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回流焊技术的工艺要点和技术整合考虑(一)-回流焊后锡膏清洗剂合明科技

发布日期:2019-05-29 发布者:合明科技Unibright 浏览次数:1929

回流焊技术的工艺要点和技术整合考虑(一)回流焊后锡膏清洗剂合明科技



合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商。精密电子清洗除焊后助焊剂、锡膏、焊膏、球焊膏、焊锡膏、锡渣等残留物。水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳,兼容的材料更为广泛;在同等的兼容性下,合明科技的清洗剂清洗的锡膏种类更多。

文章关键词导读:回流焊 、焊接、波峰焊助焊剂、水基清洗剂


焊接,是电子板组装作业中的重要工序,如果没有很好的掌握它,不但会出现许多“临时故障”还会直接影响焊点的寿命。测温仪几乎都有了,可是还有很多用户没有对所有产品进行测温认证、调整温度设置;有的用户使用测温了,却没有掌握焊接工艺要点,又无法优化工艺。


本文希望通过对回流焊接原理和要点的解释,促使用户在本课题上做进一步的学习和研究,以达到更好的处理这门技术的目的。在SMT回流焊接中有诸如红外、热风、激光、白热光、热压等等技术。由于篇幅和时间的原因,本文只对最常用的热风回流焊接技术作解释。另外,任何工艺结果,都是个综合性。PCBA的组装质量,并不是单由焊接工艺决定的。即使是如焊球之类看是焊接问题的,也都是由设计、材料、设备、和工艺(包括焊接前的各工艺工序)所合成的。所以技术整合应用和管理才是保证良好组装质量的根本做法。以影响SMT的工序之多(注一)以及决定质量因素种类之多,要充分的解释技术整合应用,即使用十数万字也是不够的。所以本文在有限的篇幅中,只对焊接工艺做重点解释,对于其他相关的工艺、可制造性设计、材料质量、设备能力等等都假设做得到位


一、焊接的基本要求


不论我们采用什么焊接技术,都应该保证满足焊接的基本要求,才能确保有好的焊接结果。高质量的焊接应具备以下5项基本要求:

1.适当的热量

2.良好的润湿

3.适当的焊点大小和形状

4.受控的锡流方向

5.焊接过程中焊接面不移动


适当的热量指对于所有焊接面的材料,都必须有足够的热能使它们熔化和形成金属间界面(IMC),足够的热也是提供润湿的基本条件之一。另一方面,热量又必须控制在一定程度内,以确保所接触到的材料(不只是焊端)不会受到热损坏,以及IMC层的形成不至于太厚(注二)。润湿除了是较好可焊性的象征外,也是形成最终焊点形状的重要条件。不良的润湿现象通常说明焊点的结构不理想,包括IMC的未完整成形以及焊点填充不良等问题。这些问题都会影响焊点的寿命。


要焊点有足够的寿命,就必须确保焊点的形状和大小符合焊端结构的要求。太小的焊点其机械强力不足,无法承受使用中的应力,甚至连焊接后存在的内应力也无法承受。而一旦在使用中开始出现疲劳或蠕变开裂,其断裂速度也较快。焊点的形状不良还会造成舍重取轻的现象,缩短焊点的寿命期。受控的锡流方向也是焊接工艺中的重要部分。熔化的焊锡必须往所需要的方向流动,才能确保焊点的形成受控。在波峰焊接工艺中的‘盗锡焊盘’和阻焊层(绿油)的使用,以及回流焊接工艺中的吸锡现象,就是和锡流方向控制有关的技术细节。


焊接过程中如果焊端移动,根据移动的情况和时间而定,不但会影响焊点的形状大小,还可能造成虚焊和内孔情况。这都将影响焊点的质量寿命。所以整个产品的设计以及工艺,都必须照顾到焊接过程中焊端保持不动状态在回流焊接工艺中,除了以上通用焊接条件外,还有特别的一点,就是必须把经过印刷工艺后没有作用的锡膏中的化学成分及时挥发处理。这点尤其是在双面焊接工艺中的首面要求更严格。


以上的技术要求,我们在设计和处理回流焊接工艺时都必须注意。下面我们来进一步了解回流焊接工艺以及它可控制的手段技巧。


二、回流焊接温度直线


由于整个回流焊接的工艺要点在于控制PCBA上各点的温度和时间,温度曲线是个常用和重要的工艺管理工具。从基本理论上来看,图一中的温度‘直线’是可以做到焊接效果的。


image.png


基本上,如果我们能够在升温不太快的情况下(避免造成热冲击损害),使焊端的温度上升到超过其熔化温度(但不超过产品安全温度),并保持适当的时间(提供适当的热量)后受控降温。我们是可能达到焊接要求的。事实上这很难做到。主要存在三个问题。一是我们的实际产品存在不同的器件和布线,这意味着PCBA上不同点有热容量的差别。所以我们可能出现以下图二中的情况。


image.png


从图二中我们可以看到板上有热点和冷点需要同时照顾到其各自的温度/时间需求。当我们如图二中把冷点(B)的温度调到符合焊接要求时,板上的热点(A)有可能已经超出安全温度而造成损坏。但如果我们把温度降低到A点符合要求时,则B点可能又出现冷焊故障。


