回流焊技术的新发展

1、再流焊技术的新发展史建卫，何鹏，钱乙余1，袁和平2(1.哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室，黑龙江，哈尔滨 1500012.日东电子科技(深圳)有限公司，广东，深圳，518103)1,21摘 要：本文主要针对SMT技术发生的巨大变化，对再流焊技术未来发展进行了简单的阐述。关键词：无铅钎料，过程控制，柔性板，穿孔再流焊，选择性组装和再流焊工艺 中图分类号：TG454 文献标识号：A 文章编号：1004-4507(2005)01-0063-05Prospect of Reflow Soldering ProcessShi Jian-Wei, He Peng, Qian Yi-Yu1, Y

2、uan He-Ping2(1.Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China2.Sun East Electronic technology (ShenZhen) company Lt.d, Shenzhen, 518103 China) 1,21Abstract: This article expounds the future development of reflow soldering technology according to the changes of technology in SMT.Key words: Lea

3、d-Free Solder, Process Control, Flexile board, THR, AARTDocument Code: A Article ID: 1004-4507(2005)01-0063-05近年来，SMT技术发生了巨大的变化，如生产标准的改变、新型焊膏的使用、不同基材的出现，以及元器件本身材料和设计的革新，都给再流焊工艺提出了新的要求，一个总的趋势就是要求采用更先进的热传递方式和控制方式，达到节约能源，均匀温度，适合双面板和新型器件封装方式的焊接要求，并逐步实现对波峰焊的全面代替。本文主要对未来再流焊技术进行简单的叙述。1.无铅再流焊电子整机的无铅化发展是国际信息

4、产业工业发展的必然趋势，我国信息产业部也要求在2006年7月1日前，全国实现电子信息产品的无铅化。主要的几种无铅钎料（Sn-Ag，Sn-Ag-Cu等）相对于共晶Sn-Pb钎料的熔点都比较高（220左右），高的焊接温度容易造成焊盘及合金粉颗粒氧化。尤其是在双面板焊接中，200之上的高温使氧化膜厚度迅速增加，造成第二面焊盘氧化严重，润湿性差，焊点成型不良；再加上无铅钎料自身差的润湿性及易氧化性，再流焊工艺中要求采用氮气保护，以维持无铅工艺的高效生产。无铅再流焊工艺中，高的焊接温度通常使金属间化合物生长较快，在后期的使用过程中出现可靠性问题。因此，新一代再流焊设备应该配备快速冷却装置，通过高的冷却效

5、率来控制液相线以上的时间，继而控制金属间化合物的厚度。2.过程控制目前电子组装业将重点转移到工艺功能上，开发出控制组装工艺过程的能力，使得其以最低成本达到所要求的质量方面呈现出明显的差别。实时工艺数据作者介绍：史建卫（1979-），男，哈尔滨工业大学硕士研究生，主要从事SMT工艺与设备方面的研究能够即时反馈工艺的健康状况，采用这种方法可以实现零缺陷制造，可使操作人员在发现不符合技术规范的情况之前着手处理存在的问题。过程控制的目的是实现达到所要求的质量、尽可能低的成本这两个目标。应用现代过程控制手段，就可以降低废品率，降低返修成本，提高设备无故障时间几率，提高生产率和降低保修成本。过去，过程控制

6、主要集中于对缺陷的检测来提高质量；而现在，控制的最根本的内涵是对各种工艺进行连续的监控，并寻找出不符合要求的偏差。过程控制是一种获得影响最终结果的特定操作中相关数据的能力，一旦潜在的问题出现时，就可实时地接收相关信息，采取纠正措施，立即将工艺调整到最佳状况。传统的机器控制与生产过程控制之间存在着差别。以再流焊炉为例，其加热器中装有一些热电偶和一个编码器来控制传送机的传送速度。如果将加热器的温度设置为200，当温度开始往下降，热电偶就可探测出温差，并告诉再流焊炉控制器提高热输出量，反之亦然。但这并不是实际的工艺控制信息，由于电路板的质量、传送机的速度、炉子各区的温度、气流等的不同，进入炉子的印制

