【正文】 打破焊接的障礙　　本文介紹，在化學和粒子形態(tài)學中的技術突破已經導致新型焊接替代材料的發(fā)展?！　‰S著電子制造工業(yè)進入一個新的世紀，該工業(yè)正在追求的是創(chuàng)造一個更加環(huán)境友善的制造環(huán)境。自從1987年實施蒙特利爾條約(從各種物質，如大氣微粒、制冷產品和溶劑，保護臭氧層的一個國際條約)，就有對環(huán)境與影響它的工業(yè)和活動的高度關注。今天，這個關注已經擴大到包括一個從電子制造中消除鉛的全球利益?！　∽詮挠∷㈦娐钒宓恼Q生，鉛錫結合已經是電子工業(yè)連接的主要方法?，F在，在日本、歐洲和北美正在實施法律來減少鉛在制造中的使用。這個運動，伴隨著在電子和半導體工業(yè)中以增加的功能向更加小型化的推進，已經使得制造商尋找傳統(tǒng)焊接工藝的替代者。新的工業(yè)革命　　這是改變技術和工業(yè)實踐的一個有趣時間。五十多年來，焊接已經證明是一個可靠的和有效的電子連接工藝。可是，對人們的挑戰(zhàn)是開發(fā)與焊錫好的特性，如溫度與電氣特性以及機械焊接點強度，相當的新材料；同時，又要追求消除不希望的因素，如溶劑清洗和溶劑氣體外排。在過去二十年里，膠劑制造商在打破焊接障礙中已經取得進展，我認為值得在今天的市場中考慮。都是化學有關的東西　　在化學和粒子形態(tài)學中的技術突破已經導致新的焊接替代材料的發(fā)展。在過去二十年期間，膠劑制造商已經開發(fā)出導電性膠(ECA, electrically conductive adhesive)，它是無鉛的，不要求鹵化溶劑來清洗，并且是導電性的。這些膠也在低于150176。C的溫度下固化(比較焊錫回流焊接所要求的220176。C)，這使得導電性膠對于固定溫度敏感性元件(如半導體芯片)是理解的，也可用于低溫基板和外殼(如塑料)。這些特性和制造使用已經使得它們可以在一級連接的特殊領域中得到接受，包括混合微電子學(hybird microelectronics)、全密封封裝(hermetic packaging)、傳感器技術以及裸芯片(bare die)、對柔性電路的直接芯片附著(directchip attachment)?！　?混合微電子學、全密封封裝和傳感器技術：環(huán)氧樹脂廣泛使用在混合微電子和全密封封裝中，主要因為這些系統(tǒng)有一個環(huán)繞電子電路的盒形封裝。這樣封裝保護電子電路和防止對元件與接合材料的損傷。焊錫還傳統(tǒng)上使用在第二級連接中，這里由于處理所發(fā)生的傷害是一個問題，但是因為整個電子封裝是密封的，所以焊錫可能沒有必要?；旌衔㈦娮臃庋b大多數使用在軍用電子中，但也廣泛地用于汽車工業(yè)的引擎控制和正時機構(引擎罩之下)和一些用于儀表板之下的應用，如雙氣控制和氣袋引爆器。傳感器技術也使用導電性膠來封裝壓力轉換器、運動、光、聲音和振動傳感器。導電性膠已經證明是這些應用中連接的一個可靠和有效的方法?！　∪嵝噪娐罚喝嵝噪娐肥鞘褂脤щ娦阅z的另一個應用領域。柔性電路的基板材料，如聚脂薄膜(Mylar)1，要求低溫處理工藝。由于低溫要求，導電性膠是理想的。柔性電路用于消費電子，如手機、計算機、鍵盤、硬盤驅動、智能卡、辦公室打印機，也用于醫(yī)療電子，如助聽器?？臻g的需求　　膠劑制造商正在打破焊接障礙中取得進步，由于空間和封裝的考慮，較低溫度處理工藝和溶劑與鉛的使用減少。由于空間在設計PCB和電子設備時變得越來越珍貴，裸芯片而不是封裝元件的使用變得越來越普遍。