摘要：
在实施液态焊接工艺（liquid soldering process）中，对关键参数的控制对于 获得优良的焊点是非常重要的。在本案例中，采用一块特殊的电路板，使用波峰 焊和选择性波峰焊这两种工艺进行焊接。前期的研究中比较了波峰焊和选择性波峰焊所形成的焊点，并通过热循环试验显示出它们在焊点强度方面的主要差异，进而分析对产品寿命的影响以及所使用材料的性能。而在观测焊点质量和强度方 面，针对镀通孔有引脚元器件推出的新型及改良型液态焊接技术，如选择性波峰焊和组合波波峰焊，要比普通的无铅波峰焊技术更具优势。焊接工艺类型对电子组装质量的影响，可以通过像通孔透锡不良、桥接、漏焊、锡珠等这类的特定的缺陷进行描述。
对于波峰焊，这项研究将确定工艺参数包括助焊剂使用量、预热温度、锡缸温度和接触时间等对缺陷形成的影响。对于选择性波峰焊，我们分为单喷嘴工艺的和多喷嘴工艺两类。对于每一类选择性波峰焊工艺，第一步是设计一个试验来确定测试板的特性。元器件的温度曲线将决定焊接的温度区间。与波峰焊试验类 似，主要的四项参数包括助焊剂使用量、预热温度、锡缸温度和接触时间，这四个参数可以通过拖曳速度（drag speed）和浸锡时间来定义。通过分析包括通孔透锡不良、顶面不润湿、桥接、锡珠等主要缺陷，来优化每一个元器件的焊接工艺。这项研究的一个关键目标是确定和优化关键参数，以寻找到一个高效稳定的 工艺。更进一步，是希望了解通孔透锡率/或孔的润湿程度与焊点所能承受的张力之间的关系特性。在本文中将逐一介绍使用每一种技术将元器件组装到印刷电路板上发生的情况，以及对这些电路板进行不同循环次数的热疲劳试验和针对通孔元器件的引脚进行拉力测试及失效分析的结果。
当为这三种液态焊接技术优化的工艺确定之后，为了描述无铅通孔焊点的特性以及特定焊接技术的影响，采用了一种大尺寸的组件分别进行了试验。最后，这项研究让我们了解了可用于焊接印刷电路板的各种方法。
虽然在目前的市场上，表面贴装技术（SMT）在元器件组装中居于统治地位，但是在绝大多数电子产品中，通孔技术（THT）应用仍有一定的增长空间，尤其是在需求弹性和特殊组装有要求的领域；其中就包括航空航天，资产类，以及互连密度要求不高，以及一些很难用表贴元器件替代通孔元器件的产品，THT还是大有可为的。这在iNEMI的液态焊接路线图中有所描述1（见表1）。
由于自动控制技术的进步和对传统波峰焊工艺的不断改进，可以使无铅波峰焊（由不同的工艺和材料参数组成）获得与锡铅波峰焊相媲美的工艺窗口，像单喷嘴的和多喷嘴的选择性波峰焊这类液态焊接技术也已经被开发并且被EMS业界所采用，这些技术完全可以满足PCB组装中不断上升的从表面贴装到通孔元器件的互连要求2，3。
特定电路板的材料选择、工艺优化、焊点强度和质量，对于评估和分析使用这些技术的利弊是非常必要的。这样一来，不仅对每种技术来说非常重要的焊点强度方面的定性研究得以进行，而且还为在最小缺陷（电路板和元器件得到保护）下更高温度的无铅组装（通过工艺和材料参数选择和验证）建立起了工艺窗口2。
液态焊接技术利用传统的波峰焊的导轨系统，在焊接的过程中将被焊接的电路板在液态焊接波上传送3，4。选择波包括单波和组合波，多喷嘴的焊接是另一种选择性焊接技术。选择性焊接是一种焊接电路板正反面通孔元器件的液态焊接技术，它是利用一个机器人系统来拾取、夹持和 拖曳电路板组件在单个喷嘴上方进行焊接。同样地，这个 机器人系统也可以用在一个装有多个喷嘴的特殊加工的喷嘴盘上进行浸焊组装。
在无铅焊接工艺中，选择焊很有效地仅使那些需要焊接的元器件和待焊部位暴露在高温中，而其它的元器件和区域则保持在临界温度之下，这归功于这类系统可以局部喷涂助焊剂、预热和灵活地焊接3，4。本文描述了每种液态焊接工艺的优化：单喷嘴，多喷嘴的和传统的波峰焊（基于消除了各种焊接缺陷）。此外，还会进行一个对比实验，来测量经过空气条件下的热循环（AATC）试验后的将引脚从通孔中拔出的拉力。热循环试验情况大致如下：将三种焊接方式的电路板分成三组，每组进行0～100°C的温度循环，循环次数为0，500， 1000，2000和3000次。0次循环可以被认为组装完成时刻的情况。测量到的拉力可以被用来测量通孔焊点的强度和质量。
为了观测三种液态焊接技术下焊点的一些重要和系统性的行为，将会测量金属间化合物（IMC）的厚度。通孔焊点的质量也许会随着各种焊接方式下的测量点的变化，工艺的差异，以及传输机构的改变而不同。因此，此次分析的双重目的是：
1. 无铅焊点形成的特性； 2. 通过使用单向拉力测试，分析和比较三种焊接技术下焊点的强度。
实验设计
