无铅回流焊工艺及钎料膏的全面讨论

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：为了对回流焊有深入的了解，下面将对整个SMT工艺及钎料膏进行全面的讨论。基于这样的原理，红外回流+强制热风对流回流焊由于加热速度快、加热元器件温差小，在无铅回流焊中得以广泛应用，其结构示意图如图3-4-58所示。

1.无铅回流焊工艺方法

回流焊工艺的出现是随着组装工艺从通孔技术（THT）向表面组装技术（SMT）发展紧密相连的，它适应了更高密度组装的要求。回流焊使用钎料膏（又称锡膏）作为连接材料，通过印制或滴注等方法将钎料膏涂敷在印制电路板的焊盘上，用贴片机把贴装元件放置在钎料膏上，然后加热使钎料膏熔化，使其再次流动，从而实现连接，如图3-4-56所示。为了对回流焊有深入的了解，下面将对整个SMT工艺及钎料膏进行全面的讨论。

图3-4-56 回流焊时SMT工艺流程图

（1）钎料膏钎料膏是在SMT工艺中得以广泛应用的连接材料。它是由钎料合金粉、糊状钎剂和一些各种添加剂按一定比例均匀混合而成的膏状体。有一定的黏性和良好的触变特性，即在剪切力作用下黏度减小以利于印制，而印制之后黏度恢复，从而在回流焊之前起到固定元器件的作用。当钎料膏被加热到一定温度时，随着溶剂的挥发，在钎焊温度下，钎料合金粉熔化、润湿，使被焊元器件与焊盘互连在一起，冷却后形成永久连接焊点。

通常钎料膏可按以下性能分类。

1）钎料合金粉的熔化温度：如常用的Sn-Pb钎料的熔化温度为183～190℃（又可称为有铅钎料膏）；Sn-Ag或Sn-Ag-Cu钎料，熔化温度为217～225℃，还有Sn-Bi低温钎料膏，及其他高温钎料膏等。可根据钎焊时所需要温度的不同，选择不同熔化温度的钎料膏。

2）钎剂的活性：可参照钎剂活性的分类原则，分为低活性（R）、中等活性（RMA）和高活性（RA），可根据PCB和元器件的情况和工艺要求进行选择。

3）清洗方式：分为有机溶剂清洗、水清洗及免清洗等方式。从环保的角度考虑，水清洗和免清洗是发展主流。

衡量钎料膏中钎料合金粉末的质量标准主要有粒度、球形度和氧含量。粉末粒度的分类见表3-4-8，球形度的要求为1.07，氧含量为15×10^-5%（质量分数）。另外钎料膏应存放在3～10℃的冰箱内，使用前在未开封的情况下，应在室温放置4h以上，以使钎料膏的温度自然回升到室温。开封后，要先对钎料膏进行搅拌以保证钎料膏中的各组成成分均匀。钎料膏从施加到PCB上至贴装元器件之前的不失效时间，一般要求为12～24h，有时需达72h。一般要求在2～5℃下的存储寿命为3～6个月。

表3-4-8 钎料合金粉的粒度分布要求

一般钎料膏中合金粉与钎剂的通用配比为：钎料合金含量为85%～90%（质量分数），钎剂为15%～10%（质量分数），或合金含量为50%～60%（质量分数），钎剂为40%～50%（质量分数）。有时根据需要，钎剂的含量可达20%（质量分数）。一般而言，合金粉含量高，钎料膏不易塌落，钎焊时钎剂残留物减少，但印制比较困难，钎焊工艺要求更需严格。合金粉含量低，印制性能好，润湿性好，但缺点是易塌落，焊后钎剂残留物增加。

（2）钎料膏的印制将钎料膏涂敷于焊盘表面的最常用方法是印制。滴注法由于效率低，只在特殊场合应用。印制方法中丝网印刷方式也逐渐淘汰，目前最为常用的是金属模板印制方法。

金属模板一般选用不锈钢，模板厚度与开口尺寸直接关系到钎料膏印刷质量。开口设计的主要参数为

式中 L、W、T——分别为开口的长、宽、厚（即模板厚度），mm。

从上式可以看出，宽厚比、面积比越大，越容易脱模，即焊盘对钎料膏的拉力大于开口孔壁对钎料膏的剪切力。一般要求宽厚比>1.5，面积比>0.66。开口加工方法有化学腐蚀法、激光切割法和电铸法。表3-4-9为元器件引线节距与模板厚度的关系。

表3-4-9 元器件引线节距与模板厚度的关系

钎料膏的印制过程如图3-4-57所示，刮刀倾斜一定的角度、施加一定的压力、以一定的速度

图3-4-57 钎料膏印制过程示意图

a）滚动状态 b）实际充填状态

推动钎料膏进入模板的开口。一般刮刀角度设定为45°～60°，单位长度上的压力为5N/mm，速度选择可在12～40mm/s之间。刮刀材料通常由聚氨酯橡胶或金属制成。

