【正文】 面回流焊接期間，越高的溫度 B 面焊盤氧化越嚴(yán)重。C ?？墒?，如果助焊劑不能接納較高的溫度水平，它又將蒸發(fā)，造成熔濕差，因?yàn)楹副P引腳氧化。傳統(tǒng)的預(yù)熱溫度一般在 140~160176。這大大減少在形成峰值回流溫度之前元件之間的溫度差。C 之內(nèi)。這個(gè)差別使用梯形曲線可減少到 8176。C 的溫度差別，結(jié)合式系統(tǒng)將這個(gè)溫度差減少到 3176。 對(duì)流回流產(chǎn)生在 QFP140P與 PCB之間 22176。圖四比較傳統(tǒng)噴嘴對(duì)流加熱與強(qiáng)制對(duì)流加熱的熱傳導(dǎo)特性。如果只使用一個(gè)熱源，不管是 IR 或者對(duì)流，將發(fā)生所示的加熱不一致。C 。而對(duì)流加熱沒 有輻射那么大的功率，它可以提供良好的、均勻的加熱。因?yàn)檫@個(gè)理由， IR 加熱器必須大于所要加熱的板，以保證均衡的熱傳導(dǎo)和有足夠的熱量防止 PCB 冷卻。可是，在該過(guò)程中，在對(duì)流空氣與 PCB 之間的一個(gè) “ 邊界層 ” 形成了，使得熱傳導(dǎo)到后者效率不高，如圖二所示。C 的空氣作用在包裝表面 焊盤與 BGA 錫球?qū)⒅饾u加熱而不是立即加熱。99, Leadfree Solders by Dr. J. Hwang. 峰值溫度維護(hù) 也必須考慮要加熱的零件的熱容量和傳導(dǎo)時(shí)間。這也戲劇性地減少錫膏熔點(diǎn)與峰值回流焊接溫度之間的差別，如圖一所示。C 以保證熔濕。由于金屬可溶濕性通常在較高溫度時(shí)提高，所以這些條件對(duì)生產(chǎn)是 有利的?？墒牵笮≡g這 30176。 Sn63/Pb37 錫膏的回流條件是熔點(diǎn)溫度為 183176。C 良好 一般 良好 Sn/ 表一與表二列出了典型的無(wú)鉛 (leadfree)錫膏 (solder paste)的特性和熔濕 (wetting)參數(shù)。 表一、典型的無(wú)鉛焊錫特性 合金 熔點(diǎn) 蠕變強(qiáng)度 熔濕 熱阻 Sn/ 216~221176。這個(gè)程序調(diào)查研究了在電子制造清潔工藝中使用的、減少氟氯化 碳 (CFC, chlorofluorocarbon) 水平的新的材料與工藝。 但是有沒有更簡(jiǎn)易的方法呢？通過(guò)引進(jìn)其它人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)縮短增加學(xué)習(xí)的彎路。 JSTD001 也有一般的數(shù)字要求，如表一所述。那么清潔系統(tǒng)是在焊接工藝與產(chǎn)品的兼容性的基礎(chǔ)上選擇的。這意味著裝配制造商必須告訴電路板制造商他們希望光板有多清潔。事實(shí)上，這些答案通常引發(fā)更多的問題，比如： “ 就這個(gè)嗎？ ” ； “ 如果污染物有更多的氯化物怎么辦？ ” ； “ 免洗工藝中的助焊劑殘留物怎么辦？ ” ； “ 假設(shè)用共形涂層 (conformal coat) 保護(hù)裝配會(huì)怎么樣？ ” ；或者， “ 其它的非離子污染物怎么辦？ ” 不象過(guò)去松香助焊劑主宰工業(yè)的 “ 那段好時(shí)光 ” ，新的表面涂層、助焊劑、焊接與清洗系統(tǒng)正不斷出現(xiàn)。 