【正文】 89 / 90打破焊接的障礙　　本文介紹，在化學(xué)和粒子形態(tài)學(xué)中的技術(shù)突破已經(jīng)導(dǎo)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(jì)，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(zhì)，如大氣微粒、制冷產(chǎn)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(guān)注。今天，這個關(guān)注已經(jīng)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(jié)合已經(jīng)是電子工業(yè)連接的主要方法?，F(xiàn)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(dǎo)體工業(yè)中以增加的功能向更加小型化的推進，已經(jīng)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(shù)和工業(yè)實踐的一個有趣時間。五十多年來，焊接已經(jīng)證明是一個可靠的和有效的電子連接工藝?？墒牵瑢θ藗兊奶魬?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(dāng)?shù)男虏牧?；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(jīng)取得進展，我認(rèn)為值得在今天的市場中考慮。都是化學(xué)有關(guān)的東西　　在化學(xué)和粒子形態(tài)學(xué)中的技術(shù)突破已經(jīng)導(dǎo)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(jīng)開發(fā)出導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電性膠對于固定溫度敏感性元件(如半導(dǎo)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(jīng)使得它們可以在一級連接的特殊領(lǐng)域中得到接受，包括混合微電子學(xué)(hybird microelectronics)、全密封封裝(hermetic packaging)、傳感器技術(shù)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(xué)、全密封封裝和傳感器技術(shù)：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。混合微電子封裝大多數(shù)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(gòu)(引擎罩之下)和一些用于儀表板之下的應(yīng)用，如雙氣控制和氣袋引爆器。傳感器技術(shù)也使用導(dǎo)電性膠來封裝壓力轉(zhuǎn)換器、運動、光、聲音和振動傳感器。導(dǎo)電性膠已經(jīng)證明是這些應(yīng)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?dǎo)電性膠的另一個應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)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(qū)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(shè)計PCB和電子設(shè)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(yù)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(dǎo)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(fù)面影響芯片，該連接也消除了鉛的使用。在產(chǎn)品設(shè)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(shù)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?？梢岳斫?，通過減小尺寸，制造商由于增加市場份額可以經(jīng)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(shè)計工程師可以利用較低成本的塑料元件和基板，因為導(dǎo)電性膠可用于連接。另一個消除鉛而出現(xiàn)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(dǎo)電性膠已經(jīng)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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(chǎn)中的關(guān)鍵工序。焊接中的印制板從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、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(zhǔn)確地測試、調(diào)整印制板溫度曲線是提高焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。國外SMT行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到這點，相繼地開發(fā)出了各種溫度曲線記錄器，在國內(nèi)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(jié)構(gòu)與工作原理及應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：再流焊；溫度曲線；溫度記錄器 表面安裝技術(shù)(SMT)是包括從元器件、貼裝設(shè)備、焊接設(shè)備及組裝輔助材料等內(nèi)容的綜合系統(tǒng)技術(shù)。實踐證明，要想做出高質(zhì)量產(chǎn)品，僅僅具有高級的SMT硬件設(shè)備是不夠的，還依賴于對設(shè)備正確的使用和調(diào)節(jié)。而再流焊是印制板組裝過程中最后一道關(guān)鍵工序，印制板(PCB)的焊接溫度曲線設(shè)置是否正確直接決定焊接質(zhì)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(yù)先涂敷到印制板焊盤上的焊膏，冷卻后實現(xiàn)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(dāng)且足夠的熱量，就需要準(zhǔn)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(zhì)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(gòu)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(diào)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(xì)多層結(jié)構(gòu)也使得它對熱沖擊相當(dāng)敏感。當(dāng)今小型細(xì)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(shù)人員認(rèn)識到控制再流焊溫度曲線的重要性。 在SMT生產(chǎn)中為滿足自動化生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)的需要，絕大多數(shù)均采用隧道式連續(xù)傳送結(jié)構(gòu)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?zé)犭娕妓幬恢眉礌t膛內(nèi)若干個固定點的溫度，由于控溫?zé)犭娕紲y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(shè)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(fù)雜得多，因此對于再流焊爐操作者來說只憑經(jīng)驗，很難在短時間內(nèi)把這種再流焊爐的溫度設(shè)定和傳動速度調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)?，F(xiàn)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(nèi)的溫度曲線，并且可以由軟件實現(xiàn)對測量結(jié)果的存儲、調(diào)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(nèi)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(nèi)部電路板免受高溫影響。 安裝盤——WJQ－3數(shù)據(jù)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(cè)面帶有3個熱電偶插座，內(nèi)芯的另一側(cè)面帶有電源開關(guān)、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(xì)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(guān)，套好保溫罩，記錄器和被測印制板一起隨爐子的傳送網(wǎng)或傳送鏈從爐膛中穿過，并將隨時間變化的溫度數(shù)據(jù)保存在記錄器內(nèi)的非易失性存儲器中。當(dāng)印制板和記錄器從爐膛內(nèi)傳送出來后，取下保溫罩，關(guān)閉電源開關(guān)。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(shù)據(jù)分析軟件后，打開記錄器電源開關(guān)，啟動通訊功能后，進入通訊狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳送完畢，軟件就將從記錄器內(nèi)讀出的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)打印出來。所測出的溫度曲線全面、準(zhǔn)確地反映了印制板各測試點的溫度與時間關(guān)系。細(xì)絲狀熱電偶探頭微小，可監(jiān)視任何細(xì)小間距器件引腳或焊盤的溫度，并且測量結(jié)果比較接近真實溫度。 3 wJQ－3溫度記錄器的實際應(yīng)用 下面僅以我們在沈陽某廠的調(diào)機過程為例說明如何使用溫度記錄器來調(diào)整焊接工藝參數(shù)。 該廠組裝的印制板材質(zhì)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(chǎn)工序為： 先絲印A面→手工貼裝→焊接A面→翻轉(zhuǎn)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(shè)備為P18－T200紅外熱風(fēng)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(chǎn)中設(shè)置的再流焊爐工藝參數(shù)為：預(yù)熱l－275℃，預(yù)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(guān)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(fēng)槍單獨焊接PLCC44腳元件。 從整個調(diào)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?qū)崿F(xiàn)對再流焊工藝的溫度、速度實現(xiàn)精確的調(diào)整，獲得最佳焊接質(zhì)量。除此之外， WJQ－3溫度記錄器數(shù)據(jù)分析軟件可以對記錄后的數(shù)據(jù)作深入的分析——可以計算3條曲線每一段的升溫速率：能夠?qū)犭娕嫉钠钸M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(chǎn)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(dāng)時爐子的各溫區(qū)設(shè)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(yīng)的數(shù)據(jù)文件中，方便存檔及日后重新生產(chǎn)時直接調(diào)用。使用溫度記錄器能夠在短時間內(nèi)準(zhǔn)確的把再流焊爐的工藝參數(shù)調(diào)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(chǎn)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(diào)整工藝參數(shù)，省略點膠等生產(chǎn)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(yīng)結(jié)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(diào)整工藝參數(shù)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