PCBASMT回流焊接工艺及无铅技术要求

1、第第1讲：焊接原理和要求讲：焊接原理和要求 良好焊点的3个外观要求 良好焊点的3个内部结构要求 良好焊接的6个基本因素 确保可焊性基本条件焊接的基本原理焊接的基本原理焊接的三种过程反应melting 溶解 dissolution 溶蚀diffusion 扩散焊接基本原理焊接基本原理 meltingdiffusion 1. snpb熔化 2. snpb扩散入cu 3. 形成cusn的imc meltingdiffusion 1.pd溶蚀 2. snpb扩散入ni 3. 形成snni的imc 焊接的基本原理焊接的基本原理表面清洁表面清洁焊件加热焊件加热熔锡润湿熔锡润湿扩散结合层扩散结合层冷却后形成

2、焊点冷却后形成焊点焊接的基本原理焊接的基本原理焊接的基本原理焊接的基本原理焊接的基本原理焊接的基本原理 金属原子以结晶排列，原子间作用力金属原子以结晶排列，原子间作用力平衡，保持晶格的形状和稳定。平衡，保持晶格的形状和稳定。 当金属与金属接触时，界面上晶格紊乱当金属与金属接触时，界面上晶格紊乱导致部分原子从一个晶格点阵移动到另一导致部分原子从一个晶格点阵移动到另一个晶格点阵。个晶格点阵。四种扩散形式：四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。扩散条件：相互距离扩散条件：相互距离（金属表面清洁，无氧化层和其它杂质，（金属表面清洁，无氧化层和其它

3、杂质， 两块金属原子间才会发生引力）两块金属原子间才会发生引力） 温度温度（在一定温度下金属分子才具有动能）（在一定温度下金属分子才具有动能）焊接的基本原理焊接的基本原理良好的的焊点必须形成适当的imc 良好的焊接点良好的焊接点 定义：在设计考虑的使用环境、方式以及寿命周期内，保持其机械和电气性能的焊点良好焊点的三外观要素： 良好和足够的润湿现象； 适当的焊点大小（量） 良好的轮廓和表面形状良好的润湿情况良好的润湿情况良好的润湿角度良好的润湿角度锡量偏多，开始锡量偏多，开始丧失润湿可见性丧失润湿可见性良好的润湿角度良好的润湿角度适当的锡量适当的锡量 最小锡量 最大锡量 足够的润湿 可检查性 机

4、械强度 引脚柔性工艺窗口工艺窗口适当锡量适当锡量锡量太多锡量太多锡量太少锡量太少良好的轮廓和表面形状良好的轮廓和表面形状 共晶锡/铅可以形成光滑的焊点表面不适当的焊接和冷却温度不适当的焊接和冷却温度/ /时间时间器件焊端金属溶解入焊锡合金中器件焊端金属溶解入焊锡合金中良好的轮廓和表面形状良好的轮廓和表面形状 无引脚 翼形引脚 j形脚 焊点内部结构质量要素焊点内部结构质量要素 除了外观以外 气孔气孔/ /真空孔真空孔imcimc厚度厚度 焊点内部结构焊点内部结构良好焊接需要什么基本条件良好焊接需要什么基本条件 适当足够的热能 焊接面有良好的润湿性 熔锡的正确流动 适当的锡量 焊端静止 形成适当的

5、imc 焊接的焊接的6要素要素1.热量和时间 焊接面必须在足够时间下有足够的热，以获得 足够 的润湿和形成imc。 焊接中的器件或材量不能在以上条件下受到伤害或破坏。主要因素：加热方法，材料特性 工艺设置/调制焊接的焊接的6要素要素2. 焊接面润湿 焊接的两面都必须有良好的润湿。 润湿程度显示金属面合成结果。 主要因素： 焊接面材料 焊接面清洁度 助焊剂种类性能 加热温度和时间 焊接面/焊点形状 pcba设计焊接的焊接的6要素要素 3.熔锡的流动性 熔锡必须流动和填充焊接的双面 熔锡的流动方向应该得到很好的控制。 主要因素 焊接方法（波焊 回流等） 热（温度）差距 焊接面/焊点形状 周边布局情

