装配与工艺要求大约为焊锡用于同一应用的材料用量的一半。还有，胶的处理成本可能比焊锡低得多，因为胶的粘结要求较少的步骤。虽然处理时间对焊接与胶粘结对差不多，胶不要求助焊剂应用和清洗的时间与费用，如在波峰焊接应用中使用水洗型助焊剂。 ;Zsxe 以前使用CFC可迅速廉价地清除焊接助焊剂。在蒙特利尔协议(Montreal Protocol)之后，该协议要求制造商减少CFC的使用，CFC的使用已经受到限制，电路板制造商经常被迫使用效果较差和成本较高的方法来清除助焊剂，虽然许多已经转向免洗或可水洗的化学剂。可是，胶是过程友好的，减少有害废弃的化学品或有关处理成本。 cz8/bflj) #tuH?8;= 未来 mJlAZ 今天可购买到所有形式的无铅焊锡 - 从锡条到锡膏到预成型。开发新型助焊剂化学品的工作仍在继续，它可使无铅焊锡提供与含铅焊锡材料相同的性能。导电胶也在改进，以较低成本的、结合替代金属填充物或导电性聚合物的配方，提供优良的机械性能。 Zj:ipz i 在未来，电子设备制造商将继续使用导电胶和焊锡两种材料。一旦无铅法规开始生效，胶与焊锡两者，单独地和时常协作地，都将提供环境上更安全的装配选择。关于回流焊工艺发展的讨论 (Utn,f(& j. aYC 最近几年，SMT生产技术已发生了巨大的变化，其中：生产标准的改变，新型焊膏的利用、不同基材的出现，以及元器件本身材料和设计的革新都使得热处理工艺不断发展。新型元器件的设计动力是来自于产品小型化的不断驱使。这些新型元器件封装包括：BGA（球栅阵列）、COB（裸芯片）、CSP（微型封装）、MCM（多芯片模块），以及flip chip（倒装片）等。产品小型化回流焊使得元器件越做越小，并使管脚数增加，使间距变小。另外为减少成本，免清洗和低残留焊膏使用的更加广泛，与之相应的是氮气的使用也随之增加。 ua&F7 6 市场对手持式电子产品的不断需求始终是一个强大的驱动力，它使得封装工艺必须适应这些产品的技术要求。因此更小、更密、更轻的组装技术，以及更短的产品周期、更多、更密的I/O引线，更强的可操控性-都把回流焊技术提到一个新的层次上来讨论。同时也对热处理工艺的控制手段和设备提出了新的要求。 zh0Sc1K 考虑到这些压力，我们提出了一个简单的设想图，其中的一些方案可以回答回流焊工艺今后会遇到的挑战。 u&Hm =Y DGX2FW 氮气惰性保护 0oy 柔性基板 LWGBRi 为了处理表面安装柔性基板的焊接问题，一种专用的回流炉也被设计出来了，和一般回流炉最大的不同是在于它特殊的处理柔性基板的导轨。但是，这种回流炉也必须同时满足已连续式的柔性PCB与分离式PCB的焊接需要。 ,AyEK1u/ 在处理分离式PCB基板时，回流炉的工作连续性并不受前道工序的影响。在卷式柔性基板的生产中，由于柔性基板是整条贯穿生产线，所以生产线上任何一处造成的停机都会使柔性基板带停止传递。这样就会产生一个问题：停在炉内的柔性基板便会因高温而遭到破坏。因此，这种特殊的炉必须允许这样情况发生：可以处理停在炉内的基板，并且在传送带恢复正常后立刻重新恢复正常的焊接操作。 _xstcEU3 qo4U 无铅焊膏 zz E0De 虽然近几年要求使用无铅焊膏的压力不象以前那样大，但人们依然关心焊膏中的含铅量与它对环境的影响，虽然电子业的铅污染只占所有铅污染量的百分之一以下，但有观察家还是认为有关禁止用含铅焊膏的法律在今后几年中将出台。这样就只能努力去寻找一种可靠、经济的替代品。许多代用品的熔点都比锡一铅合金高大约40C。这意味着回流炉需要工作在一个更高的温度环境中，这时使用氮气保护可以部份的消除高温所带来的PCB氧化与破坏的影响。但是在实现无铅生产前，工业界是必须走一段痛苦的学习过程来解决将会面临的问题。 9A:W.3.M(p 目前大多数炉的设计工作温度都在300C以下，但无铅锡膏、非低熔点锡膏，在用于BGA、双面板、混装板的生产时，常需要更高的温度。有一些工艺在回流区的温度需要350C400C左右，因此必须改进炉的设计方案以迎合这种需求。另一方面，进入高温炉的热敏感元件必须做改进，减少在进行高温操作时这些元件的受热量。 sU-MxYvz HIV?lnrR? 垂直烘炉 |eRpil 市场对产品小型化的要求使倒焊片与DCA（芯片直接焊装）的应用越发的广泛。倒焊片技术是将芯片倒装后用焊球将其与基板直接焊接，这样可以提高信号传输速度及减少尺寸。另一种是底部填充工艺，这是将填充材料灌注入芯片与基板之间的空隙中，这是因为芯片与基板材料之间膨胀系数不一致，而填充材料则能保护焊点不受这种应力的影响。还有是球状封顶以及围坝填充技术，这两种技术是用覆盖材料将已焊接的裸芯片加以封装的工艺。