（3）贴片技术贴片是指用一定的方式将片式元器件准确地贴放到PCB指定的位置上。它包含了两个动作，即拾取与放置，这样的工作可由贴片机来实现高速、高精度地贴放元器件。目前先进的贴片机贴片速度可达8片/s，贴片精度为±60μm。

（4）回流焊

1）红外回流焊：红外回流焊已成为主流的回流焊方法，它是用发射单元发射的红外线作为热源来加热元器件、电路板和周围的空气的，这和红外线的波长有关。对于近红外线来说，其波长一般在1～2.5μm，此时的红外线能量大部分可被焊件吸收，空气吸收产生对流加热的红外热量不足5%。但由于表面贴装元器件的表面颜色的深浅及体积大小不一、材料的差异及与热源的距离不同，因此所吸收的热量也不同，造成温度的不均匀。而当红外辐射波长处于红外波长的中间区（2.5～5μm），约有40%的热量辐射到被钎焊的元件上，其余60%的热量则由炉内的热空气通过对流来提供。基于这样的原理，红外回流+强制热风对流回流焊由于加热速度快、加热元器件温差小，在无铅回流焊中得以广泛应用，其结构示意图如图3-4-58所示。

图3-4-58 红外回流+热风对流焊结构示意图

2）回流焊温度-时间曲线：对于回流焊的整个过程，可以通过回流焊温度-时间曲线来进行分析。图3-4-59所示为典型的回流焊温度-时间曲线，整个过程按照时间进程，可分为4个阶段，其功能简述如下：

①预热区：指由室温升至120～150℃的区域，升温速度一般为1～3℃/s。该段可使PCB和元器件预热，钎料膏中的溶剂缓慢挥发，以防止钎料膏塌落、钎料飞溅及元器件的损伤。

②保温区：指温度维持在150℃至钎料熔化温度之间的区域，通常时间为60～120s。该段主要是为了保证PCB及其要组装的元器件在进入回流焊前的温度尽可能均匀，小的元器件由于热得快，因此要把温度降下来，大的元器件热得慢，要把温度升上去。同时，钎料中的活化剂开始作用，在一定程度上去除氧化膜，准备回流熔化。

图3-4-59 回流焊温度-时间曲线

③回流区：指温度超过钎料熔化温度的区域，对于Sn-Pb钎料，常用温度为210～225℃，对无铅钎料，一般为230～245℃。此时钎料开始熔化，在连接部位润湿、铺展，形成焊点，高温停留时间一般为60～120s。影响焊点质量的关键因素是峰值温度和高温停留时间。

④冷却区：指冷却时温度低于钎料熔化温度的区域，此时，液态钎料发生凝固，形成焊点。冷却速度太大，可能造成较大的热应力；冷却速度过小，焊点晶粒长大，表面粗糙。

2.无铅回流焊面临的问题

由于电子元器件耐热性的限制，回流焊的峰值温度一般不能超过245℃，在Sn-37Pb有铅钎料的情况下，钎料熔化温度仅为183℃，因此有62℃左右的较宽的工艺窗口。但是在无铅钎料的情况下，如Sn-3.5Ag或Sn-Ag-Cu钎料合金，钎料的熔化温度为220℃左右，此时的工艺窗口范围仅为24℃左右。工艺窗口窄是无铅回流焊的主要技术难点。

经过大量的试验研究，如今许多国际组织对回流焊的温度曲线提出了推荐，见表3-4-10。

表3-4-10 国际组织推荐的无铅回流焊焊接参数

以上参数对预热时的加热速度并没有明确的规定。从钎焊原理的理论出发，加热速度一定会对钎料的性能产生影响，从而影响回流焊时的质量。一般而言，慢的加热速度有利于钎料中的溶剂的缓慢挥发，有利于元器件、PCB的温度均匀，甚至可以增加钎料膏的黏度，减少元器件的坍塌。Lee等人基于缺陷机理分析，研究了回流条件对焊点缺陷的影响。结果表明：慢的升温速度（0.5～1℃/s）、快的冷却速度（<4℃/s）可以得到最小的缺陷率，甚至可以取消预热时的保温时间。组装过程中被成功采用的优化回流焊温度线性上升曲线如图3-4-60所示。

图3-4-60 回流焊温度线性上升曲线

a）Sn-37Pb（峰值温度220℃） b）Sn-3.9Ag-0.6Cu（峰值温度249℃）

无铅回流焊工艺及钎料膏的全面讨论

相关推荐