SMT焊接工艺和可靠性

毕业设计报告论文报告论文题目：SMT焊接工艺及其可靠性作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子工艺与管理 作者所在_ 10251 作 者 姓 名 ： 辛春明 作 者 学 号 ：指导白完 成 时 间 ： 2013 年6月5日 北华航天工业学院教务处制32 / 39北华航天工业学院电子工程系毕业设计论文任务书_辛春明专 业：电子工艺与管理班 级：10251_指导白职 称：教授完成时间：20XX6月5日毕业设计论文题目：SMT焊接工艺及其可靠性设计目标： 分析 波峰焊、再流焊炉等生产设备,掌握波峰焊、再流焊生产工艺流程,评价焊点质量,分析其可靠性。技术要求：1波峰焊、再流焊、AOI自动检测仪及返修工作站等SMT设备的使用。熟练操作流程及注意生产事项。2完成高可靠性工艺流程设计。所需仪器设备： 计算机一台,SMT设备一套成果验收形式：论文参考文献：表面组装工艺基础、实用表面组装技术、电子组装工艺与设备时间安排15周-6周立题论证39周-13周撰写论文27周-8周收集资料414周-16周成果验收指导教研室主任：系主任：摘 要本论文的研究工作是在SMT焊接工艺及其可靠性的课题背景下展开的,详细介绍了两种SMT焊接工艺流程以及进行可靠性分析。良好而坚固的工艺,意味着高成品率、高质量、高效率。追求良好而坚固的工艺,不仅是产品质量的要求,也是高密度组装的客观需要。组装的质量最终表现为焊接的质量。焊接的质量取决于所用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺技术和焊接设备。目前用于SMT焊接的方法有多种,既有传统波峰焊,又有适应超细元件和多引脚器件焊接而发展起来的红外再流焊、汽相焊、激光焊,并研究出与之相适应的各种再流焊炉包括热板式、红外式、热风红外式再流焊炉,汽相焊炉井式与再线式,激光焊机。不管是哪种方法、用哪种设备,其焊接的过程均是在一定时间将焊料与焊区元器件引脚和PCB焊盘升高到一定的温度,以致焊料融化并润湿焊接区,随着温度的下降,焊料凝固并形成令人满意的焊点。本文深入分析SMT焊接工艺,注重提高焊接质量以及进行质量检测,这些容可以归纳为三个方面：SMT焊接工艺、焊接质量、可靠性。关键词 SMT 波峰焊 再流焊质量检测 可靠性目 录第1章 绪论11.1 课题背景及国外发展概况11.2 SMT焊接工艺21.3 SMT焊接特点21.4课题的建立以及本文完成的主要工作2第2章 波峰焊32.1 波峰焊的概念32.2 波峰焊机32.3 波峰焊工作原理32.4生产工艺过程42.5 波峰焊工艺对元器件和印制电路板的基本要求52.6焊料和助焊剂62.7波峰焊工艺曲线解析6第3章 再流焊83.1 再流焊的概念83.2再流焊炉的主要技术指标及基本结构83.3再流焊原理93.4再流焊工艺特点与波峰焊技术相比103.5再流焊工艺要求103.6再流焊的分类103.7温度曲线123.7.1 再流焊的温度曲线组成123.7.2 测试温度曲线的注意事项133.7.3 温度曲线的测试方法143.7.4 温度曲线制作的简单估算163.7.5 温度曲线的调整163.8无铅再流焊17第4章 焊点质量及可靠性194.1焊点的外观评价194.2焊点寿命周期焊点的失效形式194.3焊接工艺引起的焊点失效机理204.3.1 热应力与热冲击204.3.2 金属的溶解204.3.3 基板和元件的过热214.3.4 超声清洗的损害214.4装卸和移动造成的焊点失效214.5环境老化224.5.1 腐蚀224.5.2 基板材料老化234.5.3 合金层234.5.4 蠕变断裂234.5.5 焊接疲劳244.6结论244.7焊接质量检测方法254.7.1 目视检测254.7.2 AOI检测254.8返修工作站27第5章 结论28致 29参考文献30焊接工艺及其可靠性第1章 绪论1.1 课题背景及国外发展概况 表面组装技术SMT是电子先进制造技术的重要组成部分,SMT的迅速发展和普及,变革了传统电子电路组装的概念,为电子产品的微型化、轻量化创造了基础条件,对于推动当代信息产业发展起到了独特的作用,成为制造现代电子产品的必不可少的技术之一。目前,SMT已经广泛应用于各行各业的电子产品组件和器件的组装中。而且,随着半导体元器件技术、材料技术、电子与信息技术等相关技术的飞速进步,SMT的应用还在不断扩大,其技术也在不断完善和深化发展之中。