6、况和方向（波峰焊） 焊盘/钢网开口设计 材料润湿特性熔锡流向吸锡现象熔锡流向吸锡现象焊接的焊接的6要素要素 4.适当的锡量 焊点必须能够“留住”足够的锡量 焊点的大小有一定的要求范围 （基于可靠性和可制造性的考虑） 采用的焊接技术必须能够支持以上的要求 主要因素： 和熔锡流动相同锡量太多锡量太多锡迁移锡迁移焊接的焊接的6要素要素5.焊端静止 在焊接过程中的移动可能造成开焊、虚焊或局部焊接故障。 在回流焊接中，溶解过程中的熔锡表面张力可能使器件出现不良的移动。 在波峰焊接中，熔锡的冲击或推力以及润湿后的拉力也可产生掉件。润湿平衡法原理图焊接的焊接的6要素要素 6. imc的适当形成 焊的不同形金

7、属间必须形成imcimcimc未形成未形成虚焊虚焊/ /冷焊冷焊imcimc形成形成正常厚度正常厚度太薄太薄太厚太厚良好焊点良好焊点附着力弱附着力弱脆弱脆弱焊接面的形成焊接面的形成 合金层的作用：1.提供良好的电性接触 2.提供坚强的焊接面键合 3.防止收锡现象 冷焊 、收锡是合金层没有形成的现象！金属互化物金属互化物imc的危害的危害金属互化物金属互化物imc的增长的增长焊端镀层的材料和厚度焊端镀层的材料和厚度 镀层厚度决定： 焊接温度和时间 （溶蚀和润湿考虑） 库存条件和时间 （imc增长） 焊点合金结构 （例如 au 、ag影响寿命）可焊性的基本因素可焊性的基本因素 良好的可焊性决定于：

8、 焊端的热需求 材料的润湿性 器件/焊端的结构 焊端溶蚀的抗力 库存条件和时间 焊端的清洁度可焊性的基本因素可焊性的基本因素 封装和焊端结构可焊性的基本因素可焊性的基本因素 封装和焊端结构易于留锡结构易于留锡结构可焊性的基本因素可焊性的基本因素焊端溶蚀抗力 所有常用的金属材料都会在某种程度上 的溶蚀于锡中。 过度溶蚀到锡铅接触基材时将减少焊 点强度。 某些金属（例如金）的溶蚀将影响焊 点的寿命，必须控制。 焊端的金属层（材料、厚度）必须适 合 于焊接条件（温度、时间）过度溶蚀过度溶蚀金属溶蚀速度金属溶蚀速度可焊性的恶化可焊性的恶化可焊性的恶化可焊性的恶化第二讲第二讲 回流焊技术大观回流焊技术大

9、观 回流焊接的定义和要求 回流焊接技术分类 各种回流技术的分析与比较 双面回流技术要点 氮气焊接回流焊接技术回流焊接技术 回流定义：焊料和热能是通过两个独立步骤来处理的。锡膏涂布锡膏涂布贴片贴片回流焊接回流焊接印刷印刷注射注射电镀电镀固态安置固态安置高速低精度高速低精度高精度高精度异形通用异形通用异形特制异形特制辐射辐射传导传导对流对流电感电感回流焊接技术分类回流焊接技术分类 按热的传播方式回流焊接技术分类回流焊接技术分类 按热的传播方式热丝回流焊接技术热丝回流焊接技术气相回流焊接技术气相回流焊接技术局部热气回流焊接技术局部热气回流焊接技术辐射回流焊接技术辐射回流焊接技术辐射回流焊接技术辐射回

