回流焊工藝發(fā)展介紹

由于電子產(chǎn)品不斷小型化的需要，出現(xiàn)了片狀元件，傳統(tǒng)的焊接方法已不能適應(yīng)需要。首先在混合集成電路組裝中采用了回流焊工藝，組裝焊接的元件多數(shù)為片狀電容、片狀電感，貼裝型晶體管及二極管等。隨著SMT整個技術(shù)發(fā)展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件(SMD)的出現(xiàn)，作為貼裝技術(shù)一部分的回流焊工藝技術(shù)及設(shè)備也得到相應(yīng)的發(fā)展，其應(yīng)用日趨廣泛，幾乎在所有電子產(chǎn)品領(lǐng)域都已得到應(yīng)用，而回流焊技術(shù)，圍繞著設(shè)備的改進(jìn)也經(jīng)歷以下發(fā)展階段。
1． 熱板（Hot-plate）及推板式熱板傳導(dǎo)回流焊：
　　這類回流焊爐依靠傳送帶或推板下的熱源加熱，通過熱傳導(dǎo)的方式加熱基板上的元件，用于采用陶瓷（Al2O3）基板厚膜電路的單面組裝，陶瓷基板上只有貼放在傳送帶上才能得到足夠的熱量，其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。我國的一些厚膜電路廠在80年代初曾引進(jìn)過此類設(shè)備。
2． 紅外線輻射回流焊：
此類回流焊爐也多為傳送帶式，但傳送帶僅起支托、傳送基板的作用，其加熱方式主要依紅外線熱源以輻射方式加熱，爐膛內(nèi)的溫度比前一種方式均勻，網(wǎng)孔較大，適于對雙面組裝的基板進(jìn)行回流焊接加熱。這類回流焊爐可以說是回流焊爐的基本型。在我國使用的很多，價格也比較便宜。
3． 紅外加熱風(fēng)（Hot air）回流焊：
　　這類回流焊爐是在IR爐的基礎(chǔ)上加上熱風(fēng)使?fàn)t內(nèi)溫度更均勻，單純使用紅外輻射加熱時，人們發(fā)現(xiàn)在同樣的加熱環(huán)境內(nèi)，不同材料及顏色吸收熱量是不同的，即（1）式中Q值是不同的，因而引起的溫升ΔT也不同，例如IC等SMD的封裝是黑色的酚醛或環(huán)氧，而引線是白色的金屬，單純加熱時，引線的溫度低于其黑色的SMD本體。加上熱風(fēng)后可使溫度更均勻，而克服吸熱差異及陰影不良情況，IR + Hot air的回流焊爐在國際上曾使用得很普遍。
4． 充氮（N2）回流焊：
　　隨著組裝密度的提高，精細(xì)間距（Fine pitch）組裝技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了充氮回流焊工藝和設(shè)備，改善了回流焊的質(zhì)量和成品率，已成為回流焊的發(fā)展方向。氮氣回流焊有以下優(yōu)點：
（1） 防止減少氧化
（2） 提高焊接潤濕力，加快潤濕速度
（3） 減少錫球的產(chǎn)生，避免橋接，得到列好的焊接質(zhì)量
　　得到列好的焊接質(zhì)量特別重要的是，可以使用更低活性助焊劑的錫膏，同時也能提高焊點的性能，減少基材的變色，但是它的缺點是成本明顯的增加，這個增加的成本隨氮氣的用量而增加，當(dāng)你需要爐內(nèi)達(dá)到1000ppm含氧量與50ppm含氧量，對氮氣的需求是有天壤之別的。現(xiàn)在的錫膏制造廠商都在致力于開發(fā)在較高含氧量的氣氛中就能進(jìn)行良好的焊接的免洗焊膏，這樣就可以減少氮氣的消耗。
　　對于中回流焊中引入氮氣，必須進(jìn)行成本收益分析，它的收益包括產(chǎn)品的良率，品質(zhì)的改善，返工或維修費的降低等等，完整無誤的分析往往會揭示氮氣引入并沒有增加最終成本，相反，我們卻能從中收益。
