微電子器件的軟釬焊及表面組裝技術-資料下載頁

　　

【正文】 的產生可以由一個泵驅動液態釬料從兩個噴咀中流出，也可以采用兩個泵，這樣比較容易控制，但設備成本增加。雙波峰也可以由兩臺具有不同波形的波峰焊機緊密組合在一起來形成，其效果是相同的。 圖 416 雙波峰波形示意圖 圖 417 雙波峰軟釬焊示意圖 第六節 機械化軟釬焊技術 （ 4）振動波峰 為了盡可能減少放氣和釬料空缺， Electrovert公司將超聲振動波引人到波峰軟釬焊過程中，提出了一種被稱之為歐米枷 Ω波的新波峰形式。在歐米伽波中，引人了一個傳感器，以產生振動幅度受控制的低頻振動（見圖 418）。由于液態釬料振動，使其更易于進入小間隙，從而排出一些“死角”處的氣體。隨著印制板移出波峰，振動逐漸減弱，元件通過普通的層流波，從而消除拉尖和橋接。 圖 418 歐米伽波系統示意圖 與雙波峰相比，歐米伽波釬料用量不足雙波峰的一半，釬料損耗量小，并且在消除釬料空缺方面而效果更好。 第六節 機械化軟釬焊技術 波峰焊具有如下特點： l）連續操作，生產效率高； 2）與浸焊和拖焊相比，印制板下產生的防礙釬料流動的氣泡更少； 3）速度快，更有利于通孔印制板的軟釬焊； 4）對釬料槽內液面高度的要求太高； 5）在運動方向上，對印制板的長度沒有限制； 6）由于需要對軟焊機定期清理、因而維護成本高； 7）焊機的安裝需要熟練和有經驗的人員來進行； 8）印制板上印刷電路的布線方向應與板穿過波峰時的移動方向相匹配； 9）如果元器件引線在板下的伸出長度超過 2mm，就應考慮采用其它軟釬焊方法。 典型的波峰焊工藝參數見表 416 表 416 波峰焊的典型工藝參數 波峰焊是適用于連接插裝件和一些小外形表面貼裝件的有效方法，不適用于精密引線間距器件的連接，所以隨著傳統插裝器件的減少，以及表面貼裝元件的小型化和精細化，波峰焊的應用逐漸減少。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 一、表面組裝技術簡介 表面組裝技術（ Surface Mount Technology ， SMT）是起始于 20世紀 60年代， 1971年荷蘭菲利浦公司率先采用表面組裝技術，尤其是在 80年代中期，表面組裝技術獲得了飛速的發展，進人 90年代后，表面組裝技術已經成熟并且在計算機、信息、通訊等眾多高技術領域中獲得了廣泛的應用。如美國自動化公司的產品 100％采用片式元件，計算機公司的產品中，片式元件使用達 95％，通訊產品也有 65％以上采用了片式元件。 國內的發展也非常迅速，彩電高頻頭、對講機、尋呼機等產品中，元器件的片式化率已達到 90％－ 95％。表面組裝技術已經逐步取代了傳統的通孔安裝技術，成為首要的電子產品組裝技術與傳統的通孔插裝技術（ Through Hole Technology， THT）相比， SMT具有電子元器件體積小、重量輕、印刷電路板組裝密度高、信號傳輸速度快等優點。自問世以來， SMT由于可有效地減少設備負荷，首先在航空、航天及武器裝備等高尖端技術領域得到應用，而后在計算機、通信等商用電子設備上迅速推廣。 1997年，全世界電子產品的表面組裝率達到 66％，中國為15％。 2022年分別達到了 85％和 30％。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 1962 年，日本推出的陶瓷球柵陣列 （ Ceramic Ball Grid Array， CBGA）具備了表面組裝概念的雛形。 1966年美國 RCA公司推出片式電阻、電容，首次實現了無源電子元件的片式化。 1971年 PhilipS公司正式提出了 SMT概念，引起了電子裝聯技術的革命。 1991年 Motorola 公司推出樹脂基板球柵陣列 （ Plastic Ball Grid Array， PBGA），使 BGA技術走向實用化。 90年代末，多芯片模塊 （ Multi Chip Module， MCM）、芯片規模封裝（ Chip Scale Packaging， CSP）等概念的出現使得倒裝技術（ FliP－ Chip）成為研究熱點，推動了 SMT的不斷發展和推廣應用，同時也推動了電子產品的不斷發展?？梢哉f，從某種意義上不斷地改變著人們的生活。 所謂表面組裝技術就是將片式元件（無引線的或僅有為安裝時固定用的引線）在印刷電路板上不用通孔就直接焊到其表面上的方法。表面組裝技術是由片式元件、組裝工藝和組裝設備三部分組成，它可以概括為，在無源基板上高密度組裝各種片式元件的新一代電子組裝技術。