10、流焊接技术电感回流焊接技术电感回流焊接技术焊炬回流焊接技术焊炬回流焊接技术红外线回流焊接技术红外线回流焊接技术热风回流焊接技术热风回流焊接技术红外线和热风传热效率比较红外线和热风传热效率比较红外线和热风的比较红外线和热风的比较焊接及时比较和选择焊接及时比较和选择双面回流考虑双面回流考虑 避免地面器件掉件 器件重量/焊接面积比 约50mg/mm 2 首次回流的控制 尤其是预热/挥发段 稳定的炉子传送系统 良好的隔热 隔热罩或炉子性能双面回流考虑双面回流考虑 底面焊点的熔点可能大于顶面越5-10度 底面焊点的熔化最好是100% imc的形成 熔化情况下总时间约少于90秒 二次加热对微晶结构有利，必

11、须和imc间平衡 不熔化情况下cte差异会对焊点造成巨大应力氮气焊接环境氮气焊接环境 氮气对焊接的影响1.润湿和收锡2.基板变色3.自动对中4.减少热破坏5.其它焊接故障 无帮助有效有效氮气焊接环境氮气焊接环境氮气焊接环境氮气焊接环境氮气焊接的应用氮气焊接的应用氮气焊接的应用氮气焊接的应用氮气焊接的应用氮气焊接的应用第三讲第三讲 回流焊接温度曲线回流焊接温度曲线 smt界的温度曲线处理问题 焊接温度曲线的作用 决定温度曲线设置的因素 曲线中各时间段的功能 rdrp和rtp曲线的分析比较 温度曲线的制定 不良的doe应用业界对温度曲线的理解业界对温度曲线的理解业界对温度曲线的理解业界对温度曲线的

12、理解业界对温度曲线的理解业界对温度曲线的理解焊接温度曲线的作用焊接温度曲线的作用良好的温度曲线设置必须： 在温和的环境下完整挥发锡膏内所有不起焊接作用的成分； 使焊端有足够高的温度，提供润湿的必要条件；提供助焊剂所需的活性热能；熔化焊接材料（锡膏、焊盘和器件焊端）；协助控孩子熔锡流向；使焊接面形成适当的imc层适当的冷却速度确保焊点结构可靠。决定温度曲线的因素决定温度曲线的因素 设置温度曲线必须考虑 基板和器件的材料（包括基材 焊端 表面处理等） 热容量以及分布情况（pcba设计） 锡膏配方 单/双面回流工艺 关键器件（寿命考虑） 回流炉的性能。理论上的焊接温度曲线理论上的焊接温度曲线实际面对

13、的情况实际面对的情况实际所需的回流曲线实际所需的回流曲线回流焊接的五个阶段回流焊接的五个阶段回流的第一工序：升温回流的第一工序：升温回流的第二工序：挥发回流的第二工序：挥发回流的第三工序：助焊回流的第三工序：助焊回流的第四工序：焊接回流的第四工序：焊接回流的第五工序：冷却回流的第五工序：冷却参数考虑和典型的数据参数考虑和典型的数据rdrp曲线曲线李氏优化曲线李氏优化曲线供应商的新推荐供应商的新推荐李氏曲线的风险李氏曲线的风险李氏曲线的风险李氏曲线的风险供应商推荐的转变供应商推荐的转变供应商推荐的转变供应商推荐的转变温度曲线的设置温度曲线的设置工艺标准工艺标准 首先您必须要知道您的工艺标准： 锡

14、膏的特性 dfm特性 包括： 器件焊接需求 布局特性 工艺难点/关注点调试板的准备调试板的准备 使用实际板最为理想 可以使用假件 dummy smd 可以舍弃某器件不贴以节省成本注意少贴器件可能改变热条件，所以在pwi紧张是必须重新以实际产品测试。热耦该接哪里？热耦该接哪里？决定焊点温度的因素决定焊点温度的因素 焊点的热容量 器件引脚导热性 pcb铜线布局 器件布局 例如周边吸热物体 焊点对流条件 焊点外形结构和表面积 周边的影响 回流炉的对流设计和能力找出冷热点找出冷热点找出冷热极限点找出冷热极限点不同热耦连接法的比较不同热耦连接法的比较（温度准确性）（温度准确性）热耦测温系统精度热耦测温系