在目前所使用的大多數(shù)爐子都是強(qiáng)制熱風(fēng)循環(huán)型的，在這種爐子中控制氮氣的消耗不是容易的事。有幾種方法來減少氮氣的消耗量，減少爐子進(jìn)出口的開口面積，很重要的一點就是要用隔板，卷簾或類似的裝置來阻擋沒有用到的那部分進(jìn)出口的空間，另外一種方式是利用熱的氮氣層比空氣輕且不易混合的原理，在設(shè)計爐的時候就使得加熱腔比進(jìn)出口都高，這樣加熱腔內(nèi)形成自然氮氣層，減少了氮氣的補(bǔ)償量并維護(hù)在要求的純度上。
5． 雙面回流焊
　　雙面PCB已經(jīng)相當(dāng)普及，并在逐漸變得復(fù)那時起來，它得以如此普及，主要原因是它給設(shè)計者提供了極為良好的彈性空間，從而設(shè)計出更為小巧，緊湊的低成本的產(chǎn)品。到今天為止，雙面板一般都有通過回流焊接上面（元件面），然后通過波峰焊來焊接下面（引腳面）。目前的一個趨勢傾向于雙面回流焊，但是這個工藝制程仍存在一些問題。大板的底部元件可能會在第二次回流焊過程中掉落，或者底部焊接點的部分熔融而造成焊點的可靠性問題。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種方法來實現(xiàn)雙面回流焊：一種是用膠來粘住第一面元件，那當(dāng)它被翻過來第二次進(jìn)入回流焊時元件就會固定在位置上而不會掉落，這個方法很常用，但是需要額外的設(shè)備和操作步驟，也就增加了成本。第二種是應(yīng)用不同熔點的焊錫合金，在做第一面是用較高熔點的合金而在做第二面時用低熔點的合金，這種方法的問題是低熔點合金選擇可能受到最終產(chǎn)品的工作溫度的限制，而高熔點的合金則勢必要提高回流焊的溫度，那就可能會對元件與PCB本身造成損傷。對于大多數(shù)元件，熔接點熔錫表面張力足夠抓住底部元件話形成高可靠性的焊點，元件重量與引腳面積之比是用來衡量是否能進(jìn)行這種成功焊接一個標(biāo)準(zhǔn)，通常在設(shè)計時會使用30g/in2這個標(biāo)準(zhǔn)，第三種是在爐子低部吹冷風(fēng)的方法，這樣可以維持PCB底部焊點溫度在第二次回流焊中低于熔點。但是潛在的問題是由于上下面溫差的產(chǎn)生，造成內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，需要用有效的手段和過程來消除應(yīng)力，提高可靠性。
　　以上這些制程問題都不是很簡單的。但是它們正在被成功解決之中。勿容置疑，在未來的幾年，雙面板會斷續(xù)在數(shù)量上和復(fù)雜性性上有很大發(fā)展。
6． 通孔回流焊
　　通孔回流焊有時也稱作分類元件回流焊，正在逐漸興起。它可以去除波峰焊環(huán)節(jié)，而成為PCB混裝技術(shù)中的一個工藝環(huán)節(jié)。一個最大的好處就是可以在發(fā)揮表面貼裝制造工藝的優(yōu)點的同時使用通孔插件來得到較好的機(jī)械聯(lián)接強(qiáng)度。對于較大尺寸的PCB板的平整度不能夠使所有表面貼裝元器件的引腳都能和焊盤接觸，同時，就算引腳和焊盤都能接觸上，它所提供的機(jī)械強(qiáng)度也往往是不夠大的，很容易在產(chǎn)品的使用中脫開而成為故障點。
盡管通孔回流焊可發(fā)取得償還好處，但是在實際應(yīng)用中仍有幾個缺點，錫膏量大，這樣會增加因助焊劑的揮了冷卻而產(chǎn)生對機(jī)器污染的程度，需要一個有效的助焊劑殘留清除裝置。另外一點是許多連接器并 沒有設(shè)計成可以承受回流焊的溫度，早期基于直接紅外加熱的爐子已不能適用，這種爐子缺少有效的熱傳遞效率來處理一般表面貼裝元件與具有復(fù)雜幾何外觀的通孔連接器同在一塊PCB上的能力。只有大容量的具有高的熱傳遞的強(qiáng)制對流爐子，才有可能實現(xiàn)通孔回流，并且也得到實踐證明，剩下的問題就是如何保證通孔中的錫膏與元件腳有一個適當(dāng)?shù)幕亓骱笢囟惹€。隨著工藝與元件的改進(jìn)，通孔回流焊也會越來越多被應(yīng)用。