表面組裝技術的關鍵是貼片技術、釬焊技術和測試技術 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 焊接技術，特別是軟釬焊技術，是 SMT工藝過程中的關鍵技術。一方面由于被連接對象尺寸的微小精細，在傳統焊接技術中可以忽略的因素，如溶解量、擴散層厚度、表面張力、應變量等將對材料的焊接性、焊接質量產生不可忽視的影響，因此 SMT中的焊接技術在工藝、材料、設備等方面與傳統焊接技術有著顯著不同；另一方面， SMT藝中焊點既要起到電信號連接的作用，又要起到機械連接的作用，因此焊點可靠性成為 SMT組裝工藝的重要問題。 SMT工藝主要用于印制電路板組裝，即微電子元器件信號引出端（外引線）與印制電路板（ PCB， printed circuit board）上相應焊盤之間的連接。為適應微電子器件功能更強、信號引出端更多的要求，其外引線設計經歷了從外引線分布在器件封裝兩旁的雙列直插 （ DIP， dual in－ line Package）形式，到分布在封裝四周（如小外形封裝 SO， small outline：四邊扁平封裝 QFP， quad flat package），再到分布在封裝底面的球柵陣列 BGA形式（ 1997年被稱為 BGA年）的發展；外引線形式也經歷了從適用于插裝的直線形，到適用于貼裝的 j形、翼形和金屬鍍層的邊堡形，再到直接利用釬料凸臺作為外引線的發展；相應的微連接技術也經歷了從通孔插裝（ THT， through hole technology）到表面組裝（ SMT， surface mount Technology）的革命，極大地推動了微電于產業的發展。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 SMT中的焊接工藝主要有波峰焊和再流焊兩種。其中再流焊在實際工業生產中得到了最廣泛地應用。再流焊和波峰焊的根本區別在于熱源和釬料。在波峰焊中，釬料波峰起提供熱量和釬料的雙重作用；在再流焊中，預置釬料膏在外加熱量下熔化，與母材發生相互作用而實現連接。 再流焊（ reflow soldering）是適用于精密引線間距的表面貼裝元件的有效連接方法。由于表面組裝技術的興起，再流較釬焊的應用范圍日益擴大。再流焊使用的連接材料是釬料膏，通過印制或滴注等方法將釬料膏涂敷在印制電路板的焊盤上，再用專用設備一貼片機在上面放置表面貼裝元件，然后加熱使釬料熔化，即再次流動，從而實現連接，這也是再流焊名稱的來源。即 再流軟釬焊是指在軟釬焊操作期間不必另外添加軟釬料，而是通過使預先放置好的軟釬料經過重新熔化來形成軟釬焊接頭的一類方法。 各種再流焊方法以其加熱方式不同來區別，但工藝流程均相同，即滴注 /印制釬料膏一放置表面貼裝元件 — 一加熱再流。加熱再流前必須進行預熱，使釬料膏適當干燥，并縮小溫差，避免熱沖擊。再流焊后，自然降溫冷卻或用風扇冷卻。各種再流焊方法的區別在于熱源和加熱方法。 根據熱源不同，再流焊主要可分為紅外再流焊、熱風再流焊、氣相再流焊和激光再流焊。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 圖 419 表面組裝和通孔安裝的結構形式的對比 圖 419給出了表面組裝與通孔安裝的結構形式比較。與通孔安裝技術相比，表面組裝技術具有如下優點： 1）由于片式元件所占面積比插裝元件少 30％－ 50％，厚度也大為減少，重量減少約 50％，因此可以大大提高印制板上元器件的安裝密度，有效地利用設備的空間，從而為電子產品的小型化創造了條件； 2）由于在印制板上的鉆孔數量顯著減少，并且不用彎角整形，因而大大節約了印制板上的連接硬件，也節省了時間，成本可以降低約 50％。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 3）由于相當數量的片式元件沒有引腳，因而分布電容和分布電感極小，電路的高頻性能良好。采用表面組裝元器件設計的電路的最高工作頻率超過了 3MHz，可以縮短電傳輸延遲時間，可用于時鐘頻率為 10MHz的電路； 4）由于表面安裝器件小而輕，不易因沖擊和振動而導致失效，避免了元器件與印制板之間的二次連接，減少了因連接而引起的故障，因而有利于提高電路的質量。 5）便于實現自動化生產，因而具有更高的生產效率。 表面組裝技術的不足之處在于設備初始投資大，標準尚不完善、表面組裝組件的散熱困難，二次修補難于進行等，并且在比較惡劣的條件下長期運行時，在可靠性和壽命方面還存在一些問題。