近年来,与SMT的这种发展现状与趋势相应,与信息产业和电子产品的飞速发展带来的对SMT的技术需求相应。SMT总的发展趋势是：元器件越来越小、组装密度越来越高、组装难度也越来越大。最近几年SMT又进入一个新的发展高潮。为了进一步适应电子设备向短、小、轻、薄方向发展,出现了02100.6mm0.3mm的CHIP元件、BGA、CSP、FLIP、CHIP、复合化片式元件等新型封装元器件。由于BGA等元器件技术的发展,非ODS清洗和无铅焊料的出现,引起了SMT设备、焊接材料、贴装和焊接工艺的变化,推动电子组装技术向更高阶段发展。SMT发展速度之快,的确令人惊讶,可以说,每年、每月、每天都有变化。 业界知名国际组织IPC为实现优良的电子组装焊接技术,制定了一系列相关标准。最直接的就是IPCA610与IPC/JSTD001两大标准。我国颁布了电子行业标准SJ/T10666表面组装件的焊点质量评定,对表面组装件的焊点质量评定作了具体的规定和要求。IPC标准将电子产品分为：11级：通用类电子产品22级：专用服务类电子产品33级：高性能电子产品 目前用于SMT焊接的方法有多种,既有传统波峰焊,又有适应超细元件和多引脚器件焊接而发展起来的红外再流焊、汽相焊、激光焊,并研究出与之相适应的各种再流焊炉包括热板式、红外式、热风红外式再流焊炉,汽相焊炉井式与再线式,激光焊机。本论文主要是针对SMT生产中的焊接环节,详述焊接工艺流程。在深入分析SMT焊接工艺的基础上,着重讨论波峰焊、再流焊的焊接原理及主要特点,给出焊接缺陷分析及解决办法。通过本课题的研究来提升工业生产中SMT焊接工艺的可靠性。1.2 SMT焊接工艺SMT包含表面组装元件、电路基板、组装材料、组装技术、组装工艺、组装设备、组装质量检测和测试、组装系统控制与管理等多项技术,是一门新型的先进制造技术和综合型工程科学技术。而在一系列的SMT工艺中,焊接是表面组装工艺技术中的主要工艺技术。在SMT中采用软钎焊技术主要有波峰焊和再流焊。一般情况,波峰焊用于混合组装方式,再流焊用于全表面组装方式。波峰焊是通孔插装技术中使用的传统焊接工艺技术,根据波峰的形状不同有单波峰焊、双波峰焊、三波峰、复合波峰等形式之分。根据提供热源的方式不同,再流焊有传导、对流、红外、激光、气相等方式。波峰焊与再流焊之间的基础区别在于热源与钎料的供给方式不同。在波峰焊中,钎料波峰有两个作用：一是供热,二是供钎料。再流焊中,热是由再流焊炉自身的加热机理决定的,焊膏首先是由专用的的设备加以确定的量涂覆的。波峰焊技术与再流焊技术是印制电路板上进行大批量焊接元器件的主要方式。就目前而言,再流焊技术与设备是SMT组装厂商组装SMD/SMC的主选技术与设备,但波峰焊任然是一种高效自动化、高产量、可在生产线上串联的焊接技术。因此,在今后相当长的一段时间,波峰焊技术与再流焊技术仍然是电子组装的首选技术。1.3 SMT焊接特点 1元器件本身受热冲击大； 2要求形成微细化的焊接连接； 3由于表面组装元器件的电极或引线的形状、结构和材料种类繁多,因此要求能对各种类型的电极或引线都能进行焊接； 4要求表面组装元器件与PCB上焊盘图形的接合强度和可靠性高。1.4 课题的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下容：1主要介绍波峰焊、再流焊、焊点可靠性研究。2以焊接为核心,考虑SMT生产中的焊接工艺流程；优化程序结构提高焊点可靠性。3根据生产要求,完成焊接的标准化流程。第2章 波峰焊2.1 波峰焊的概念波峰焊是指将熔化的软钎焊料锡铅合金,经电动泵或电磁泵喷流形成设计要求的焊料波峰,亦可通过向焊料池注入氮气来形成,使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰,实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。按波型个数又分成单波峰、双波峰、三波峰和复合波峰4种。2.2 波峰焊机波峰焊机能产生焊锡波峰并能自动完成印制板组件焊接工艺过程的工艺设备。 图2-1波峰焊机 波峰焊设备发明至今已有50多年的历史了,在通孔元件电路板的焊接中具有生产效率高,自动化程度高等优点,因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设备。