15、统精度传送速度的设置传送速度的设置温度的设置和调制温度的设置和调制1.从理论预计设置开始（dfm工作）2.预测第一道曲线后从预热区往回流区调整3.必要时微调传送速度以配合4.调整结果以pwi为依据。不容易的平衡游戏不容易的平衡游戏温度设置的确认温度设置的确认第四讲第四讲 回流炉回流炉 炉子的基本结构 气流的控制 加热/温度控制 废气处理 技术指标 炉子性能测试简介热风回流炉的基本结构热风回流炉的基本结构气流的设计气流的设计气流的设计气流的设计温区结构设计温区结构设计气流和温度的状况气流和温度的状况气流的设计气流的设计气流的控制气流的控制气流的控制气流的控制热源设计热源设计炉子温度控制设计炉子温

16、度控制设计闭路温度控制闭路温度控制闭路开闭路开/关温度控制关温度控制 闭路闭路pid温度控制温度控制炉子控制界面的显示不可靠炉子控制界面的显示不可靠设备验收实例设备验收实例回流炉测试例子回流炉测试例子废气（助焊剂挥发物）过滤废气（助焊剂挥发物）过滤排气处理排气处理常用技术指标常用技术指标 温区数量（上下温区 ，也包括冷却区） 炉子长度（加热长度） 传送轨道速度 pcba大小（宽度，上下器件高度） 传送轨道平行度 最高温度设置 温控精度常用技术指标常用技术指标 温度均衡性（一般指横切轨道面） 升温时间 耗电量（功率） 氮气纯度 氮气耗量 温区风速供应商指标例子供应商指标例子供应商指标例子供应商指

17、标例子供应商遗失的指标供应商遗失的指标 加热效率 /sec j/gm- defined size and share 对流效率（速度 量 流动性 渗透能力） 温度准确性（温度控制，实际空气） 均衡性（温区之中个方向） 一致性（温区之间，炉与炉之间）炉子的加热效率炉子的加热效率炉子的加热效率炉子的加热效率供应商遗失的指标供应商遗失的指标 负荷能力（回温能力 回温时间） 过区失热程度（长度比，降温程度） 排风效应/要求（加热效率/flux处理） 隔热能力（前后温区间，上下温区间） 传送速度精度和稳定性 传送机械的稳定性回温能力表现回温能力表现排风设置的影响排风设置的影响供应商遗失的指标供应商遗失的

18、指标 炉子有效长度 线性对流比 冷却效率 热噪声 温区的风量 气旋/渗透能力热噪声（气流稳定性）热噪声（气流稳定性）回流炉性能的认证回流炉性能的认证 1.加热效率 2.热稳定性 3.热容量 4.回温速度 5.气流渗透能力 6.气流覆盖面和均匀性 7对流可调性和可控性 8.温区隔离性 9.温区数目10.10.加热区长度加热区长度11.11.冷却可控性冷却可控性 12.12.对排风的要求对排风的要求 13.13.工艺监控能力工艺监控能力第五讲第五讲 回流焊接故障回流焊接故障 常见故障种类 各种故障的原理 各种故障的对策常见的回流焊接问题常见的回流焊接问题 1.润湿不良 2.收锡 3.smc移位 4