但可以預期，通過不斷的改進和完善，這些問題將逐步得到解決。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 氣相再流焊是利用飽和蒸汽的汽化潛熱加熱實現表面貼裝元件與印制電路板之間焊接的軟針焊方法。氣相再流焊的熱源來自氟烷系溶劑（典型牌號為 FC－ 70）飽和蒸汽的汽化潛熱。圖 420給出了用于 SMT的氣相釬焊系統示意圖。 二、氣相再流釬焊 （ vapor reflow soldering） 圖 420 用于 SMT的氣相釬焊系統示意圖 氣相釬焊時，將印制板放在吊籃中從頂部經過輔助蒸氣區進人主蒸氣區，輔助蒸氣是由氟里昂 TE（ B． P． 48℃ ）經加熱后產生的，主蒸氣由惰性的氟碳化合物（如 Fc70、 Fc53ll）經加熱產生，其沸點為 215℃ 。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 當被釬部件進人主蒸氣區后，蒸氣便在部件表面上凝聚，釋放出凝聚潛熱并形成連續的液膜覆蓋在器件表面，此時部件表面熱傳遞的速率可由下式來描述 : Q＝ hA（ Tv－ Ts） （ 4－ 2） 式中 ,Q從蒸氣到部件的熱傳遞速率（ J／ S）； h傳熱系數（ J/（ s mm2℃ 》 ， h由液體凝聚物的熱導率，粘度和密度以及部件 的表面是垂直、水平或傾斜等因素來決定； Tv飽合蒸氣溫度（ ℃ ）； Ts部件表面溫度（ ℃ ）； A部件的表面積（ mrn2） 部件在主蒸氣區內停留一段時間后，其溫度達到主蒸氣的溫度（ 215℃ ），此時，預先涂覆在焊點處的釬料膏已經熔化，并依靠表面張力的作用形成焊點，隨后將部件提升回輔助蒸氣區，盡管由于主蒸氣區過熱可以使輔助蒸氣區的溫度高于氟利昂 TE的沸點，達到 85107℃ ，但輔助蒸氣區的溫度明顯低于軟釬料的熔點（ 183℃ ），部件在輔助蒸氣區停留 3060S后，液態釬料凝固，形成焊點，同時部件上凝聚的液體也流回到氣相釬焊系統中去，此時取出部件，軟釬焊過程就完成了。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 由式（ 42）可以看出，在氣相釬焊過程中，只有最大表面加熱速率和最高表面溫度可以控制，在部件剛進人主蒸氣區時， Ts最小，表面加熱速度最大，隨著時間的延長，加熱速度逐漸減小，表面溫度不斷升高。因此，可以在部件進人主蒸氣區之前對其進行預熱來達到控制最大表面加熱速率的目的。而元件的最高溫度取決于在蒸氣區內的停留時間，隨著時間的延長， Ts逐漸趨近于 Tv，加熱速度趨近于零?？梢姴考苓_到的最高溫度就是蒸氣的溫度（ 215℃ ），因此，一般來說，不存在溫度過熱的問題。 如圖 421所示，印制電路板放置在充滿飽和蒸汽的氛圍中，蒸汽與表面貼裝元件接觸時冷凝并放出汽化潛熱使釬料膏熔化再流。達到釬焊溫度所需的時間，小焊點為 5～ 6s，大焊點為 50s左右。飽和蒸汽同時可起到清洗作用，去除釬劑和釬劑殘渣。 圖 421 氣相再流焊原理圖 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 氣相再流焊的優點是整體加熱，溶劑蒸汽可到達每一個角落，熱傳導均勻，可完成與產品幾何形狀無關的高質量釬焊；釬焊溫度精確， 215℃土 3 ℃ ，不會發生過熱現象。氣相焊不需要對輸人到焊點或印制板上的熱量進行控制，它加熱均勻，不管電路板的形狀如何，板上元件的溫度絕不會超過液體的沸點。因而適合于釬焊各種形狀的元件、柔性電路板、引腳和接插等。但氣相再流焊的主要傳熱方式為熱傳導，因金屬傳熱比塑料速度高，所以引腳先熱，焊盤后熱，這就容易產生“上吸錫”現象。小型元件（如電阻、電容元件）由于升溫速度快（可達到 40℃ ／ S），兩端引線很難同時達到釬焊溫度，先熔化一端所形成的表面張力差將導致所謂 “墓碑”現象。氣相再流焊溫度不能控制，所以預熱必須由其他方法（通常為紅外輻射）完成。另一缺點是溶劑價格昂貴，生產成本較高；如果操作不當，溶劑經加熱分解會產生有毒的氟化氫和異丁烯氣體。 第七節 表面組裝技術及再流焊方法 三、紅外再流軟釬焊 紅外再流焊是利用紅外線輻射能加熱實現表面貼裝元件與印制電路板之間連接的軟釬焊方法，也是目前應用最廣泛的 SMT焊接工藝，紅外線輻射能直接穿透到釬料合金內部被分子結構所吸收，吸收能量引起局部溫度增高，導致釬料合金熔化再流，圖 422是紅外再流焊的基本原理示意圖。 圖 422 紅外再流焊的基本原理示意圖