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技术交流

关于回流焊工艺发展的讨论(一)

来源:    作者:www.shenzheneta.com    发布时间:2013-07-11 21:14    浏览量:0

最近几年,SMT生产技术已发生了巨大的变化,其中:生产标准的改变,新型焊膏的利用、不同基材的出现,以及元器件本身材料和设计的革新都使得热处理工艺不断发展。新型元器件的设计动力是来自于产品小型化的不断驱使。这些新型元器件封装包括:BGA(球栅阵列)、COB(裸芯片)、CSP(微型封装)、MCM(多芯片模块),以及flip chip(倒装片)等。产品小型化回流焊使得元器件越做越小,并使管脚数增加,使间距变小。另外为减少成本,免清洗和低残留焊膏使用的更加广泛,与之相应的是氮气的使用也随之增加。
       市场对手持式电子产品的不断需求始终是一个强大的驱动力,它使得封装工艺必须适应这些产品的技术要求。因此更小、更密、更轻的组装技术,以及更短的产品周期、更多、更密的I/O引线,更强的可操控性----都把回流焊技术提到一个新的层次上来讨论。同时也对热处理工艺的控制手段和设备提出了新的要求。

考虑到这些压力,我们提出了一个简单的设想图,其中的一些方案可以回答回流焊工艺今后会遇到的挑战。

氮气惰性保护

使用惰性气体,一般采用氮气,这种方法在回流焊工艺中已被采用了相当长的一段时间,但它的价格还是一个问题。因为惰性气体可以减少焊接过程中的氧化,因此,这种工艺可以使用活性较低的焊膏材料。这一点对于低残留物焊膏和免清洗尤为重要。另外,对于多次焊接工艺也相当关键。比如:在双面板的焊接中,氮气保护对于带有OSPs的板子在多次回流工艺中有很大的优势,因为在N2的保护下,板上的铜质焊盘与线路的可焊性得到了很好的保护。使用氮气的另一个好处是增加表面张力,它使得制造商在选择器件时有更大的余地(尤其是超细间距器件),并且增加焊点表面光洁度,使薄型材料不易褪色。

真正最大的好处是降低了成本。氮气保护的费用取决于各种各样的因素,包括氮气在机器中使用的位置,氮气的利用率等。当然,我们通常感觉氮气消耗是一种工艺过程中额外的费用,因此总是想方设法减少氮气的消耗。目前焊膏的化学成份也在不断的改进提高,以便将来的工艺中不再使用氮气保护;或者至少在较高的O2浓度值下(比如:1000ppm对比目前为50ppm)取得良好的焊接效果,以便减少氮气的用量。对于是否使用氮气的保护,我们必须综合考虑许多问题,包括:产量要求的质量等级,以及每一对应的氮气消耗费用。使用氮气是有费用的问题,但是如果将它对提高产量与质量所带来的好处计算进来,那么它的费用是相对微不足道的。

如果焊接炉不是强制回流的那一种,并且气流是分层状态,那么氮气的消耗是比较容易控制的。但是,目前大多数炉的工作方式都是大容量循环强制对流加热,炉体内的气流是在不停的流动,这给氮气的控制与消耗提出了一个新的难题。一般,我们采取这几种方法降低氮气用量。首先,必须减少炉体进口的尺寸,尤其是垂直方向上的开口尺寸,使用遮挡板、卷帘幕,或者利用一些其它的东西来堵住进出口的孔隙。由遮挡板、卷帘幕向下形成的隔离区可以阻挡氮气的外泄,并且使外部的空气无法进入炉体内部,也有些回流炉是采用自动的滑动门来隔离空气。另外一种方法是基于这样一个科学概念:被加热的氮气将漂浮于空气之上,并两种气体不会混合。因此,回流炉的加热腔被设计成比进出口的位置高一些,因为氮气会自然的与空气分层,这样便可以用很少的氮气供给量来保持一个较纯的浓度。

双面加工

双面板工艺越来越多的被采用,并且变得更加复杂。这是因为它能给设计者提供更大、更灵活的设计空间。双面板大大加强了PCB的实际利用率,因此降低了制造成本。到目前为止,双面板经常采用的工艺是上面过回流炉,下面过波峰焊炉。今天大家都逐渐倾向于双面都过回流炉是一种更佳的方法。但工艺上仍有一些问题,比如:再次回流时,底部较大的元件或许会掉下来,或者底部的焊点会部分重新熔化,以至于影响到焊点的可靠性。

有几种方法已发展出来用以完成二次回流,其中之一将第一面的元件上胶固化,使它在翻面过二次回流时不会从板上掉下来,并且保持正确的位置。另外一种方法是使用不同熔点的焊膏,其中第二次回流时使用的焊膏熔点较第一次的要低。但是使用方法有一些严重的问题需要注意:第一个是造成了最后的成品在维修有一个太低的熔化温度;第二个是如果使用更高一级的回流温度又会造成对元器件和基板的热冲击。

对于大多数元件来说,二次回流时,焊点熔锡的表面张力是足已维持元件在底部的粘力,使元件牢牢的固定在基板上。这里有一个元件重量与引脚(焊盘)张力的比例关系,它可以计算出元件在二次回流时能不能粘贴在基板底部而不会掉落,从而不用对每一个元器件都做实际的测试。30g/in2是一个保守值,可以作为设计的标准。

另外一个方法是采用一种概念:即将冷的气体吹拂过基板底部,使底部的温度在二次回流时始终达不到熔点,但是由于基板上下面的温差可能会导致有潜在的应力产生。虽然二次回流的工艺并不简单,但许多问题都在被不断解决掉,今后几年内,我们可以肯定的说,无论是在数量上还是在复杂程度上,高密度的双面板都将有一个长远的发展。

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