7、电路板（PCB）的温度曲线也不同。因此，监控实际工艺过程数据，才算是真正的工艺过程控制。在再流焊工艺控制中，也就意味着要对制造的每块板子的热曲线进行监控。一种能够连续监控再流焊炉的自动管理系统，能够在实际发生工艺偏移之前，指示其工艺是否偏移失控，即自动再流焊管理（ARM）系统。此系统把连续的SPC方块图，线路平衡网络、文件编制和产品跟踪组成完整的软件包，并能自动实时检测工艺数据，并能作出判断来影响产品成本和质量。自动再流焊管理系统基本功能是精确地自动检测和搜集通过炉子地产品数据，这种功能可以提供下列功能：1）不需要验证工艺曲线2）对零缺陷生产提供实时反馈和报警3）自动搜集再流焊工艺数据4）提供

8、再流焊工艺的自动SPC图表和工艺性能（Cpk）变量报警3.氮气保护对于是否使用惰性气体保护，必须综合考虑许多问题，包括产量要求的质量等级、氮气消耗费用等。惰性气体可以减少焊接过程中的氧化，因此可以使用活性较低的焊膏，这对低残留免清洗焊膏尤为重要。对于多次焊接工艺，比如双面板焊接中带有OSPs的板子，惰性气体能很好的保护板上铜质焊盘与线路的可焊性。惰性气体真正最大的好处是减少焊球和桥连等缺陷，降低成本。惰性气体一般选用氮气，它可以增加表面张力，使得制造商在选择器件时有更大的余地（尤其是超细间距器件），并且增加焊点表面光洁度，使薄型材料不易褪色。采用氮气保护存在费用问题，多少取决于各种各样的因素，

9、包括氮气在机器中的使用位置和氮气的利用率等，生产中应该减少氮气的消耗。目前大多数再流焊炉的工作方式都是大容量循环强制对流加热，这给氮气的控制与消耗提出了一个新的难题。一般通过使用遮挡板、卷帘幕等减少炉体进口尺寸，使外部的空气无法进入炉体内部。目前，焊膏的性能在不断的改进提高，以便将来的工艺中不再使用氮气保护；或至少在较高的氧浓度值下（1000ppm VS 50ppm）取得良好的焊接效果，减少氮气的用量。氮气消耗会增加产品成本，但与提高产量与质量所带来的利益比较，其费用是相对微不足道的。4.通孔再流焊（THR）通孔再流焊（也称插入式或带引针式再流焊）工艺在最近一段时期内应用得越来越广泛，因为它可

10、以省去波峰焊工序，或在混装板（SMT与THT）时用到。通孔式的接插件有较好的焊点机械强度，通孔再流焊技术虽可利用现有的SMT设备来组装通孔式的接插件，但在许多产品中，表面贴装式的接插件不能提供足够的机械强度；而且在大面积的PCB上，由于平整度的关系，很难使表面贴装式的接插件的所有引脚都与焊盘有一个牢固的接触。好的工艺可以用来处理通孔再流焊，但仍有一些问题值得讨论。首先是通孔再流焊工艺焊膏用量特别大，助焊剂挥发后形成的残留物很多，造成对机器的污染，所以助焊剂管理系统尤为重要。再就是许多通孔元器件（尤其是接插件）并非设计成可以承受再流焊的高温。要得到良好的焊接效果，问题的关键在于：一是要确保通孔再

11、流焊基板各部份的焊膏量都恰到好处，否则会出现填锡不足（图1），二是注意那些不能承受温度变化与遮蔽效应的元器件。通孔再流焊工艺发展的主要方向为工艺的完善与器件的改良。红外再流焊炉（IR）不能用于通孔再流焊，因为它没有考虑到热传递效应对于大块元器件与几何形状复杂的元器件（比如有遮蔽效应的元器件）的不同。强制热风再流焊炉有着极高的热传递效率，可用于通孔再流焊。无铅工艺中，剥离现象成为通孔再流焊技术中影响可靠性的新问题。元器件和电路板锡铅镀层容易产生剥离现象，焊点脱离焊盘（图2），原因是由于焊点凝固的不同时性。非共晶无铅焊膏及合金中铅的污染都可导致焊点的不同时凝固。图1 通孔再流焊中不同程度的焊锡填充