在设计实验的过程中会选择许多种材料。材料选择的标准是基于EMS公司的制造经验，设备的使用和设置基于通常制造中的经验，基本的设置和操作方式。
材料和组装工艺
两个镀金表面的直角通孔器件被组装到标准的62mil厚 的FR4材料的测试板上，一个是单排，一个是三排15针。测试板为包含了SMT/TH元器件并且是客户定制的OSP表面处理的双面板。
每种焊接方式有四个主要的控制因子，每个因子会选三个水平进行组装测试。基于观察到的缺陷情况，可以计算得到一组最优化的工艺参数。使用这些最优工艺参数在每种焊接方式下组装五块电路板。
使用的无铅焊料合金为96.5 Sn / 3.0 Ag / 0.5 Cu (SAC305)。助焊剂为酒精基免清洗助焊剂Interflux IF2005。助焊剂喷涂量通过喷在玻璃板上测量固体来决定。图1为测试板的顶面图片。
设备
一台Vitronics Soltec公司的 Delta 6622波峰焊设备被用来组装部分电路板。波峰焊设备的配置为：一个双头的助焊剂喷涂系统，通过一个泵系统来运作并且有一特殊设计的喷嘴。预热配置为三段式预热，第一和第二段是热风对流区，最后一段是Calrod模块。波峰设置为扰流波(chip wave)和平滑波(main wave)。氮气保护系统的氮气流量设置为30，50和80升/分钟，在锡缸上形成一层氮气覆盖层。
Vitronics Soltec公司的mySelective 6748被用来组装剩 余的电路板。选择性波峰焊的助焊剂系统是由一个泵控制的下沉式喷涂系统。预热系统包含一组加热管模块可以设置不同的热度，以达到需要的顶面预热温度。液态焊接部分有两种工艺：一种是选择波或者称为单点焊接方式，还有一种为组合波或者称为多喷嘴焊接方式。单点喷嘴是一个12mm直径的喷嘴有氮气保护，喷嘴安装在喷嘴盘上，喷嘴盘上有两个喷嘴可以同时分别焊接不同的通孔器件。
对于每个子系统的参数都根据DOE中的需要分别进行控制。另外所有的系统包括传送都进行了校准，以输出相同的结果。
温度测量和接触时间在不同的地方放置热电偶来进行 记录，包括：
• 顶面表层
• via孔内部
• 两个引脚：内排和其它排
这样做的好处是可以记录预热温度，接触时间以及不同引脚之间的温度差。记录接触时间的热电偶被放置在通孔中，突出通孔大约1mm。记录结果如图2所示。
L9 Taguchi实验
L9 Taguchi实验是一个正交的部分因子试验，每个试验 有4个因子，每个因子有3个水平，然后随机化排列成9次运行，来替代一个81（34 = 81）次运行的全因子试验。下面 的三张表为三个试验的参数。
质量标准
一个打分系统用来记录缺陷。对通孔填充率，分成1～ 5分，1分是指最好的情况，5分是指最坏的情况。图3a和3b描述的是这两种情况。部分顶面润湿，焊锡爬升达到或 者超过95%通孔填充和焊锡爬升小于95%分别给予4、3和2分。
对于桥接，计算桥接中包含的引脚数。图4是其中的一个例子。
对于锡珠，计算所有在器件引脚范围内的锡珠数量而与体积大小无关。图5是其中的一个例子。
空气条件下的热循环测试（AATC）
每种焊接方式组装的电路板在空气条件下都经过0～100°C的热循环。循环温度曲线上升和下降斜率为10°C/ 分钟，在两端停留30分钟。每种焊接方式下的4/5的电路板分成三组进行在测试房内进行500，1000，2000和3000次 空气条件下的热循环测试；剩下的1/5的电路板作为没有进行过热循环条件下的评估。
引脚拉力测试
使用一个夹具安装在Instron 5500R测试系统上来进行测试。夹具由一组可以调节的齿状卡钳组成，在拉力测试过程中牢牢抓住引脚。图6为试验安装方式。
三排，48个引脚的器件被用来进行拉力测试。引脚分成三排，每排16针，如图7所示。每块电路板都夹在X-Y轴平台上然后固定在Instron的底座上，并且调整角度使得引 脚拔出时可以垂直于夹具。夹具有一个可以移动的（Y轴）字头连接。Instron的测压元件最大负载值为5kN，并且进 行过校准，然后用来进行测量引脚发生失效时的拉力。
拉升率或者机头速度设置得非常慢，为0.5mm/分钟，这样才可以在失效的时候能够获得整块的焊锡。引脚进行了预准备处理，在拉拔前先在90度转角处将其剪断，这样夹具可以有效地夹住引脚的底部并且可以通过Instron机头的运动来控制，进行稳定的拉拔，用这种方法可以避免滑动。最外面一排和中间一排的引脚被拔出，在失效时的拉力会被测量和记录，失效的模式也会通过观察引脚被记录下来。最内部的一排引脚将被保留用来进行失效后的典型性分析。
失效模式
在引脚拉力测试实验过程中，观察到了三种失效模式：
• 孔壁铜层失效
• 焊锡失效
• 孔壁铜层和焊锡混合失效