包括视觉对中系统、擦板系统、二维、三维测量系统等。2.3 波峰焊工作原理用于表面贴装元器件的波峰焊设备一般都是双波峰或电磁泵波峰焊机,下面以双波峰焊机为例来说明波峰焊原理。当完成点胶、贴装、胶固化、插装通孔元器件的印制电路板从波峰焊机的入口端随传送带向前运行,通过助焊剂发泡槽时,使印制电路板的下表面和所有的元器件端头和引脚表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂；随传送带运行印制电路板进入预热区。使助焊剂中的溶剂被挥发掉,这样可以减少焊接时产生气体；助焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化,可以去除印制电路板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其他污染物,同时起到保护金属表面防止发生再氧化的作用；印制电路板和元器件充分预热,避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制电路板和元器件。印制电路板继续向前运行,印制电路板的底面首先通过第一个熔融的焊料波,第一个焊料波是乱波,使焊料打到印制电路板的底面所有的焊盘、元器件焊端和引脚上,熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散。然后印制电路板的底面通过第二个熔融的焊料波,第二个焊料波是平滑波,平滑波将引脚及焊端之间的连桥分开,并将去除拉尖等焊接缺陷。当印制电路板继续向前运行离开第二个焊料波后,自然降温冷却形成焊点,即完成焊接。2.4 生产工艺过程图2-2工艺流程如图2-2线路板通过传送带进入波峰焊机以后,会经过某个形式的助焊剂涂敷装置,在这里助焊剂通过发泡或喷射的方法涂敷到线路板上。由于大多数助焊剂在焊接时必须要达到并保持一个活化温度来保证焊点的完全浸润,因此线路板在进入波峰槽前要先经过一个预热区。助焊剂涂敷之后的预热可以逐渐提升PCB的温度并使助焊剂活化,这个过程还能减小组装件进入波峰时产生的热冲击。它还可以用来蒸发掉所有可能吸收的潮气或稀释助焊剂的载体溶剂,如果这些东西不被去除的话,它们会在过波峰时沸腾并造成焊锡溅射,或者产生蒸汽留在焊锡里面形成中空的焊点或砂眼。波峰焊机预热段的长度由产量和传送带速度来决定,产量越高,为使板子达到所需的浸润温度就需要更长的预热区。另外,由于双面板和多层板的热容量较大,因此它们比单面板需要更高的预热温度。锡炉焊接图2-3波峰焊机部结构PCB在锡波中分为三个重在区段：进入区：管脚吃锡产生的地方。焊锡在进入区时,焊锡的流动特性受到器件管脚的阻挡,当焊锡性不良好的本体或管脚浸入熔锡中,熔锡就会变成弧形,改变方向,形成相对应的阴影区域。使部分管脚接触不到焊锡。脱离区：电路板离开锡波的时刻,焊锡与电路板脱离。在传热区焊接,电路板因焊锡完全短路,因此必須在脱锡区将多余的锡拉回锡槽內。中间区：介于进入区与脱离区之间,功能上又称传热区。此时电路板与焊锡直接接触,形成100%短路.吃锡作用起自于进入区而完成于脱离区,一個介于焊接区零件端接触点的有效金属接合赖以完成虽然零件与融锡接触仅0.1秒之即可达到焊锡温度,但是为了求得更确切的吃锡性,则需要更长的时间。2.5 波峰焊工艺对元器件和印制电路板的基本要求1应选择三层端头结构的表面贴装元器件,元器件体和焊端能经受两次以上260波峰焊的温度冲击,焊接后元器件体不损坏或变形,片式元件端头无脱帽现象；2如采用短插一次焊工艺,焊接面元件引脚露出印制电路板表面0.83mm；3基板应能经受260和50s的耐热性,铜箔抗剥强度好,阻焊膜在高温下仍有足够的粘附力,焊接后阻焊膜不起皱；4印制电路板翘曲度小于0.81.0；5对于贴装元器件采用波峰焊工艺的印制电路板必须按照贴装元器件的特点进行设计,元器件布局和排布方向应遵循较小的元件在前和尽量避免互相遮挡的原则。2.6 焊料和助焊剂目前一般采用Sn63Pb37棒状共晶焊料,熔点183。助焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活性化反应,能去除焊接金属表面氧化膜,同时松香树脂又能保护金属表面在高温下不再氧化；助焊剂能降低熔融焊料的表面力,有利于焊料的润湿和扩散。