封裝的元件通常有預上錫的連接，因此它們可以焊接到PCB上。通過消除這些元件和使用半導體裸芯片，空間減少并且環(huán)氧樹脂可替代連接方法。環(huán)氧樹脂固化溫度不會負面影響芯片，該連接也消除了鉛的使用。在產品設計可受益于整體尺寸減少的情況中(如，助聽器)，從表面貼裝技術封裝消除焊接點和用環(huán)氧樹脂來代替，將幫助減少整體尺寸。可以理解，通過減小尺寸，制造商由于增加市場份額可以經常獲得競爭性邊際利潤?！　≡陂_發(fā)電子元件中從一開始，封裝與設計工程師可以利用較低成本的塑料元件和基板，因為導電性膠可用于連接。另一個消除鉛而出現的趨勢是貴金屬作為元件電極的更多用量，如金、銀和鈀，環(huán)氧樹脂可取代這些金屬用作接合材料?！　×硗?，用環(huán)氧樹脂制造的PCB和電子元件不要求溶劑沖刷或溶劑的處理，因此這給予重大的成本節(jié)約。未來是光明的　　導電性膠已經在滲透焊錫市場中邁進重要的步子。隨著電子工業(yè)繼續(xù)成長與發(fā)展，我相信導電性膠(ECA)將在電路連接中起重要作用 特別作為對消除鉛的鼓勵，將變得更占優(yōu)勢。并且隨著在電子制造中使用小型和芯片系統(tǒng)(systemonchip)的設計，對環(huán)氧樹脂作為一級和二級連接使用的進一步研究將進行深入。 再流焊溫度曲線記錄器的研究與應用第七研究室作者：常青　鄭毅　張小燕 摘要：再流焊是表面安裝組件生產中的關鍵工序。焊接中的印制板從材質、結構、元件布局、焊膏牌號等都各不相同，因此印制板焊接的溫度曲線也就均有差異。目前由于 QFP和BGA等器件大量采用，如何準確地測試、調整印制板溫度曲線是提高焊接質量的關鍵。國外SMT行業(yè)已經認識到這點，相繼地開發(fā)出了各種溫度曲線記錄器，在國內也有越來越多的專業(yè)人員投入到這個課題的研究開發(fā)中來。本文重點闡述了WJQ－3溫度記錄器的結構與工作原理及應用。 關鍵詞：再流焊；溫度曲線；溫度記錄器 表面安裝技術(SMT)是包括從元器件、貼裝設備、焊接設備及組裝輔助材料等內容的綜合系統(tǒng)技術。實踐證明，要想做出高質量產品，僅僅具有高級的SMT硬件設備是不夠的，還依賴于對設備正確的使用和調節(jié)。而再流焊是印制板組裝過程中最后一道關鍵工序，印制板(PCB)的焊接溫度曲線設置是否正確直接決定焊接質量。 1再流焊溫度曲線測試的必要性 再流焊是通過加熱融化預先涂敷到印制板焊盤上的焊膏，冷卻后實現表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣聯(lián)接。影響焊接效果的主要因素包括：元器件的可焊性、焊料的性能和給印制板提供的熱量。為給印制板提供適當且足夠的熱量，就需要準確地控制加熱溫度與時間。實際組裝的印制板組件千差萬別，從材質上分，有環(huán)氧玻璃布板、陶瓷板、鋁基板和柔性印制板等；從構造上分，有單面板、雙面板、多層板；而且印制板的元件布局、密度、走線也各不相同。所以需要針對板子的具體情況調整加熱溫度和時間。 加熱過程中，必須考慮對元器件的熱沖擊。例如，有機半導體電解電容是表面貼裝元件(SMC)中對熱比較敏感的元件。材料與結構使它能承受的溫度與時間是230℃，3OS。片式多層陶瓷電容的脆性和精細多層結構也使得它對熱沖擊相當敏感。當今小型細間距QFP和BGA等器件大量采用，它們的焊接效果直接決定了整塊印制板焊接的成敗。所以，越來越多的SMT工藝技術人員認識到控制再流焊溫度曲線的重要性。 在SMT生產中為滿足自動化生產和大批量生產的需要，絕大多數均采用隧道式連續(xù)傳送結構的再流焊爐。