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回流焊接温度曲线的设计与应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-01-16  浏览次数:103

回流焊接温度曲线的设计是SMT工艺工程师最重要的工作之一,但据
笔者了解,许多制造商的温度曲线都是根据焊膏供应商提供的参数设
计的,这也是目前业界较为普遍的做法。这一做法的好处在于可以充
分利用焊膏供应商的经验,不足之处是对不同印制电路板组件
(PCBA)之间热特性的差异考虑不充分,而这恰恰是影响焊接质量最
主要的因素之一。在本文中,笔者将结合一些案例对温度曲线的设计
做一些定性分析,供读者参考。


回流焊的加热过程

在SMT的发展过程中,回流焊设备先后经过了气相回流焊、热板回流
焊、红外回流焊和热风回流焊等几个发展阶段。气相回流焊、热板回
流焊基本没有被广泛使用,红外回流焊也仅仅使用了几年的时间,二
十世纪八十年代后期基本就以热风回流焊为主了。

红外回流焊主要依靠红外线进行加热,由于红外线的颜色效应,使得
PCBA上不同部位存在较大的温度差。为了减少焊接过程中PCBA的温
度不均匀性,多使用 “Ramp-Soak-Spike”型的温度曲线,如图1所示,现
在多把它称为传统型温度曲线。而随着全热风回流焊设备的使用,由
于加热效率的提升和温度差的减小,逐渐改为“Ramp-Spike”型的温度曲
线,如图2所示,这种形状的温度曲线也被称为“帐篷”型温度曲线。

 

 

全热风回流焊设备,尽管品牌很多,结构各异,但热风的循环方式基
本一样,都是从风口板吹出,再从炉子前后回去,如图3所示。

PCBA的受热过程一般为先表面后内部。具体来讲,就是回流焊设备
将热空气吹到PCBA的表面,使其表面被加热,再通过传导的方式把
热量传递到PCBA内部,如图4所示。显而易见,由于PCBA元器件布
局的不均以及元器件封装大小的不同,在加热的起始过程,PCB和元
器件各部位的温度存在着差异,而这一差异会引起PCB和元器件封装
体的热变形以及各焊点上焊膏开始熔化时间的不一致。热变形会导致
热应力的产生,焊膏熔化时间的不同会导致焊接时间的变长;这两点
是PCBA回流焊接与单焊点焊接(如可焊性测试)、波峰焊接的最大不
同,也是回流焊接必须根据PCBA热特性设置温度曲线的原因所在。

 


 

温度曲线的热过程分析

 

回流焊接中,焊膏的热过程与元器件的热变形过程是比较复杂的,特
别是焊膏的热过程,至今也有些问题还没有完全搞清楚。但根据一般
的经验,我们可以把它分为5个阶段:即预热升温→预热保温→焊接升
温→焊接→冷却,如图5所示。

 

下面我们对各个阶段进行一下具体分析:

预热(升温和保温)阶段:传统式的温度曲线有明显的两个阶段(升
温、均温),而“帐篷”型的温度曲线基本是一个缓慢的升温过程。不论
是哪种曲线,预热过程主要解决三个问题:使大部分溶剂挥发,助焊
剂活化和去除被焊接面的氧化物,使PCBA在焊接升温前达到热平衡。
这个阶段温度曲线的设计,主要考虑的是PCBA的热平衡问题和焊膏的
飞溅问题。

焊接升温阶段:一些问题容易被忽略,但事实上对焊接质量的影响还
是比较大的,比如立碑、芯吸、焊剂飞溅等缺陷大都发生在此阶段;
特别是在无铅焊接工艺条件下,更是如此!从减少焊接缺陷的角度,
我们希望这个阶段的升温速度越小越好。

焊接阶段:主要完成三项任务:所有焊点达到焊接需要的最低温度;
焊料与被焊材料元素扩散,形成金属间化合物(IMC);大尺寸元件
达到热平衡,减少冷却后焊点的应力。完成这三项任务需要的条件就
是焊接的峰值温度与时间必须足够。回流焊接大部分的缺陷产生都在
这个阶段,具体来说就是温度和时间设置上存在问题。

冷却阶段:对焊点的组织形态有很大的影响。我们知道,金属的凝固
速度越小,其晶体组织越粗,性能也越差。根据有关的文献介绍,合
适的冷却速率大概为3~6℃/秒;但实际上,大部分靠过滤焊剂后的回
用风进行冷却的回流焊炉,其最大冷却速率也就是2℃/秒左右。


温度曲线的设计

温度曲线的设计,主要依据焊膏的性能和PCBA的热特性来进行。设计的
核心就是确定焊接的峰值温度和焊接时间。

焊膏的性能决定了焊膏熔化的温度,不同的封装和元器件布局决定了
焊接的峰值温度与需要的时间。一般来说,大尺寸的BGA、密集芯片
布局、镜像芯片布局,以及带吸装盖的连接器等,对焊接峰值温度和
焊接时间影响比较大,需要加以特别考虑,如图6所示。

p>对单焊点的焊接,并不需要很长的时间,3~5秒即 可;但对PCBA的
焊接,我们必须确保所有的焊点达到焊接所需要的最低温度和确保热
平衡需要的时间。一般而言,手机板比较薄,上面也没有大热容量的
元器件,35~60秒图6:温度曲线的设计考虑的焊接时间即可获得良好
的焊点;对装有大尺寸BGA的PCBA,使所有焊点达到所需的峰值温度
,一般需要60~80秒的焊接时间;而对像POP类的器件,必须给予足够
的焊接时间,以便所有芯片达到热平衡。


锡铅焊膏焊接无铅BGA温度曲线的设计

在锡铅向无铅转换进程中,一些产品仍然采用锡铅工艺,但采购的元
器件很多已经无铅化了,这就出现了一种锡铅无铅混合工艺。对非
BGA封装的无铅元件,一般采用锡铅工艺不会有问题,但对无铅BGA
来说,就会产生问题。用锡铅焊膏焊接无铅BGA已经成为一个比较特
殊的工艺。

BGA的焊接与其它封装有两点不同,即二次塌落和二次热变形现象。
为了保证无铅BGA的二次塌落,焊接的温度必须足够的高,必须大于
二次塌落和焊球与焊膏融合的最低温度。据一些文献报道,如果BGA
的焊球为SAC305,最低温度大约在228~230℃左右;若希望形成良好
的焊点,实际的焊接温度必须高于这个最低的温度,如235~240℃。

要消除焊接过程中热变形对焊点的影响,必须确保冷却前BGA封装的
热平衡,这就需要一定的焊接时间保证。

 

 

因此,用锡铅焊膏焊接无铅BGA,决不能采用一般的锡铅焊接工艺条
件。用锡铅焊膏焊接无铅BGA,实际上是锡铅焊膏无铅工艺条件下的
焊接工艺,是一种特殊的工艺。之所以特殊,是因为焊接使用的峰值
温度与焊接时间均不同于一般的锡铅焊接工艺条件。

图7所示PCBA采用的就是这种混合工艺,BGA焊球为SAC305,采用的
焊膏为共晶锡铅合金。由于焊接的温度不够,焊接后焊球与焊盘不能
融合(见图8)。

 
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