2.7 波峰焊工艺曲线解析图2-4波峰焊工艺曲线1 润湿时间 指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间。2停留时间预热温度：预热温度是指PCB与波峰面接触前达到的温度。4 焊接温度 焊接温度是非常重要的焊接参数通常高于焊料熔点183C 50C60C大多数情况是指焊锡炉的温度实际运行时所焊接的PCB焊点温度要低于炉温这是因为PCB吸热的结果。为DIP焊点或焊接面温度曲线,体现焊接面器件的受热与焊接过程。为TOP面/元件面的温度曲线,体现器件本体以及TOP面SMT器件的受热过程。针对于此,其最高温度 温度控制精度：应达到0.10.2；2 传输带横向温差：要求5以下；3 温度曲线测试功能：如果设备无此配置,应外购温度曲线采集器；4 最高加热温度：一般为300350,如果考虑无铅焊料或金属基板,应选择350以上；5 加热区数量和长度：加热区数量越多、加热区长度长,越容易调整和控制温度曲线。一般中小批量生产选择45个温区,加热区长度1.8m左右即能满足要求；6 传送带宽度：应根据最大PCB尺寸确定。2.基本结构再流焊炉主要由炉体、上下加热源、PCB传输装置、空气循环装置、冷却装置、排风装置、温度控制装置,以及计算机控制系统组成。再流焊炉是焊接表面组装元器件的设备。再流焊机主要由以下几大部分组成：加热系统、热风对流系统、传动系统、顶盖升起系统、冷却系统、氮气装备、助焊剂回收系统、控制系统等。再流焊机的结构主体是一个热源受控的隧道式炉膛,沿传送系统的运动方向,设有若干独立控温的温区,通常设定为不同的温度,全热风对流再流焊炉一般采用上、下两层的双加热装置。电路板随传动机构直线匀速进入炉膛,顺序通过各个温区,完成焊点的焊接。整个再流焊过程一般需经过预热、保温干燥、再流、冷却温度不同的四个阶段。电路板由入口进入再流焊炉膛,到出口传出完成焊接,整个再流焊过程一般需经过预热、保温干燥、回流、冷却温度不同的四个阶段。要合理设置各温区的温度,使炉膛的焊接对象在传输过程中所经历的温度按合理的曲线规律变化,这是保证再流焊质量的关键。 3.3 再流焊原理图3-2温度曲线 如图3-2分析再流焊的原理：当PCB进入升温区干燥区时,焊膏中的溶剂、气体蒸发掉,同时,焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚,焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘,将焊盘、元器件引脚与氧气隔离； PCB 进入保温区时,使PCB 和元器件得到充分的预热,以防 PCB 突然进入焊接高温区而损坏 PCB 和元器件；当PCB 进入焊接区时,温度迅速上升使焊膏达到熔化状态,液态焊锡对 PCB 的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点； PCB 进入冷却区,使焊点凝固。此时完成了再流焊。3.4 再流焊工艺特点与波峰焊技术相比 1不像波峰焊那样,要把元器件直接浸渍在熔融的焊料中,所以元器件受到的热冲击小。但由于再流焊加热方法不同,有时会施加给器件较大的热应力； 2只需要在焊盘上施加焊料,并能控制焊料的施加量,避免了虚焊、桥接等焊接缺陷的产生,因此焊接质量好,可靠性高； 3有自定位效应当元器件贴放位置有一定偏离时,由于熔融焊料表面力作用,当其全部焊端或引脚与相应焊盘同时被润湿时,在表面力作用自动被拉回到近似目标位置的现象； 4焊料中不会混入不纯物,使用焊膏时,能正确地保证焊料的组分； 5可以采用局部加热热源,从而可在同一基板上,采用不同焊接工艺进行焊接； 6工艺简单,修板的工作量极小。从而节省了人力、电力、材料。3.5 再流焊工艺要求1要设置合理的再流焊温度曲线,再流焊是SMT生产中关键工序,根据再流焊原理,设置合理的温度曲线,才能保证再流焊质量。不恰当的温度曲线会出现焊接不完全、虚焊、元件翘立、焊锡球多等焊接缺陷,影响产品质量。要定期做温度曲线的实时测试。2要按照PCB 设计时的焊接方向进行焊接。3焊接过程中,在传送带上放PCB要轻轻地放平稳,严防传送带震动,并注意在机器出口处接板,防止后出来的板掉落在先出来的板上碰伤SMD引脚。4必须对首块印制板的焊接效果进行检查。检查焊接是否充分、有无焊膏融化不充分的痕迹、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况。