表一、 IPC 清潔度要求總結(jié) 標(biāo)準(zhǔn) 殘留物類型 適用范圍 清潔度標(biāo)準(zhǔn) IPC6012 離子 所有類別電子的阻焊涂層前的光板 IPC6012 有機(jī)物 * 所有類別電子的阻焊涂層前的光板 無(wú)污染物析出 JSTD001 所有類型 所有類別電子的阻焊涂層前的光板 足夠保證可焊性 JSTD001 顆粒 所有電子類別的焊后裝配 不松脫、不揮發(fā)、最小電氣間隔 JSTD001 松香 * 1 類電子的焊后裝配 2 類電子的焊后裝配 3 類電子的焊后裝配 200181。這是一個(gè)經(jīng)常被工業(yè)新手 所問的簡(jiǎn)單直率的問題，因此簡(jiǎn)單直率的答案一般是他們所想要的?；氐揭苯饘W(xué)基礎(chǔ)上面來(lái)是將來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的方法，因?yàn)閷ふ腋h(huán)境友好材料的動(dòng)力是政府法規(guī)所追求和所要求的。不純凈可以和加入低三元素產(chǎn)生同樣的影響，人們發(fā)現(xiàn)這樣會(huì)降低焊錫的熔濕 (wetting)特性。 規(guī)格 冶金學(xué)者很想知道當(dāng)各種金屬 開始在熔化的焊錫鍋中累積的時(shí)候發(fā)生什么，集合體特性將受到怎樣的影響。該建議的替代金屬的金相圖如圖三所示。 工藝上關(guān)注的問題 國(guó)際錫研究協(xié)會(huì) (ITRI, International Tin Research Institute)開辦了SOLDERTEC，一個(gè)無(wú)鉛焊接技術(shù)中心，來(lái)傳播前緣信息和收縮可利用的選擇。 對(duì)要接受的無(wú)鉛替代品，必須提供下列： ? 有足夠數(shù)量的來(lái)源 ? 與現(xiàn)有的工藝可兼容 ? 足夠的熔化溫度 ? 良好的焊點(diǎn)強(qiáng)度 ? 熱和電的傳導(dǎo)性類似 Sn/Pb ? 容易修理 ? 非毒性 ? 低成本 許多公司正在開發(fā)合適的替代合金，作為 “ 插入式 ” 的替代品，以遵守 歐洲和日本的法令。轉(zhuǎn)換到無(wú)鉛不是被工業(yè)所廣泛接受。氧化和金屬間化合的形成隨著時(shí)間改變著焊錫鍋中的成分，也改變了特性。這些溶質(zhì)輪廓可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過(guò)冷，盡管這個(gè)現(xiàn)象不是平面不穩(wěn)性的充分條件 5。轉(zhuǎn)換固相的轉(zhuǎn)化動(dòng)能被固體轉(zhuǎn)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)。有實(shí)例證明，沒有樹枝狀晶體出現(xiàn)的固化是可能的，整體的微結(jié)構(gòu)符合共晶。其合金圖是二元合金 系統(tǒng)的典型圖，適用于基本的冶金學(xué)原理。這個(gè)差異來(lái)自于早期對(duì)共晶成分的錯(cuò)誤計(jì)算。產(chǎn)量的增強(qiáng)要求使用快速固化的和可以在幾秒鐘內(nèi)形成數(shù)百焊接點(diǎn)的材料。因此，自擴(kuò)散系數(shù)和更大的擴(kuò)散控制特性的穩(wěn)定性是強(qiáng)鍵結(jié)合和有序結(jié)構(gòu)的結(jié)果 4。m 的 Cu6Sn5。 金屬間化合的形成與增長(zhǎng) 直到連接冷卻到可以處理，金屬間化合層還在增長(zhǎng)。 進(jìn)入焊點(diǎn)的流動(dòng)速度隨著表面分開的減少而減少。如果固體的表面能量相當(dāng)高于液態(tài)和固體/液態(tài)界面表面能量的總和，那么液態(tài)熔濕并流走。