12、 图2 通孔再流焊中的剥离现象5.双面再流焊双面板工艺越来越多的被采用，并且变得更加复杂，这是因为它能给设计者提供更大、更灵活的设计空间。双面板大大加强了PCB的实际利用率，降低了制造成本。双面板经常采用的工艺是上面过再流焊炉，下面过波峰焊炉，双面都过再流焊炉是一种新的趋势，但工艺上有一些不足，比如二次再流时的掉件现象，焊点的重新熔化影响可靠性问题。有几种方法可用来完成二次再流，其一是将第一面的元件上胶固化，保证二次再流时不会从板上掉下来；其二是使用不同熔点的焊膏，二次再流时使用的焊膏熔点较一次的要低。但这种方法有一些问题需要注意：一是低熔点合金选择可能造成最后的成品在维修时有一个“太低”的熔

13、化温度；二是如果使用更高一级的再流温度会造成对元器件和基板的热冲击。对于大多数元件来说，二次再流时，焊点熔锡的表面张力足已使元件牢牢的固定在基板上。元件重量与引脚（焊盘）张力存在一个比例关系，可以计算出元件在二次再流时能不能粘贴在基板底部而不会掉落，从而不用对每一个元器件都做实际的测试，一般设计的标准为30g/in2。还有一种方法就是保证PCB上下板面存在温度差，使底部的温度在二次再流时始终达不到熔点。将冷的气体吹拂过基板底部，或采用红外辐射+强制对流加热方式都可实现温度差，但由于基板上下面的温差可能会导致有潜在的应力产生，需要用有效的手段和过程来消除应力，提高可靠性。三种热传导机制中（传导、

14、辐射和对流），只有后两者可通过再流焊炉控制。强制对流加热均衡，但在对流空气与PCB之间形成了一个“边界层”，使得热传导效率不高；红外加热如果控制适当，可均匀地加热元件，否则PCB和元件可能发生过热，而且由于颜色的不同造成板面温度均匀性差。采用IR+强制对流加热方式，强制对流为主，红外辐射为辅，通过控制红外辐射加热来实现上下板面温差。要注意的是红外辐射加热器局限于表面区域，大多数热传导集中在PCB的直接下方，不能均匀覆盖，所以红外辐射加热器必须大于所要加热的板，以保证均衡的热传导和有足够的热量防止PCB冷却。今后几年内，无论是在数量上还是在复杂程度上，高密度的双面板都将有一个长远的发展。双面板工

15、艺虽不简单，但许多问题都已在逐步的解决之中。6.连续柔性板再流焊处理表面贴装柔性基板的焊接问题，通常采用热压焊技术。现在一种特殊的处理贴装有SMT元器件连续柔性板的炉子已开发出来，与普通再流焊炉最大不同点是这种炉子特殊的处理柔性基板的导轨。这种再流焊炉可同时满足已连续式的柔性PCB与分离式PCB的焊接需要。在处理分离式PCB基板时，炉中的流量与前几段工位的状况无依赖关系，再流焊炉的工作连续性并不受前道工序的影响。但是对于成卷连续的柔性板，它在整条线上是连续的，生产线任何一个特殊问题的停顿就意味着全线必须停顿，使柔性基板带停止传递。这就产生一个特殊问题：停在炉内的柔性基板会因高温而遭到损坏。因此

16、，这种特殊的再流焊炉必须具备应变随机停顿的能力，继续处理完该段柔性板，并在全线恢复连续运转时回到正常工作状态。7.温度曲线优化技术目前高速发展的（MEMS）微机电系统器件、光电电路板（EOCB）、SOC(片上系统)等组件或系统级器件，对当前的SMT组装系统和技术提出了严峻的挑战。不断增加的组装密度产生了很多的产品质量问题。传统的再流焊温度曲线确定方法已不能适应这一要求，甚至很难完成，加上快速发展的无铅焊接工艺又减少了工艺窗口，使这一问题难上加难，因而使用计算机技术对再流焊焊接工艺进行仿真的方法得到了广泛的注意。这种方法可以大大缩短工艺准备时间，降低实验费用，提高焊接质量，减小焊接缺陷。通过使用

17、PCB CAD数据的产品模型结构建立再流焊工艺仿真模型，可以替代传统的在线参数设置过程，甚至可以用来在生产前确保PCB设计与再流焊工艺的的兼容性，指导可制造性设计（DFM）。该仿真模型也可以消除使用热电偶测试时无法覆盖全部产品区域的缺陷。通过建立的PCB组件模型求解器和构建的再流焊炉模型，对于特定的工艺设置可以较精确地预测PCB组件的再流焊温度曲线。在仿真过程中，建立的模型可以预测再流焊过程中PCB组件的温度及其上面任意点的温度变化过程。使用该方法在PCB设计阶段来进行新产品的工艺优化，可以相当简便的确保产品设计与工艺设备的相容性。8.垂直烘炉技术市场对于产品小型化的需求，使倒装芯片、阵列封装

