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回流焊工艺发展介绍

发布时间:2011-01-13   

由于电子产品不断小型化的需要,出现了片状元件,传统的焊接方法已不能适应需要。首先在混合集成电路组装中采用了回流焊工艺,组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感,贴装型晶体管及二极管等。

随着SMT整个技术发展日趋完善,多种贴片元件(SMC)和贴装器件(SMD)的出现,作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展,其应用日趋广泛,几乎在所有电子产品领域都已得到应用,而回流焊技术,围绕着设备的改进也经历以下发展阶段。

1.热板(Hot-plate)及推板式热板传导回流焊

这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热,通过热传导的方式加热基板上的元件,用于采用陶瓷(Al2O3)基板厚膜电路的单面组装,陶瓷基板上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量,其结构简单,价格便宜。我国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类设备。

2.红外线辐射回流焊

此类回流焊炉也多为传送带式,但传送带仅起支托、传送基板的作用,其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热,炉膛内的温度比前一种方式均匀,网孔较大,适于对双面组装的基板进行回流焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在我国使用的很多,价格也比较便宜。

3.红外加热风(Hotair)回流焊

这类回流焊炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更均匀,单纯使用红外辐射加热时,人们发现在同样的加热环境内,不同材料及颜色吸收热量是不同的,即(1)式中Q值是不同的,因而引起的温升ΔT也不同,例如IC等SMD的封装是黑色的酚醛或环氧,而引线是白色的金属,单纯加热时,引线的温度低于其黑色的SMD本体。加上热风后可使温度更均匀,而克服吸热差异及阴影不良情况,IR+Hotair的回流焊炉在国际上曾使用得很普遍。

4.充氮(N2)回流焊

随着组装密度的提高,精细间距(Finepitch)组装技术的出现,产生了充氮回流焊工艺和设备,改善了回流焊的质量和成品率,已成为回流焊的发展方向。氮气回流焊有以下优点:

(1)防止减少氧化

(2)提高焊接润湿力,加快润湿速度

(3)减少锡球的产生,避免桥接,得到列好的焊接质量

得到列好的焊接质量特别重要的是,可以使用更低活性助焊剂的锡膏,同时也能提高焊点的性能,减少基材的变色,但是它的缺点是成本明显的增加,这个增加的成本随氮气的用量而增加,当你需要炉内达到1000ppm含氧量与50ppm含氧量,对氮气的需求是有天壤之别的。现在的锡膏制造厂商都在致力于开发在较高含氧量的气氛中就能进行良好的焊接的免洗焊膏,这样就可以减少氮气的消耗。

对于中回流焊中引入氮气,必须进行成本收益分析,它的收益包括产品的良率,品质的改善,返工或维修费的降低等等,完整无误的分析往往会揭示氮气引入并没有增加最终成本,相反,我们却能从中收益。

在目前所使用的大多数炉子都是强制热风循环型的,在这种炉子中控制氮气的消耗不是容易的事。有几种方法来减少氮气的消耗量,减少炉子进出口的开口面积,很重要的一点就是要用隔板,卷帘或类似的装置来阻挡没有用到的那部分进出口的空间,另外一种方式是利用热的氮气层比空气轻且不易混合的原理,在设计炉的时候就使得加热腔比进出口都高,这样加热腔内形成自然氮气层,减少了氮气的补偿量并维护在要求的纯度上。

5.双面回流焊

双面PCB已经相当普及,并在逐渐变得复那时起来,它得以如此普及,主要原因是它给设计者提供了极为良好的弹性空间,从而设计出更为小巧,紧凑的低成本的产品。到今天为止,双面板一般都有通过回流焊接上面(元件面),然后通过波峰焊来焊接下面(引脚面)。目前的一个趋势倾向于双面回流焊,但是这个工艺制程仍存在一些问题。大板的底部元件可能会在第二次回流焊过程中掉落,或者底部焊接点的部分熔融而造成焊点的可靠性问题。

已经发现有几种方法来实现双面回流焊:一种是用胶来粘住第一面元件,那当它被翻过来第二次进入回流焊时元件就会固定在位置上而不会掉落,这个方法很常用,但是需要额外的设备和操作步骤,也就增加了成本。第二种是应用不同熔点的焊锡合金,在做第一面是用较高熔点的合金而在做第二面时用低熔点的合金,这种方法的问题是低熔点合金选择可能受到最终产品的工作温度的限制,而高熔点的合金则势必要提高回流焊的温度,那就可能会对元件与PCB本身造成损伤。对于大多数元件,熔接点熔锡表面张力足够抓住底部元件话形成高可靠性的焊点,元件重量与引脚面积之比是用来衡量是否能进行这种成功焊接一个标准,通常在设计时会使用30g/in2这个标准,第三种是在炉子低部吹冷风的方法,这样可以维持PCB底部焊点温度在第二次回流焊中低于熔点。但是潜在的问题是由于上下面温差的产生,造成内应力产生,需要用有效的手段和过程来消除应力,提高可靠性。

