00149-smt無鉛焊接深圳研討會資料-5-無鉛焊接的特點及工藝控制及過渡階段應注意的問題(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 和脫膜能力。 印刷工藝參數 （ a）一般情況下，印刷工藝不會受到太大的影響。 （ b）因為無鉛的低浸潤力問題?；亓鲿r自校正（ Selfalign）作用非常小，因此印刷精度比有鉛時要求更高。 （ c）無鉛焊膏的助焊劑含量高于有鉛焊膏，合金的比重較低，印刷后焊膏圖形容易坍塌；另外由于無鉛焊劑配方的改變，焊膏的粘性和流變性、化學穩定性、揮發性等也會改變。因此有時需要調整印刷工藝參數。特別對于大尺寸 PCB、開口尺寸大小懸殊大、以及高密度的產品，有可能需要重新設置印刷參數。 （ d）由于粘性和流變性變化，每次印刷后會有些無鉛焊膏粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢。 （ 3）貼裝工藝 （ a）一般情況下，貼裝工藝也不會受到太大的影響。 （ b）因為無鉛的低浸潤力問題?；亓鲿r自校正（ Selfalign）作用非常小，因此，貼片精度比有鉛時要求更高。 精確編程、控制 Z軸高度、采用 無接觸拾取可減小震動等措施。 （ c）由于無鉛焊膏粘性和流變性的變化，貼裝過程中要注意焊膏能否保持粘著性，從貼裝、直到進爐前能否保持元件位置不發生改變。 （ 4）無鉛回流焊接技術 ? 無鉛焊料高熔點、潤濕性差給回流焊帶來了焊接溫度高、工藝窗口小的工藝難題，使回流焊 容易產生虛焊、氣孔、立碑等缺陷，還 容易引起損壞元器件、PCB等可靠性問題 。 ? 如何設置 最佳的溫度曲線，既保證焊點質量，又保證不損壞元器件和 PCB，就是 無鉛回流焊接技術要解決的根本的問題 ① 無鉛再流焊的特點及對策 特點 對策 高 溫 設備耐高溫，加長升溫預熱區， 爐溫均勻，增加冷卻區 助焊劑耐高溫； PCB耐高溫；元器件耐高溫； 增加中間支撐； 工 藝 窗 口 小 預熱區緩慢升溫， 給導軌加熱 ， 減小 PCB及大小元器△ t； 提高浸潤區升溫斜率，避免助焊劑提前結束活化反應； 盡量降低峰值溫度，避免損害 PCB及元器件； 加速冷卻，防止焊點結晶顆粒長大 ， 避免枝狀結晶的形成； 對濕敏器件進行去潮處理。 潤 濕 性 差 提高助焊劑活性；增加焊膏中助焊劑含量； 增大模板開口尺寸，焊膏盡可能完全覆蓋焊盤； 提高印刷與貼裝精度； 充 N2可以減少高溫氧化，提高潤濕性。 ? 設置再流焊溫度曲線的依據與有鉛工藝相同。 ② 正確設置和調整無鉛回流焊溫度曲線 設置再流焊溫度曲線的依據： a 不同金屬含量的焊膏有不同的溫度曲線 ， 應按照焊膏加工廠提供的溫度曲線進行設置 （ 主要控制各溫區的升溫速率 、 峰值溫度和回流時間 ） 。 b 根據 PCB板的材料 、 厚度 、 是否多層板 、 尺寸大小 。 c 根據表面組裝板搭載元器件的密度 、 元器件的大小以及有無 BGA、 CSP等特殊元器件進行設置 。 d 還要根據設備的具體情況 ， 例如加熱區長度 、 加熱源材料 、 再流焊爐構造和熱傳導方式等因素進行設置 。 ? 熱風爐和紅外爐有很大區別 ， 紅外爐主要是輻射傳導 ，其優點是熱效率高 ， 溫度陡度大 ， 易控制溫度曲線 ， 雙面焊時 PCB上 、 下溫度易控制 。 其缺點是溫度不均勻 。 在同一塊 PCB上由于器件的顏色和大小不同 、 其溫度就不同 。為了使深顏色器件周圍的焊點和大體積元器件達到焊接溫度 ， 必須提高焊接溫度 。 ? 熱風爐主要是對流傳導 。 其優點是溫度均勻 、 焊接質量好 。 缺點是 PCB上 、 下溫差以及沿焊接爐長度方向溫度梯度不易控制 。 e 還要根據溫度傳感器的實際位置來確定各溫區的設置溫度 。 f 還要根據排風量的大小進行設置 。 g 環境溫度對爐溫也有影響 ， 特別是加熱溫區短 、 爐體寬度窄的再流焊爐 ， 在爐子進出口處要避免對流風 。 三角形回流溫度曲線 對于 PCB相對容易加熱、元件與板材料有彼此接近溫度、 PCB表面溫差 Δ t較小的 產品可以使用 三角形溫度曲線 。 ? 當錫膏有適當配方，三角形溫度曲線將得到更光亮的焊點。但助焊劑活化時間和溫度必須符合無鉛溫度曲線的較高溫度。 三角形曲線的升溫速度是整體控制的 ，與傳統的升溫 保溫 峰值曲線比較，能量成本較低。 （ a） 簡單的產品的 無鉛回流焊溫度曲線 （ b） 推薦的 升溫 保溫 峰值溫度曲線 通過緩慢升溫，充分預熱 PCB，降低 PCB表面溫差 Δ t，使 PCB表面溫度均勻，從而實現較低的峰值溫度（ 235 ~2450C ），避免損壞元器件和 FR4基材 PCB。 