还要检查PCB 表面颜色变化情况,再流焊后允许PCB有少许但是均匀的变色。并根据检查结果调整温度曲线。在整批生产过程中要定时检查焊接质量。3.6 再流焊的分类1对PCB整体加热对PCB整体加热再流焊又可分为：气相再流焊、热板再流焊、红外再流焊、红外加热风再流焊和全热风再流焊。2对PCB局部加热对PCB局部加热再流焊可分为：激光再流焊、聚焦红外再流焊、光束再流焊、热气流再流焊 。目前比较流行和实用的大多是远红外再流焊、红外加热风再流焊和全热风再流焊。 1红外再流焊设备红外再流焊的原理是热能通常有80的能量以电磁波的形式红外线向外发射,焊点受红外幅射后温度升高,从而完成焊接过程。通常,波长在1.5l0m的红外辐射能力最强,约占红外总能量的8090,辐射到的物体能快速升温。为使组件局部区域热平衡及预先干燥焊膏,先要把它加热至 120150。在传热围,使焊接组件有时间进行温度平衡,随后焊剂熔化,进入第二温区时,使焊接前组件温度要达到150170,然后在再流焊区210230完成焊接。这必须保证预敷焊料熔化,而且要保证所有焊点都可靠地润湿。2强制对流焊设备 全热风再流焊机的加热系统主要由热风马达、加热管、热电耦、固态继电器SSR、温控模块等部分组成。再流焊机炉膛被划分成若干独立控温的温区,其中每个温区又分为上、下两个温区。温区装有发热管,热风马达带动风轮转动,形成的热风通过特殊结构的风道,经整流板吹出,使热气均匀分布在温区。 强制对流焊是组件靠强制热空气对流加热。该设备有一个气体的加热系统,应用大功率风扇把热风吹向焊接件,由于组件与热风的偶连好,所以,只要很短时间,组件和气体之间就能达到热平衡。这意味着受热元件的温度比用辐射炉的温度低。这种方法增大了加热的均匀性。3气相再流焊设备气相再流焊是利用氟惰性液体由气态相变为液态时放出的气化潜热来进行加热的一种焊接方法。气相再流焊接使用氟惰性液体作热转换介质,加热这种介质,利用它沸腾后产生的饱和蒸气的气化潜热进行加热。在气相焊系统中,焊接操作控制的变量是组件的预热和在线系统中的通过时间, 及在系统中蒸气的停留时间的控制。利用这种方法焊接,特性曲线控制简单。气相再流焊主要工艺参数如下:预热温度升速率:23/S；元器件表面温度在120150围中停留,时间:3060s,在200汽相焊区停留时间:2540s。4激光再流焊设备激光焊接是利用激光束直接照射焊接部位,焊接部位器件引脚和焊料吸收激光能并转成变热能,温度急剧上升到焊接温度,导致焊料熔化,激光照射停止后,焊接部位迅速空冷,焊料凝固,形成牢固可靠的连接。焊接用激光,一般有两种形式,气全激光和掺钕钇铝石榴石激光。此外,激光焊也可用于高密度SMT印制板组装件的维修,切断多余的印制连线,补焊添加的元器件,而其它焊点不受热,保证维修的质量。3.7 温度曲线在PCB组装业中,再流焊接工艺是目前最流行和最常用的批量生产焊接技术。再流焊接工艺的关键在于找出最适当的再流温度曲线,一条优化的再流温度曲线将保证高品质的焊点。影响再流温度曲线变化的因素很多,与再流焊炉的性能、采用的工艺材料焊膏、PCB板的颜色和质地、板上元件种类及布局等有关。首先要对理想的温度曲线有一个基本的认识。目前典型的焊膏再流温度曲线有两种：一种为升温-到-回流温度曲线,主要用于水溶焊膏和难于焊接的合金的焊接工艺；另一种为升温-保温-回流温度曲线,可用于SMA或免洗焊膏的焊接,这是比较常用的一种温度曲线。本文着重介绍的是升温-保温-回流温度曲线,适用于成分为Sn63/Pb37的共晶焊膏,其熔点为183。3.7.1 再流焊的温度曲线组成图3-3温度曲线组成理想的温度曲线如图3-3温度曲线组成由四个温区组成,前面三个区加热、最后一个区冷却。实际上炉子的温区越多,越能使温度曲线的轮廓更准确,接近设定值。大多数焊膏都能用四个基本温区成功回流。升温区,也叫预热区,将PCB从环境温度加热到所须的活化温度。在这个区,组件的温度以4/S的速率连续上升,时间大约为90秒左右。温度升得太快会对元件造成热冲击,产生诸如应力裂纹等可靠性问题；而温度上升太慢,焊膏将达不到活化温度。保温区,也叫活化区。它有两个功能：第一是PCB在相当稳定的温度下受热,允许不同质量的元件在温度上趋于一致,减少它们的相对温差T；第二个功能是使助焊剂活化,挥发性的溶剂从焊膏中挥发。一般的活化温度围是120150,保温时间大约为90秒左右。