這種再流焊爐普遍具有3個以上的溫區(qū)。各溫區(qū)溫控儀表顯示的溫度只是控溫熱電偶所處位置即爐膛內若干個固定點的溫度，由于控溫熱電偶測試點與印制板有一段距離，而且印制板是從爐膛中動態(tài)地穿過，所以溫區(qū)設定溫度并不是印制板上的實際溫度。實際上，印制板上的溫度變化遠比儀表的顯示溫度復雜得多，因此對于再流焊爐操作者來說只憑經驗，很難在短時間內把這種再流焊爐的溫度設定和傳動速度調節(jié)到最佳狀態(tài)?，F在，大型的由計算機控制的再流焊爐普遍帶有測試熱電偶接口。將這種接口接上長熱電偶，再把熱電偶和印制板一起送入爐膛，可以實測印制板在爐內的溫度曲線，并且可以由軟件實現對測量結果的存儲、調用和打印。而對于儀表控制的再流焊爐來說，沒有這樣的裝置，操作者也就無法知道印制板上的實際溫度曲線。針對這種情況，國外有些如ECD、DATAPAQ、ERSA等公司開發(fā)了多種型號的溫度曲線記錄器。在國內也有越來越多的專業(yè)人員開始投入這個課題的研究開發(fā)中來，1999年4月信息產業(yè)部電子第二研究所SMT系統(tǒng)工程部研制成了WJQ－3溫度記錄器，并已投放市場。 2 　WJQ－3型溫度記錄器的結構與原理 WJQ－3溫度記錄器組件如圖l所示： RS232通訊線——用它可把記錄器的通訊插座與PC機RS232口連接起來，實現數據傳送。 印制板——為具體測試用的板子。 熱電偶——測量溫度傳感器。 插頭——可連接熱電偶至記錄器。 保溫套——它保護記錄器內部電路板免受高溫影響。 安裝盤——WJQ－3數據分析軟件。 WJQ－3溫度記錄器的外殼是由不銹鋼制成的扁平金屬盒子。側面帶有3個熱電偶插座，內芯的另一側面帶有電源開關、通訊插座和充電器插座。所配熱電偶為K型。它的工作原理是：將三支(也可用一支或兩支)細絲狀微型K型熱電偶的探頭用焊料或膠粘劑固定在印制板上需要監(jiān)測的三點上，再把熱電偶與溫度記錄器上的熱電偶插座相連。打開溫度記錄器的電源開關，套好保溫罩，記錄器和被測印制板一起隨爐子的傳送網或傳送鏈從爐膛中穿過，并將隨時間變化的溫度數據保存在記錄器內的非易失性存儲器中。當印制板和記錄器從爐膛內傳送出來后，取下保溫罩，關閉電源開關。用通訊電纜將記錄器聯(lián)接到PC機RS－232串行口上，啟動WJQ－3溫度記錄器專用數據分析軟件后，打開記錄器電源開關，啟動通訊功能后，進入通訊狀態(tài)。數據傳送完畢，軟件就將從記錄器內讀出的數據繪制成曲線(溫度曲線)顯示在PC機屏幕上。需要時還可把曲線和數據打印出來。所測出的溫度曲線全面、準確地反映了印制板各測試點的溫度與時間關系。細絲狀熱電偶探頭微小，可監(jiān)視任何細小間距器件引腳或焊盤的溫度，并且測量結果比較接近真實溫度。 3 wJQ－3溫度記錄器的實際應用 下面僅以我們在沈陽某廠的調機過程為例說明如何使用溫度記錄器來調整焊接工藝參數。 該廠組裝的印制板材質為環(huán)氧玻璃布板，尺寸為200(L)100(W)mm，是典型的雙面混裝板，它的生產工序為： 先絲印A面→手工貼裝→焊接A面→翻轉印制板絲印B面→手工貼裝→焊接B面→手工焊接插裝元件 在A面板子中心有一QFPl32腳的大型器件，其余均為SOP集成電路、片阻、片容和片式鉭電容，分布在它四周，其中靠近印制板邊緣還有一小的PLCC20腳器件。焊接所用設備為P18－T200紅外熱風混合式鏈條傳送再流焊爐。A面印刷所用焊膏為Sn63／Pb37(熔點為183℃)。 