K e s t e r R e f l o w P r o f i l e f o r L e a d F r e e A l l o y ( S n A g C u )204060801001201401601802002202402600 50 100 150 200 250 300T i m e ( s e c . )Temperature (C)S o a k Z o n e5 0 7 0 s e c s t y p i c a lR e f l o w Z o n e5 0 6 0 s e c s t y p i c a lP e a k T e m p . ( 2 3 5 2 4 5oC)P r e h e a t Z o n e4 0 7 0 s e c s t y p i c a lP r e h e a t Z o n e = 1 1 0 1 5 0oC S o a k Z o n e = 1 5 0 2 2 0oC R e f l o w Z o n e = A b o v e 2 2 0oCR a m p R a t e 0 . 5 峰值溫度 235~245℃ 可以滿足要求 升溫 保溫 峰值溫度曲線 升溫 保溫 峰值溫度曲線的要求 ? 升溫 速度應限制到 ~10C/秒或 40C/秒以下，取決于錫膏 ? 錫膏中助焊劑成分配方應該符合曲線，保溫溫度過高會損壞錫膏的性能；在氧化特別嚴重的峰值區助焊劑必須保持足夠的活性。 ? 第二個溫度上升斜率在峰值區入口，典型的斜率為 30C/秒 ? 液相線以上時間的要求 50~60秒 ,峰值溫度 235~2450C 。 ? 冷卻區， 為了 防止 焊點結晶顆粒長大， 防止 產生偏析，要求 焊點 快速降溫， 但還 應特別 注意減小應力。例如，陶瓷片狀電容的最大冷卻速度為 2~40C/秒。 因此， 要求有一個 受控的 冷卻過程。 如果溫度曲線控制不當，可能造成材料中的應力過大 （ c）低峰值溫度 曲線 由于小元件比大元件、散熱片的升溫速度快，為了滿足所有元件液相線以上時間的要求，采用升溫 保溫 峰值溫度曲線。保溫的目的是要減小 Δ T。 大元件 等大熱容量位置一般都 滯后小元件到達峰值溫度， 可采取保持 低峰值溫度 ，較寬峰值時間，讓小元件等一等大元件，然后再降溫的措施。以防損壞元器件。 低峰值溫度 (230~240C )曲線 （接近 Sn63/Pb37） 230~240C 小元件 大元件 *低峰值溫度損壞器件風險小，能耗少； *但對 PCB的布局、熱設計、回流焊接工藝曲線的調整、工藝控制、以及對設備橫向溫度均勻性等要求比較高； *對于復雜產品，可能需要 260℃ 。 （ d） 對于復雜產品，可能需要 260℃ 才能焊好 。因此FR4基材 PCB就不能滿足要求了。 ③ 無鉛回流焊工藝控制 ? 由于工藝窗口變小了，因此更要 嚴格控制溫度曲線 再流焊工藝過程控制 （ a）設備控制不等于過程控制 ? 再流焊爐中裝有溫度（ PT）傳感器來控制爐溫。例如將加熱器的溫度設置為 230℃ ，當 PT傳感器探測出溫度高于或低于設置溫度時，就會通過爐溫控制器（可控硅繼電器）停止或繼續加熱 （新的技術是控制加熱速度和時間） 。然而，這并不是實際的工藝控制信息。 ? 由于 PCB的質量、層數、組裝密度、進入爐內的 PCB數量、傳送速度、氣流等的不同，進入爐子的 PCB的溫度曲線也是不同的，因此，再流焊工序的過程控制不只是監控機器的控制數據，而是 對制造的每塊 PCB的溫度曲線進行監控 。否則它就只是機器控制，算不上真正的工藝過程控制。 必須監控實時溫度曲線 （ b）必須對工藝進行優化 ——設置最佳溫度曲線 ? 再流焊溫度曲線優化依據： ? ① 焊膏供應商提供的溫度曲線 ? ② 元件能承受的最高溫度及其它要求。 ? ③ PCB材料能承受的最高溫度， PCB的質量、層數、組裝密度以及銅的分布等情況。 ? 在實施過程控制之前，必須了解再流焊的焊接機理， 具有明確的技術規范 。 再流焊技術規范一般包括： 最高的升溫速率、預熱溫度和時間、焊劑活化溫度和時間、熔點以上的時間及峰值溫度和時間、冷卻速率。 焊料再流焊技術規范 （ c）再流焊爐的參數設置必須以工藝控制為中心 ? 根據再流焊技術規范對再流焊爐進行參數設置（包括各溫區的溫度設置、傳送速度、風量等），但這些一般的參數設置對于許多產品的焊接要求是遠遠不夠的。例如較復雜的印制板要使最大和最小元件都能達到 ~4μm界面合金層厚度，當 PCB進爐的數量發生變化時、當環境溫度或排風量發生變化時、當電源電壓和風機轉速發生波動時，都可能不同程度的影響每個焊點的實際溫度。因此 如果產生的實時溫度曲線接接近于上限值或下限值，這種工藝過程就不穩定 。由于 工藝過程是動態的 ，即使出現很小的工藝偏移，也可能會發生不符合技術規范的現象。 由此可見， 再流焊爐的參數設置必須以工藝控制為中心，避開技術規范極限值。這種經過優化的設備設置可容納更多的變量，