如果活化区的温度设定太高,助焊剂将没有足够的时间活化。虽然有的焊膏允许活化期间提高一点温度,但是理想的曲线要求相当平稳的温度。应选择能维持平坦的活化温度曲线的炉子,将提高可焊性。再流区,也叫峰值区。这个区的作用是将PCB组件的温度从活化温度提高到峰值温度。典型的峰值温度围是205230,回流时间大约60秒左右。假如这个区的温度设定太高,会使其温升斜率超过4/S,或达到的回流峰值温度比理想的高,这种情况可能引起PCB的过分翘曲或烧损,并损害元件。冷却区,理想的冷却区曲线应该与回流区曲线成镜像关系。冷却速率应控制在4/S之,较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊点。但太快会引起元件部的热应力。3.7.2 测试温度曲线的注意事项在开始设定温度曲线之前,需准备下列设备和工具：温度曲线测试仪、热电偶、将热电偶附于PCB的工具和焊膏参数表。现在市场上能购买到的测温仪分为两类：一种为实时测温仪,即时传送温度/时间数据并作出图形；另一种测温仪采样并储存数据,然后上传到计算机,再在计算机上分析处理。所用的热电偶必须足够长,并可经受典型的炉膛温度。一般较小直径的热电偶,热质量小响应快,得到的结果精确。热电偶附着于PCB的方法有几种：1使用高温焊料如银/锡合金焊接到测试点上,焊点要尽量小。2用少量的热化合物也叫热导膏或热油脂斑点覆盖住热电偶,再用高温胶带粘住。这是比较常用的一种方法。3用高温胶,如氰基丙酸盐粘合剂来固定热电偶。这种方法通常不太可靠。热电偶附着于PCB的位置也要选择,通常最好是将热电偶的探头附着在PCB的焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。焊膏特性参数表也是必要的,因其包含的信息对温度曲线至关重要,如：期望的温度曲线持续时间、焊膏活化温度、熔点和回流峰值温度。 焊接时SMT板面温度要高于焊料熔化温度3040,以保证焊料的润湿性及在一定时间能完成焊接工作,温度不适当会导致元件焊接质量差,甚至会损坏元件。因此在新产品的生产过程中,应反复调整炉温,并得到一条满意的焊接温度曲线。温度曲线是指SMT通过再流炉时,SMT板面的温度随时间变化的曲线。实际测量时是将温度测试仪的热电偶设置在SMT板面上,选取36个测试点。测试点的选择由吸热最大的点位和吸热最小的点位来决定,并以它们的温度表示SMT板面上的焊接温度。影响曲线形状的关键参数是,传送带的速度和每个区的温度设定。带速决定SMT停留在每个温区的持续时间,增加时间可以使SMA上温度愈来愈接近所设定的温度,每个区的温度设定影响SMA的温度上升速率。在热风红外再流炉焊中,SMT上的温度对炉温很敏感,只要适当调控热源的温度,就可以方便地调节SMA上的温度。红外再流炉中,理想的温度曲线通常由四个温区组成,即预热区、保温区活性区、再流区和冷却区。再流炉的温区愈多,愈能使温度曲线精确。3.7.3 温度曲线的测试方法随着技术的不断进步,对于再流焊炉的温度曲线测试的方法也在逐渐增多,并且提供简单而精确的温度记录于非易失性存储器中,高精度、高性价比。在使用表面贴装元件的印刷电路板装配中,要得到优质的焊点,一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数,当在笛卡尔平面作图时,回流过程中在任何给定的时间上,代表PCB上一个特定点上的温度形成一条曲线。 几个参数影响曲线的形状,其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。带速决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间,增加持续时间可以允许更多时间使电路装配接近该区的温度设定。每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。 每个区的温度设定影响 PCB 的温度上升速度,高温区PCB与低温区的温度之间产生一个较大的温差。增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。因此,必须作出一个图形来决定 PCB 的温度曲线。接下来是这个步骤的轮廓,用以产生和优化图形。 在开始作曲线步骤之前,需要下列设备和辅助工具：温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于 PCB 的工具和锡膏参数表。