以上这些制程问题都不是很简单的。但是它们正在被成功解决之中。勿容置疑,在未来的几年,双面板会断续在数量上和复杂性性上有很大发展。

6.通孔回流焊

通孔回流焊有时也称作分类元件回流焊,正在逐渐兴起。它可以去除波峰焊环节,而成为PCB混装技术中的一个工艺环节。一个最大的好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺的优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械联接强度。对于较大尺寸的PCB板的平整度不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触,同时,就算引脚和焊盘都能接触上,它所提供的机械强度也往往是不够大的,很容易在产品的使用中脱开而成为故障点。

尽管通孔回流焊可发取得偿还好处,但是在实际应用中仍有几个缺点,锡膏量大,这样会增加因助焊剂的挥了冷却而产生对机器污染的程度,需要一个有效的助焊剂残留清除装置。另外一点是许多连接器并没有设计成可以承受回流焊的温度,早期基于直接红外加热的炉子已不能适用,这种炉子缺少有效的热传递效率来处理一般表面贴装元件与具有复杂几何外观的通孔连接器同在一块PCB上的能力。只有大容量的具有高的热传递的强制对流炉子,才有可能实现通孔回流,并且也得到实践证明,剩下的问题就是如何保证通孔中的锡膏与元件脚有一个适当的回流焊温度曲线。随着工艺与元件的改进,通孔回流焊也会越来越多被应用。

7.无铅回流焊

出于对环保的考虑,铅在21世纪被严格限用。虽然电子工业中用铅较极小,不到全部用量1%,但也属于禁用之列,在未来的几年中将会被逐步淘汰。炉子的设计必须更改以满足这样的要求,机器中的热敏感部件必须被修改,或者要采取措施防止热量向这些部件传递。

8.连续柔性板回流焊

特殊的炉子已经被开发出来处理贴装有SMT元件的连续柔性板。与普通回流炉最大不同点是这种炉子需要特制的轨道来传递柔性板。当然,这种炉子也需要能处理连续板的问题。对于分离的PCB板来讲,炉中的流量与前几段工位的状况无依赖关系,但是对于成卷连续的柔性板,柔性板在整条线上是连续的,线上任何一个特殊问题,停顿就意味着全线必须停顿,这样就产生一个特殊问题,停顿在炉子中的部分会因过热而损坏,因此,这样的炉子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。

9.垂直烘炉技术

市场对于缩小体积的需求,使CSP(如FLIPCHIP)得到较多应用,这样元件贴装后具有更小的占地面积和更高的信号传递速率。填充或灌胶被用来加强焊点结构使其能抵受住由于硅片与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起来。许多这样的封装胶都需要很长的固化时间,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,但是垂直烘炉已经被证明可以成功地进行固化过程,并且其温度曲线比普通回流炉更为简单,垂直烘炉使用一个PCB传输系统来扮演缓冲区/堆积区的作用,这样就延长了PCB板在一个小占地面积的烘炉中驻留的时间。

以上我们介绍了围绕着设备改进、回流焊装备的发展沿革。实事上回流焊工艺的发展收到以下两方面的推动:

1.电子产品向短、小、轻、薄化发展。组装高密度化,SMC/SMD微细间距化,SMC/SMD品种规格系列化,特别是异型元件与机电元件日益增多,这诸多的新发展迫使作为SMT中的重要工艺——回流焊工艺亦面临着挑战,需要不断地发展和完善以提高焊接质量和成品率。

2.人类文明发展到今天,控制三废(废气、废料、废水)保护环境已成为共识。传统的锡膏中含有助焊剂,其焊接后的残留物需要用氟里昂(CFC)及丙酮等溶剂来清洗,而这些溶剂都会对环境造成污染,为了避免污染相应出现了水清洗工艺和免清洗工艺还有新型焊锡膏。

回流焊工艺发展阶段介绍完毕。这篇是以前的老文章,时间的变化,SMT工艺也相应发展,不实的细节希望大家指正。