18、（BGA、CSP）等得到广泛的应用。倒装芯片是将芯片倒装后用焊球将其与基板直接焊接，元件贴装后具有更小的占地面积和更高的信号传递速率。底部填充或灌胶工艺用来加强焊点结构，使其能抵受由于硅片与PCB材料的热膨胀系数不一致而产生的应力，一般常会采用上滴或围填法来把晶片用胶封装起来。几乎所有的封装胶都需要很长的固化时间，所以对于在线生产的炉子来讲是不现实的，通常会使用成批处理的烘炉，但是垂直烘炉技术已趋于成熟，在温度曲线比普通再流炉更为简单时，垂直烘炉可以成功地进行固化过程。垂直烘炉使用一个垂直升降的PCB传输系统作为缓冲/堆积区，这就延长了PCB板在一个小占地面积的烘炉中驻留的时间，得到足够长的固

19、化时间。9.AART工艺近年来，AART(Alternative Assembly and Reflow Technology)工艺引起PCB组装业的兴趣。AART工艺可以同时进行通孔元件和表面贴装元件的再流焊，省去波峰焊和手工焊。AART工艺次序相比传统的工艺有更少的成本、周期和缺陷率，它的使用可以减少焊接工序。AART必须考虑到材料、设计和影响它的工艺因素，其中包括选择合适的焊膏，决定所需的焊膏沉淀量，推荐模板开孔设计参数、使用的元器件材料。插入方式（自动或手动）和再流焊温度曲线是非常重要的工艺参数，因为它们影响最终效果。一个决策系统DSS（Decision Support Systerm

20、）可以帮助工程师来实施AART工艺。DSS系统可以预测孔填充量（参数包括刮刀类型、印刷压力、印刷速度、孔径、刮刀角度、板厚度），估算所需沉淀的焊膏量（参数包括焊膏金属含量、合金成分、助焊剂密度、模板厚度和孔径、印刷参数、焊盘直径、板厚、引脚特征），设计相关的模板孔径，优化再流焊工艺参数（参数包括预热温度，峰值温度，预热时间，液相线以上停留时间，温度爬升、冷却速率等）。通过AART工艺，可以建立复杂的PCB组装工艺。10.设备新功能目前大多数再流焊炉的设计工作温度在300以下，而高熔点无铅焊膏用于BGA、双面板、混装板的生产时，需要更高的温度（350400），也就意味着再流焊炉需要工作在一个更高

21、的温度环境中，因此必须改进再流焊炉的设计方案以满足这种需求。为了消除无铅工艺中高温所带来的PCB板氧化与破坏，改善无铅钎料的润湿性，通常采用氮气保护，也就意味着再流焊炉需要配备氮气保护装置。为了解决无铅钎料工艺窗口变窄问题，实现实时工艺数据的反馈，达到零缺陷制造，新一代再流焊炉还需有自动再流焊管理系统，进行精确的过程控制。目前最先进的再流焊炉设计思想中，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。随着无铅焊膏、免洗/低残留焊膏的大量使用和通孔再流焊工艺的发展，如何处理助焊剂残留物变得越来越重要。因为焊膏内含有的大量高沸点溶剂取代原来的松香，以获得理想的焊膏流变性，它们从焊膏中挥发出来

22、，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，因为通过抽气口将挥发物抽走的方法是不现实的，抽气口会带走大量有用的氮气。新型的助焊剂管理系统让气流在机内循环，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（含氮气）送回炉内。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。从助焊剂管理系统出来的冷气流还有额外的好处，一方面可送到冷却区，对焊点与PCB进行冷却；另一方面可送到炉内的其它地方加以利用，如分隔不同加热区的温度，或扩大上下加热区的温差。目前的冷却系统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）。一种新的冷却系统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，使得气流量在被阻塞物减弱之前就将助焊剂沉积物清除干净，从而提供一个恒定不变的冷却速率。此系统还可以引导助焊剂管理系统里的冷气流，进一步增强冷却