可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱,这工具箱使得作曲线方便,因为它包含全部所需的附件。 现在许多再流焊机器包括了一个板上测温仪,甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。测温仪一般分为两类：实时测温仪,即时传送温度/时间数据和作出图形；而另一种测温仪采样储存数据,然后下载到计算机。 热电偶必须长度足够,并可经受典型的炉膛温度。一般较小直径的热电偶,热质量小响应快,得到的结果精确。 有几种方法将热电偶附着于 PCB ,较好的方法是使用高温焊锡如银/锡合金,焊点尽量最小。 另一种可接受的方法,快速、容易和对大多数应用足够准确,少量的热化合物斑点覆盖住热电偶,再用高温胶带粘住。 还有一种方法来附着热电偶,就是用高温胶,如氰基丙烯酸盐粘合剂,此方法通常没有其它方法可靠。附着的位置也要选择,通常最好是将热电偶尖附着在 PCB 焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。测试步骤：1 选取能代表SMA组件上温度变化的测试点,一般至少应选取三点,这三点应反映出表面组装组件上温度最高、最低、中间部位上的温度变化。再流焊机所用传送方式的不同有时会影响最高、最低部位的分布情况,这点应根据具体炉子情况具体考虑。对于网带式传送的再流焊机表面组装件上最高温度部位一般在SMA与传送方向相垂直的无元件的边缘中心处,最低温度部位一般在SMA靠近中心部位的大型元器件处,2 用高温焊料、贴片胶或高温胶带纸将温度采集器上的热电偶测量头分别固定到SMA组件上已选定的测试点部位,再用高温胶带把热电偶丝固定,以免因热电偶丝的移动影响测量数据。采用焊接办法固定热电偶测试点,注意各测试点焊料量尽量小和均匀。 3 将被测的SMA组件连同温度采集器一同置于再流焊机入口处的传送链/网带上,随着传送链/网带的运行,将完成一个测试过程。注意温度采集器距待测的SMA组件距离应大100mm。 4 将温度采集器记录的温度曲线显示或打印出来。由于测试点热容量的不同,通过3个测试点所测的温度曲线形状会略有不同,炉温设定是否合理,可根据3条曲线预热结束时的温度差焊接峰值温度以及再流时间来考虑。锡膏特性参数表也是必要的,其包含的信息对温度曲线是至关重要的,如：所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。 开始之前,必须理想的温度曲线有个基本的认识。理论上理想的曲线由四个部分或区间组成,包括预热区、保温区、焊接区和冷却区四个温区。前面三个温区主要是加热的作用,从预热逐渐升温至焊锡膏融化的温度,最后一个区冷却,即焊点成形的区域。炉的温区越多,越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。大多数锡膏都能用四个基本温区成功地进行回流焊。 预热区,也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区,产品的温度以不超过每秒 4速度连续上升,温度升得太快会引起某些缺陷,如瓷电容的细微裂纹,而温度上升太慢,锡膏会感温过度,没有足够的时间使 PCB 达到活性温度。炉的预热区一般占整个加热通道长度的2533%。 保温区,有时叫做干燥或浸湿区,这个区一般占加热通道的3350%,有两个功能,第一个功能是,将PCB在相当稳定的温度下感温,允许不同质量的元件在温度上同质,减少它们的相当温差。第二个功能是,允许助焊剂活性化,挥发性的物质从锡膏中挥发。一般普遍的活性温度围是 120150,如果活性区的温度设定太高,助焊剂没有足够的时间活性化,温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加,但是理想的曲线要求相当平稳的温度,这样使得 PCB 的温度在活性区开始和结束时是相等的。市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线,选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子,将提高可焊接性能,使用者有一个较大的处理窗口。 