加熱 PCB 來(lái)補(bǔ)償溫差差，不對(duì)元件引起傷害。焊錫合金加熱到其液相線區(qū)域，以提高焊接點(diǎn)的熔濕 (wetting)。傳送帶系統(tǒng)通常在一個(gè)角度上，因此當(dāng)板通過(guò)波峰時(shí)，不會(huì)夾住任何東西在 PCB下面。 1 最早的浸焊方法有一些問題：很難重新產(chǎn)生所希望的合格率；將板放在熔化的焊錫上在底下夾住氣體，干擾熱傳導(dǎo)與焊錫接觸；焊錫只能熔濕 (wet)到金屬表面；錫渣 (氧化物與燃燒的助焊劑的化合物 )必須撇去，不斷地阻礙生產(chǎn) 2。在一個(gè)裝配上發(fā)現(xiàn)的材料包括：塑料、陶瓷、金屬、涂料、化學(xué)品及其廣泛不同的化學(xué)成分。焊接形成只是變化來(lái)滿足設(shè)備的要求；可是，化學(xué)成分和理論動(dòng)力學(xué)還是基本的和簡(jiǎn)單的。最早的大規(guī)模焊接概念是在英國(guó)的浸焊 (dip soldering)。為了決定與理解對(duì)波峰焊接工藝中被廣泛接受的焊錫作 “ 插入式 ” 替代的理論基礎(chǔ)，作一些研究是必要的。 圖一、回流后焊點(diǎn)直徑與印刷后焊點(diǎn) 直徑的比率。 結(jié)論 用德明循環(huán)，已經(jīng)達(dá)到該實(shí)施計(jì)劃的結(jié)尾。按照這個(gè)模式來(lái)實(shí)施 (或決定不實(shí)施 )新的發(fā)展。越來(lái)越多 的公司選擇SnAgCu 作為 SnPb 的替代材料， SnCu 由于成本的原因只用在波峰焊接。 工藝改進(jìn) 在實(shí)施之后，工藝必須持續(xù)地控制、改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，以節(jié)約成本和具有競(jìng)爭(zhēng)性。 維護(hù) 由于無(wú)鉛焊接的維護(hù)增加應(yīng)該不是所希望的。從我們?cè)跓o(wú)鉛實(shí)施中所看到的，缺陷數(shù)量沒有增加。如果必要，機(jī)器可以安裝一個(gè)不同波形形成器。C) 達(dá)到設(shè)定點(diǎn)的功率消耗 34kWh 36kWh 達(dá)到設(shè)定點(diǎn)的小時(shí) 小時(shí) 小時(shí) 在設(shè)定點(diǎn)的每小時(shí)功率消耗 5kWh 5KWh 功率消耗是在沒有板運(yùn)行通過(guò)焊接機(jī)器時(shí)測(cè)量的。C的極高焊接溫度與 250176。第一個(gè)增加是在裝配的預(yù)熱。 SnPb 曲線與線性的SnAgCu 曲線比較。為了決定功率的消耗，我們?cè)跈C(jī)器上安裝一個(gè)測(cè)量設(shè)備。使用一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀，溫度曲線逐步顯示在工藝期間裝配的時(shí)間溫度特性。C 峰值溫度： 235 2550176。C) 30 60 秒 保溫時(shí)間： (150170176。C/秒 最大坡度： 0 2176。因?yàn)檠趸镏皇清a渣中的一小部分，錫渣應(yīng)該壓縮，從氧化單元中部分地分離出焊錫金屬。通過(guò)減少波的下落高度，錫渣的數(shù)量將會(huì)更少。較高的溫度造成更多的氧化，造成更多的錫渣。 氧化物更容易看到有幾個(gè)原因。和錫鉛焊錫一樣，當(dāng)焊錫在液體狀態(tài)和高溫時(shí)無(wú)鉛焊錫氧化十分迅速。