7． 無鉛回流焊
　　出于對環(huán)保的考慮，鉛在21世紀(jì)將會被嚴(yán)格限用。雖然電子工業(yè)中用鉛較極小，不到全部用量1％，但也屬于禁用之列，在未來的幾年中將會被逐步淘汰。現(xiàn)在正在開發(fā)可靠而又經(jīng)濟(jì)的無鉛焊料。目前開發(fā)出多種替代品一般都具有比錫鉛合金高40C左右的熔點溫度，這就意味著回流焊必須在更高的溫度下進(jìn)行。氮氣保護(hù)可以部分消附除因溫度提高而增加的氧化和對PCB本身的損傷。不過工業(yè)界大概必須經(jīng)這一個痛苦的學(xué)習(xí)期來解決所遇到的問題，工盡快應(yīng)用該制程，時間已經(jīng)所省不多，現(xiàn)在所使用的許多爐子被設(shè)計成高不超出3000C的作業(yè)溫度，對于無鉛焊料或非共溶點焊錫（用于BGA，雙面板等）來講，則需要更高的爐子溫度，這些新的制程通常要求回流區(qū)中的溫度達(dá)到3500C～4000C，爐子的設(shè)計必須更改以滿足這樣的要求，機(jī)器中的熱敏感部件必須被修改，或者要采取措施防止熱量向這些部件傳遞。
8． 連續(xù)柔性板回流焊
　　特殊的爐子已經(jīng)被開發(fā)出來處理貼裝有SMT元件的連續(xù)柔性板。與普通回流爐最大不同點是這種爐子需要特制的軌道來傳遞柔性板。當(dāng)然，這種爐子也需要能處理連續(xù)板的問題。對于分離的PCB板來講，爐中的流量與前幾段工位的狀況無依賴關(guān)系，但是對于成卷連續(xù)的柔性板，柔性板在整條線上是連續(xù)的，線上任何一個特殊問題，停頓就意味著全線必須停頓，這樣就產(chǎn)生一個特殊問題，停頓在爐子中的部分會因過熱而損壞，因此，這樣的爐子必須具備應(yīng)變隨機(jī)停頓的能力，繼續(xù)處理完該段柔性板，并在全線恢復(fù)連續(xù)運轉(zhuǎn)時回到正常工作狀態(tài)。
9． 垂直烘爐技術(shù)
　　市場對于縮小體積的需求，使CSP（如FLIP CHIP）得到較多應(yīng)用，這樣元件貼裝后具有更小的占地面積和更高的信號傳遞速率。填充或灌膠被用來加強(qiáng)焊點結(jié)構(gòu)使其能抵受住由于硅片與PCB材料的熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力，一般常會采用上滴或圍填法來把晶片用膠封起來。許多這樣的封裝膠都需要很長的固化時間，對于在線生產(chǎn)的爐子來講是不現(xiàn)實的，通常會使用成批處理的烘爐，但是垂直烘爐已經(jīng)被證明可以成功地進(jìn)行固化過程，并且其溫度曲線比普通回流爐更為簡單，垂直烘爐使用一個PCB傳輸系統(tǒng)來扮演緩沖區(qū)/堆積區(qū)的作用，這樣就延長了PCB板在一個小占地面積的烘爐中駐留的時間。
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　　以上我們介紹了圍繞著設(shè)備改進(jìn)、回流焊裝備的發(fā)展沿革。實事上回流焊工藝的發(fā)展收到以下兩方面的推動：
1． 電子產(chǎn)品向短、小、輕、薄化發(fā)展。組裝高密度化，SMC/SMD微細(xì)間距化，SMC/SMD品種規(guī)格系列化，特別是異型元件與機(jī)電元件日益增多，這諸多的新發(fā)展迫使作為SMT中的重要工藝——回流焊工藝亦面臨著挑戰(zhàn)，需要不斷地發(fā)展和完善以提高焊接質(zhì)量和成品率。
2． 人類文明發(fā)展到今天，控制三廢（廢氣、廢料、廢水）保護(hù)環(huán)境已成為共識。傳統(tǒng)的錫膏中含有助焊劑，其焊接后的殘留物需要用氟里昂（CFC）及丙酮等溶劑來清洗，而這些溶劑都會對環(huán)境造成污染，為了避免污染相應(yīng)出現(xiàn)了水清洗工藝和免清洗工藝還有新型焊錫膏。