几乎所有这几种封装材料都需要很长的固化时间，所以用在线式连续生产的固化炉是不实际的，平时大家经常使用“批次烘炉”，但垂直烘炉的技术也趋于完善，尤其在加热曲线比回流炉简单时，垂直烘炉完全能够胜任。垂直烘炉使用一个垂直升降的传送系统作为“缓冲与累加器”，每一块PCB都必须通过这一道工序循环。这样的结果就是得到了足够长的固化时间，而同时减少了占地面积。 QP7LGw 在目前最先进的回流炉设计思想中，如何在增加产量的同时减少设备的维修量是一个关键的问题。随着免洗焊膏与低残留焊膏的大量使用。如何处理炉膏的助焊剂残留物这个问题也相应变得突出起来，因为这些焊膏内有大量的高沸点的溶剂来取代原来的松香，以获得理想的焊膏流变性。目前焊膏供应商正在研究性能更加优越的焊膏，但由于质量与工艺认证是一个费工费时的过程，所以它们的应用经常相对滞后。 ,j6j=,);i+ 同时，助焊剂造成的污染也成为回流炉的一个重要课题。从焊膏中挥发出来的物质重新凝结在机器冷却区表面形成污染物，这在充氮保护设备中表现得尤为突出，想要通过抽气口将挥发物抽走的方法在充氮炉中是不现实的。因为抽气口会带走大量有用的氮气。现在新型的助焊剂管理系统采用的方法是让气流在机内循环，经过一个凝结过滤装置，将助焊剂凝结在上面后除去，并将干净的气体（N2）放回炉内。这套系统大大减少了助焊在冷却区及其它地方的残留量，并且使维修和除去污染物的工作可以在不停机的情况下进行。 jC1i|z:k 从助焊剂管理系统出来的冷气流重新回到冷却区，对于焊点的冷却与降低PCB出口温度都有额外的好处。另一方面，回流的冷气体进入炉内的其它地方还可以表现出另外一些好处，例如：分隔不同加热区的温度，或者扩大上下加热区的温差。但是不停机时间与费用是非常重要的，当公司的注意集中在运行费用上时，助焊剂管理系统就会显得非常重要。 sajt0A3 回流炉如果使用周围的空气作为冷却介质，则可以采用大流量的方式冷却PCB，而且效率很高。在充氮炉中，因为气流量受到严格控制，所以这是另一种情况。热量必须从系统中被抽走，通常热交换采用的介质是气体或液体。冷却气体必须循环使用以降低氮气消耗。 ,?M0?iX 在目前的冷却组件中，是通过一个鼓风机将气流循环应用，气流在热交换后被吹向PCB。这种冷却方式需要定期清理鼓风机与热交换系统上的助焊剂沉淀（虽然助焊剂管理系统已大大减少了助焊剂的沉积）。 pt;P61K Speedline集团现已开发了一种独特的NitroCool系统，它使用气流放大风刀来产生高速率的气流充当交换介质。循环气流是通过风刀而不是通过热交换器，以此来减少被阻塞的机率。在风刀上集成有自动清洁装置，使得气量在被阻塞物减弱之前就将助焊剂沉积物清除干净，因此，当其它设备的热交换器和鼓风机逐渐被助焊剂污染时，这套系统可以提供一个恒定不变的冷却速率。NitrCool系统还可以引导集中助焊剂管理系统里冷却的冷气流，进一步增强冷却的性能与效率。 P gTFKhB(c 设备的可靠性与连续工作时间是非常值得研究的，因为许多工厂都采用三班倒与七天工作日的方式生产，极少有时间安排维修，还需处理临时的故障。对于回流炉的工艺及自动化操作的研究还有很长的路要走，使用复杂的软件可以进行多任务操作、通讯（通过GEM）、诊断、操作安全保护、以及在线显示与实时帮助。在将来，单位面积的产出量将大大增加，设备功能也大在加强，而且回流炉也越来越依靠软件与传感器来提高它的性能。 FfGqplU wO1 &,OV =/Tzo 本文介绍，在集成化助焊剂管理和分层气流冷却中的进步可大大延长维护的时间间隔。 qLi#s4:t %U3| 所有的回流炉都有一个冷却模块来保证冶金特性和降低出板温度。在空气炉中，过程气体在冷却之前排出，在冷却模块中不留下助焊剂冷凝。可是，在多数氮气炉中，排气发生在炉的进口和出口处，问题就发生了。受热的助焊剂挥发物侵入冷却模块，然后将冷气指向产品。保存氮气的要求不得不使内部气体循环使用，因此过程气体在冷气之前是不排出去的。当这气体流到冷气区时，出现冷凝。 6S JjTy 虽然该技术工作正常，连续的循环造成热交换器被过程气体中的助焊剂元素淤塞。对一些新的增强的可印刷锡膏，留下极其粘性的残留，这种淤塞甚至更成问题。不幸的是，当这些系统淤塞发生时，冷气性能将稳步下降，造成缺乏回流工艺的一致性和控制。除了处理较热的板之外，减弱的冷气引起印刷双面表面贴装装配的问题，和可能由于减少液化以上时间(TAL, time above liquid)而影响长期电路装配的可靠性。证据显示，增加TAL可造成粗糙的焊点微结构和增加金属间增长，这可能导致脆性。 !QIX G4hN 在某种意义上，预防性维护清洁热交换器是重获过程控制所要求的。这个过程是肮脏和费时的，