每一個(gè)工藝都有其自己特有的問題與挑戰(zhàn)。 最好，一臺(tái)爐應(yīng)該可以在空氣和氮?dú)庵羞\(yùn)行。 即便在回流焊接工藝中惰性氣體可能有幫助，但還有問題就是是否成本合理。 氮?dú)? 回流焊接爐 。 板的材料 除了禁止鉛之外，鹵化阻燃劑 (halogenated flame retardants)也將從板的材料中消除。C 5 秒鐘，的塑料現(xiàn)在正在設(shè)計(jì)，將會(huì)把價(jià)格推高。 SnAg 與 SnAgCu 錫球?qū)τ?BGA 似乎是 SnPb 的一個(gè)可接受的替代。這些研究將繼續(xù)下去，因?yàn)榇蠖鄶?shù)助焊劑供應(yīng)商還沒有成功地找到正確的配方。這個(gè)增加的部分原因是工藝中較高的溫度，使得阻焊 (solder resist)軟化。 如果可焊性提高，返工的數(shù)量將減少。特別是對(duì)于板上的殘留物和可焊性，它們是較好的。 表一、 SnPb 與 SnCu 的焊接質(zhì)量比較 SnPb SnCu 焊接 192 個(gè)引腳的板， 質(zhì)量增加 (克 ) 1,584 1,296 焊錫成本 100% 128% 焊接 470 個(gè)通孔的板， 每孔的平均質(zhì)量 (毫克 ) 10,382 8,880 焊錫成本 100% 126% 助焊劑 象在所有焊接工藝中一樣，助焊劑起主要的作用。如果形狀相同，那么無(wú)鉛合金的質(zhì)量將較少，由于其密度較大。用錫銅 (SnCu)合金填滿相同的錫鍋需要 661 公斤，其密度為 : 質(zhì)量 = ( 247。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)模式，比如 德明循環(huán) (Deming cycle)，可用來(lái)維護(hù)無(wú)鉛焊接工藝的控制，作出調(diào)整和改進(jìn)，并在可能的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)成本的節(jié)約。 無(wú)鉛焊接已經(jīng)引入了，因此無(wú)數(shù)的問題也提出來(lái)了。 在實(shí)施無(wú)鉛工藝之后，我們必須經(jīng)常跟進(jìn)、監(jiān)察和分析數(shù)據(jù)，以保持工藝在控制之中。 本文討論成本與能量效應(yīng)，并展示工藝必須不斷地檢驗(yàn)，因?yàn)榧夹g(shù)與工藝知識(shí)在將來(lái)會(huì)改進(jìn)的。 SnPb 的密度為 g/mm3。 考慮到焊接點(diǎn)和將 SnPb 與無(wú)鉛進(jìn)行比較，我們可以作下列計(jì)算。重量的增加多少都是所焊接的焊錫。 幾個(gè)試驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)證明無(wú) VOC 的助焊劑與無(wú)鉛焊錫比免洗助焊劑顯示較好的結(jié)果。雖然無(wú) VOC 的助焊劑更貴，用這些助焊劑的總成本大約是相同的或甚至更少，因?yàn)橛糜诤附拥目倲?shù)量將減少。 可是，錫球的數(shù)量隨著無(wú) VOC 助焊劑的使用 而增加。助焊劑供應(yīng)商正嘗試將松香溶解與水基助焊劑，在錫球數(shù)量上的減少另人贊賞。因?yàn)榧夹g(shù)是現(xiàn)成的，這些元件的價(jià)格預(yù)計(jì)不會(huì)大幅地增 加?？梢越?jīng)受較高溫度，如 280176。C ，并且將所有的焊錫按照無(wú)鉛錫膏的規(guī)格帶到熔點(diǎn)以上，那么對(duì)于用戶可 以得到元件成本的減少?