19、.锡流失/少锡 5.锡球/锡珠 6.爆米花效应 7.虚焊/弱焊/冷焊 8.气孔/真空孔 9. smc过热 10. 桥接 短路 11.二次熔化可焊性不良可焊性不良/润湿不良润湿不良收锡收锡/缩锡现象缩锡现象smd在回流过程中移位在回流过程中移位影响焊接偏位的因素影响焊接偏位的因素立碑现象立碑现象器件吊桥现象器件吊桥现象熔锡的流向熔锡的流向 良好的润湿错误失控的流向错误失控的流向吸锡现象吸锡现象 热分布问题可焊性问题可焊性问题设计问题设计问题减少吸锡减少吸锡减少吸锡程度减少吸锡程度控制你的加热方向控制你的加热方向焊球和焊珠焊球和焊珠 焊球 solder bead 体形较大 出现在器件边上 焊珠 s

20、older ball 体形较少 出现在焊点上或周边焊球焊球/焊珠的形成因素焊珠的形成因素影响焊珠的焊剂种类影响焊珠的焊剂种类减少焊球减少焊球/焊珠的产生焊珠的产生减少焊球减少焊球/焊珠的产生焊珠的产生爆米花效应爆米花效应爆米花效应对焊接质量的影响爆米花效应对焊接质量的影响开焊开焊imc的形成的形成控制控制imc的形成的形成虚焊虚焊/冷焊冷焊造成冷焊的因素造成冷焊的因素焊接气孔焊接气孔气孔的形成气孔的形成smc过热过热 元件破裂 元件软化焊点微晶结构焊点微晶结构桥接或短路桥接或短路主要成因： 锡膏量太多 器件焊接中的移动 器件焊端可焊性差 无法润湿留锡 热坍塌过度二次熔化二次熔化第第6讲讲 焊接

21、工艺管制焊接工艺管制良好的工艺管制概念先决条件材料、设计、设备的配合工艺设置的优化和材料工艺性工艺管制的概念和例子mvi,aoi,spc等检验方法的缺点等检验方法的缺点事后或被动做法，不可能达到零缺陷；改正成本高；无法检出所有问题；检查速度和精度都尚未完善；可能有依赖惰性的危害；spc不适用于高质量、小批量生产；spc针对稳定性而非质量。无故障生产概念无故障生产概念 锡膏 器件基板基板锡膏印刷锡膏印刷贴片贴片回流焊接回流焊接好材料好材料 好的工艺好的工艺好的产品好的产品（包括设备工具）（包括设备工具）材料的选择考虑材料的选择考虑器件： 封装材料能够承受回流热量 焊端结构和材料适合回流工艺pcb

22、: 基材和焊盘保护层材料能够承受回流热量锡膏： 较大的焊接工艺窗口 热坍塌特性 残留物 溅锡 助焊能力 抗氧化能力 以上三者必须能兼容形成良好焊点！dfm例子例子dfm例子例子 布局的影响布局的影响dfm例子例子 布局的影响布局的影响dfm例子例子 布局的影响布局的影响选购能力较强的炉子选购能力较强的炉子温度曲线的优化设置温度曲线的优化设置1.找出锡膏特性和工艺窗口；2.了解器件材料的工艺要求；3.找出pcba上最冷和最热点；4.设置炉子的适当链速；5.从第一温区开始，逐步设定炉温； （必要时调整炉子的链速）供应商推荐的曲线供应商推荐的曲线 有两种曲线资料对用户是重要的 锡膏焊接曲线 器件焊接

23、曲线可是： 曲线的精确性并非很高； 曲线和实际焊接的条件有差距； 曲线指标的混淆造成误导；您有的只是个一般性指标您有的只是个一般性指标锡膏特性的认证锡膏特性的认证（回流焊接部分）（回流焊接部分） 润湿能力 热坍塌 溅锡程度 锡珠 抗氧化能力 残留物 气孔程度和条件 印刷后寿命回流焊接工艺窗口回流焊接工艺窗口回流焊接工艺窗口回流焊接工艺窗口升温区 最大升温斜率挥发/恒温/预热区 最大升温率 最长时间助焊区 最短时间 最长时间回流区 最大升温率 最高温度/时间 最低温度/时间冷却区 最大降温率 最高最终温度器件焊端材料器件焊端材料供应商指标问题供应商指标问题被焊接器件被焊接器件/材料的重要性材料的