温度直线所面对的第二个问题,是在实际焊接中我们必须首先处理锡膏中已经无用的成分,使其完全并温和的挥发。这挥发工艺对于不同的锡膏有不同的要求。而由于锡膏中存在溶剂、稳定剂、稀释剂和浓化剂等多种成分,各成分对挥发所需要的时间和温度又有不同,我们未必在以上热、冷点的限制下能够通过直线完成。在产品设计不复杂的情况下(热容量差距小和安全窗口大),我们可能可以通过放缓升温速度来达到要求,但从室温到峰值温度一般需要200度左右(无铅技术更高),这对需要快速生产的用户又是个难题。


三个问题,是PCBA设计一般牵涉到许多不同的器件材料和封装,而我们面前采用的回流炉子以热风技术为多,空气本身并不是个很好的热导体,其传热必须依靠对流效果。而空气流动的控制是个高难度的工艺,何况必须控制到SMT焊端这么微小的面积精度上,更几乎是不可能做得很好。加上PCBA上器件的布局对空气流动的影响,使我们在处理PCBA上各点的温度和时间关系上难以兼顾。这造成了我们如果要解决所有焊接相关的问题(例如焊球、气孔、吸锡等),我们必须有个能够灵活设置和调整的‘曲线’。


三、回流温度曲线


如果我们要避开以上温度直线的问题,并拥有较好的工艺能力的话。我们需要类似以下图三的温度‘曲线’。


image.png

从上图中我们可以看到,整个回流焊接过程可以分5个工序。即是:

1.升温

2.恒温

3.助焊

4.焊接

5.冷却


第一工序的升温目的,是在不损害产品的情况下,尽快使PCBA上的各点的温度进入工作状态。所谓工作状态,即开始对无助于焊接的锡膏成份进行挥发处理。

恒温区起着两个作用。一是恒温,就是提供足够的时间让冷点的温度‘追’上热点。当焊点的温度越接近热风温度时,其升温速率就越慢,我们就利用这种现象来使冷点的温度逐渐接近热点温度。使热冷点温度接近的目的,是为了减少进入助焊和焊接区时峰值温差的幅度,便于控制个焊点的质量和确保一致性。恒温区的第二个作用是对锡膏中已经没有用的化学成份进行挥发处理。


助焊工序是锡膏中的活性材料(助焊剂)发挥作用的时候。此刻的温度和时间提供助焊剂清洗氧化物所需的活化条件。


当温度进入焊接区后,所提供的热量足以熔化锡膏的金属颗粒。一般上器件焊端和PCB焊盘所使用的材料,其熔点都高于锡膏,所以本区的开始温度由锡膏特性决定。例如以63Sn37锡膏来说,此温度为183oC。升温超过此温度后,温度必须继续上升,并保持足够的时间使熔化的锡膏有足够的润湿性,以及能够和各器件焊端以及PCB焊盘间形成IMC为准。

最后的冷却区作用,除了使PCBA回到室温便于后工序的操作外,冷却速度也可以控制焊点内部的微结晶结构。这影响焊点的寿命。


四、回流焊接工艺故障和曲线的关系:


以上提到的5个回流焊接工序中,每一部分都有它的作用,而相关的故障模式也不同。处理这些工艺问题的关键在于对它们的理解以及如何判断故障模式和工序的关系。


比如第一个升温工序,如果设置不当造成的故障将可能是‘气爆’、‘溅锡引起的焊球’、‘材料受热冲击损坏’等问题。

恒温工序造成的问题可能是‘热坍塌’、‘连锡桥接’、‘高残留物’、‘焊球’、‘润湿不良’、‘气孔’、‘立碑’等等。

助焊工序相关问题有‘焊球’、‘润湿不良’、‘虚焊’等等。

焊接工序设置不当的相关问题可能是‘润湿不良’、‘吸锡’、‘缩锡’、‘焊球’、‘IMC形成不良’、‘立碑’、‘过热损坏’、‘冷焊’、‘焦炭’、‘焊端溶解’等等。

冷却所可能造成的问题一般较少和较轻。但如果设置不当,也将可能影响焊点的寿命。如果马上进入清洗工艺,则可能造成清洁剂内渗而难以清洗的问题。

必须注意的是,前4项工序是连贯性的,相互间也有关系。所以故障模式并不常是那么容易区分。例如‘立碑’和‘焊球’故障往往必须综合调整才能够完全解决问题。


五、待续~~~

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针对电子制程精密焊后清洗的不同要求,合明科技在水基清洗方面有比较丰富的经验,对于有着低表面张力、低离子残留、配合不同清洗工艺使用的情况,自主开发了较为完整的水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳,兼容的材料更为广泛;在同等的兼容性下,合明科技的清洗剂清洗的锡膏种类更多(测试过的锡膏品种有ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO等品牌;测试过的焊料合金包括SAC305、SAC307、6337、925等不同成分),清洗速度更快,离子残留低、干净度更好。

 

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【阅读提示】

以上为本公司一些经验的累积,因工艺问题内容广泛,没有面面俱到,只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断的追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,能为各种客户提供全方位的工艺、设备、材料的清洗解决方案支持。

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