，F(xiàn)在還不清楚這些價(jià)格將增加多少，因?yàn)槎鄶?shù)電路板供應(yīng)商還在優(yōu)化板材的選擇與其制造工藝。在其它工藝中，氮 氣可能造成更多的元件豎立，因此禁止或控制在一定水平。相對(duì)勞動(dòng)力是非常合算的。 對(duì)于氮?dú)鉀]有所謂一般性的說(shuō)法。 波峰焊接。對(duì)于無(wú)鉛焊錫，波上的氧化物可能更容易肉眼看到。其次，溫度比在錫鉛 焊接中更高。其它錫渣是在波峰上形成。氮?dú)馐浅杀居行У?，錫渣的數(shù)量可以減少。 表二、無(wú)鉛與 SnPb 回流焊接溫度曲線的能量消耗 SnPb 溫度曲線 線性 SnAgCu 溫度曲線 SnAgCu 溫度曲線 SnAg溫度曲線 最大坡度： 0 2176。C/秒 保溫時(shí)間： (150170176。C 峰值溫度： 232 245176。 在一個(gè)試驗(yàn)中， 我們將無(wú)鉛工藝的能量消耗與傳統(tǒng)的 SnPb 比較 (表二 )。 圖一、線性 SnAgCu溫度曲線 圖二、一班制的回流爐功率消耗 在另一個(gè)試驗(yàn)中，我們使用一 臺(tái)專門回流爐和一個(gè)典型的板裝配來(lái)設(shè)定溫度曲線。 圖二顯示在一班制工藝期間的一臺(tái)回流爐的功率消耗。 波峰焊接 在波峰焊接工藝中，由于較高的熔點(diǎn)和工藝溫度，有兩個(gè)區(qū)域?qū)?huì)顯示能量消耗的增加。如果我們將一種 280176。C) SnCu(280176。 圖三、一班制錫鍋的功率消耗 圖四、兩班制錫鍋的功率消耗 運(yùn)作成本 產(chǎn)出 一般，無(wú)鉛波峰焊接工藝要求較長(zhǎng)的接觸時(shí)間，以達(dá)到焊錫的良好濕潤(rùn)。 修理 失效率 焊接點(diǎn)看上去不同，顯示不同的形狀。對(duì)于修理工作，烙鐵嘴的氧化物增加也會(huì)發(fā)生。新的錫膏將有不同的助焊劑，將在較高的溫度下蒸發(fā)其它殘留物，但是不會(huì)造成維護(hù)間隔或時(shí)間的增加。 如果板的材料中不出現(xiàn)銅，例如銅焊盤上有機(jī)可焊性保護(hù)涂層 (OSP)，那么停留在合金，特別是 SnAg，的規(guī)格界限內(nèi)是非常困難的。 圖五、德明循環(huán) 板的布局 因?yàn)樾碌陌l(fā)展將會(huì)在無(wú)鉛焊接工藝的不同區(qū)域出現(xiàn)，所以要求持續(xù)使用一種標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)模式，如德明循環(huán) (Deming cycle)(圖五 )。 ? 做：運(yùn)行該試驗(yàn) ? 檢查：分 析試驗(yàn)的輸出和判斷是否該助焊劑滿足期望 ? 行動(dòng)：在工藝中實(shí)施該助焊劑，保持觀察品質(zhì)。 新型無(wú)鉛焊錫膏與回流技術(shù) By Jim Raby and David Heller 本文介紹，一項(xiàng)新的研究評(píng)估了 SnAgBi 和 SnAgCu 合金與裸銅和浸錫焊盤表面的性能表現(xiàn)。在焊接中涉及的基本冶金學(xué)原理已經(jīng)被許多非冶金人士所忽視，他們?yōu)榱藢ふ覞M足今天要求和更加環(huán)境友好的適當(dāng)材料。印刷電路板 (PCB)的發(fā)展需要一個(gè)更加經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)健的形成焊接連接的方法。焊接