24、重要性最大升温速度（热冲击承受能力）最大峰值温度（高温承受能力） 本指标必须含时间概念3.总温度/时间限制（热能承受能力） 精确做法必须按特性分温度层次器件的耐热测试器件的耐热测试回流炉的实际表现回流炉的实际表现炉子间一致性 您所能控制的仍属于有限 将您的质量管理技术延伸到 供应商质量管理 您的质量才有最好的保证第七讲第七讲 无铅回流技术简介无铅回流技术简介组装技术上的改变组装技术上的改变材料方面的影响材料方面的影响众多的选择 分散知识经验的累计 学习渠道更少 优化和管理更困难众多的选择众多的选择由于是门新技术，统一性还很缺乏 我们有无数的 器件镀层材料 焊料合金 器件镀层工艺 焊剂配方 pc

25、b镀层材料 pcb镀层工艺我们有本身的特有情况 工艺种类/路线 行业竞争特性 dfm能力 设备配置无铅技术带来的转变无铅技术带来的转变材料方面锡膏材料方面锡膏大量的锡膏合金选择 超过51项无铅合金专利 较可能被业界接收的：焊料合金的选择偏好焊料合金的选择偏好无铅技术带来的转变无铅技术带来的转变材料方面材料方面-器件器件 器件焊端材料也有许多选择 sn pd/ni ni/pd/au ni/au ag/pd ni/au/cu sn/cu ag/pt pd ag au 一级组装将会是个问题！ 高温无铅材料十分有限并价格昂贵！ 无铅器件供应情况无铅器件供应情况（欧盟）（欧盟）无铅器件供应情况无铅器件供

26、应情况（美国）（美国）无铅器件供应情况无铅器件供应情况（日本）（日本）无铅技术带来的转变无铅技术带来的转变材料方面材料方面-pcb焊盘保护处理： immersion ag pd/ni immersion sn pd /cu au/ni sn/cu osp(需要更好的测试） 多为锡铅时代的技术，不过工艺性和可靠性需要重新和新无铅锡膏评估！pcb镀层的选择偏好镀层的选择偏好材料的认证选择是最关键的工作材料的认证选择是最关键的工作材料的认证选择是最关键的工作材料的认证选择是最关键的工作工艺方面的影响工艺方面的影响工艺技术应用和管理的影响焊接工艺种类的定位影响焊接特性的变化工艺方面的影响工艺方面的影响

27、工艺做法不变基础工艺（选择，规范）工艺性设计（应用，遵从）试制工艺（认证，优化）现场工艺（微调优化，控制）集成配合集成配合无铅带来的是工艺参数的改变无铅带来的是工艺参数的改变无铅狭小的窗口要求更精细稳定的工艺无铅狭小的窗口要求更精细稳定的工艺 无铅在回流焊接上的影响无铅在回流焊接上的影响较高的焊接温度（可能达到255）更长的焊接时间（影响产能，热损坏风险）对dfm的要求更高（器件选择，焊盘，钢网等）对设备（炉子）性能要求更高（选够、保养）对工艺调制能力要求更高可能需要氮气环境温度曲线的转变温度曲线的转变无铅技术的常见故障无铅技术的常见故障回流不完整回流不完整高温加剧了器件和布局热容量高温加剧了器件和布局热容量差异的弱点！差异的弱点！无铅技术的常见故障无铅技术的常见故障爆米花故障爆米花故障无铅技术的常见故障无铅技术的常见故障高温带来的损害高温带来的损害无铅带来的转变无铅带来的转变材料方面器件材料方面器件高温的影响高温的影响pcb高温对pcb基材也带来了些改变一些产品应用上需要使用更高tg的fr4或fr5开始注意td的应用 t