B面正對A面QFP處有一PLCC44腳器件，其余的SOP集成電路和片阻片容元件，分布在它四周。 B面所用焊膏為Sn62/Pb36從82(熔點為179℃)。要求在焊接B面時必須確保印制扳A面的片式元器件均不能熔化脫落。一般情況下，處于下面的小元件如片式阻容元件和 SOP集成電路即使再次熔化，由于熔融焊料表面張力的作用也不會脫落。但是QFPl32腳器件體積大，在熔化后會因其重力大于焊料的表面張力而脫落，以前該廠曾發(fā)生過這種問題。原來該廠生產中設置的再流焊爐工藝參數為：預熱l－275℃，預熱2－210℃，焊接－275℃，鏈速300mm／min，由于沒有測試手段，印制板上溫度分布不合理，從而造成焊出的印制板焊點不光亮。 這次廠方給我們提供了一塊同樣的印制板，我們首先對印制板進行分析。 A面的QFP是大型關鍵器件，B面的PLCC44在焊接時吸熱較多，是印制板上溫度最低的區(qū)域。印制板上無元件的邊緣，是印制板上溫度最高的區(qū)域，在焊接時要確保它的溫度不超過印制板所能承受的最高溫度，否則印制板會受高溫而損壞。我們將A路熱電偶焊在小型SOP引腳上，B路熱電偶焊在QFPl32的引腳上，C路熱電偶焊在無元件的印制板邊緣過孔處。焊接時采用高熔點焊膏(如熔點為268℃的Snl0／Pb88/Ag2焊膏)，以確保熱電偶在升溫過程中不脫焊。測試后的溫度曲線如圖2所示： 從圖6中可看出B面除PLCC外的元件均達到焊接熔化溫度，同時A面QFP元件的溫度在熔點附近，沒有熔化脫落。于是采取折衷辦法，焊接完B面后，再用熱風槍單獨焊接PLCC44腳元件。 從整個調整過程我們有幾點體會： 1．從焊接工藝角度考慮，兩個大元件(QPPl32和PLCC44)在A面與B面正對放置，板子布局不合理，因為它們均吸熱很多，如果要保證它們得到良好焊接，印制板上其它元件勢必過熱。 2，Sn63／Pb37和Sn62／Pb36／Ag2焊膏熔點相差不大，起不到分次焊接的作用。我們建議該廠今后可采取在一面的PCB焊盤圖形中央涂敷粘接劑以加強SMD的固定或印制板兩面采用不同熔點的焊膏(至少相差30℃，如一面用183℃的焊膏，另一面用22l℃的焊膏)的方法來解決。 如上所述，用溫度記錄器測試后，操作者可用溫度曲線與所用焊膏的推薦曲線比較，從而能夠實現對再流焊工藝的溫度、速度實現精確的調整，獲得最佳焊接質量。除此之外， WJQ－3溫度記錄器數據分析軟件可以對記錄后的數據作深入的分析——可以計算3條曲線每一段的升溫速率：能夠對熱電偶的偏差進行修正：還可輸入記錄曲線時爐子的工作狀態(tài)信息。在實際生產中，對于多品種、小批量的場合，記錄工作狀態(tài)信息是非常必要的功能。它可以將當時爐子的各溫區(qū)設定溫度、傳動速度、印制板尺寸和名稱保存在與溫度曲線對應的數據文件中，方便存檔及日后重新生產時直接調用。使用溫度記錄器能夠在短時間內準確的把再流焊爐的工藝參數調整好，克服了以前缺乏測試手段而造成的印制板浪費和次品率高等等弊端，給SMT工藝人員帶來極大的便利，生產效率明顯提高。因為可以精確地測出印制板上實際溫度，所以有時可以通過調整工藝參數，省略點膠等生產工藝，達到節(jié)省時間和節(jié)約原材料消耗的效果。 WJQ—3溫度記錄器在具體使用時，要注意以下幾點： (1)選取能代表印制板上溫度最高、最低、中間部位的3點放置熱電偶探頭。再流焊爐所用的傳動方式不同會影響最高、最低部位的溫度分布情況。對此，應結合爐子的具體情況分析，以便全面的反映印制板各部位的真實受熱狀態(tài)。調整工藝參數時，要保證對熱敏感的元器件不超過最高承受溫度，同時也要保證處于最低溫度區(qū)域的