回流区,有时叫做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将 PCB 装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点,而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度围是 215230,这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒4/S,或达到回流峰值温度比推荐的高。这种情况可能引起 PCB 的过分卷曲、脱层或烧损,并损害元件的完整性。 今天,最普遍使用的合金是Sn63/Pb37,这种比例的锡和铅使得该合金共晶。共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金,非共晶合金有一个熔化的围,而不是熔点,有时叫做塑性装态。本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅,因为其使用广泛,该合金的熔点为 183。 理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。越是靠近这种镜像关系,焊点达到固态的结构越紧密,得到焊接点的质量越高,结合完整性越好。 3.7.4 温度曲线制作的简单估算作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定,该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。典型的锡膏制造厂参数要求34分钟的加热曲线,用总的加热通道长度除以总的加热感温时间,即为准确的传输带速度。接下来必须决定各个区的温度设定,重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。显示温度只是代表区热敏电偶的温度,如果热电偶越靠近加热源,显示的温度将相对比区间温度较高,热电偶越靠近 PCB 的直接通道,显示的温度将越能反应区间温度。明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。速度和温度确定后,必须输入到炉的控制器。看看手册上其它需要调整的参数,这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。一旦所有参数输入后,启动机器,炉子稳定后可以开始作曲线。下一部将PCB放入传送带,触发测温仪开始记录数据。为了方便,有些测温仪包括触发功能,在一个相对低的温度自动启动测温仪,典型的这个温度比人体温度37稍微高一点。例如,38的自动触发器,允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作,不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。3.7.5 温度曲线的调整当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合,应该把炉的参数记录或储存以备后用。设定温度曲线首先考虑的参数是炉子传送带的速度,该参数决定了PCB通过加热通道所需的时间。典型的焊膏制造厂参数要求34分钟的加热曲线,用总的加热通道长度除以总的加热时间,即为准确的传送带速度。接下来要设定各个温区的温度,应该知道的是实际的区间温度与该区的显示温度不一定一致。显示温度只代表炉温区某一处热电偶的温度,与热电偶所在的位置有关。热电偶靠近加热源,显示温度将比实际的区间温度高；而热电偶靠近PCB的传送轨道,显示的温度将越接近实际区间温度。首次设定温区温度时建议向炉子制造商咨询显示温度与实际区间温度的关系。速度和温度确定后,再看炉子其它需要调整的参数,这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击力和惰性气体流量。所有参数确定后,启动机器,待炉子稳定后即所有显示温度接近设定参数开始设置温度曲线。首先找测试点。一般情况下,PCB板上的最冷点和最热点,以及敏感性元件的焊点都可以作为测试点。测试点通常最少为34个。考虑到PCB尺寸大小、敏感元件的因素,可以适量增加测试点,但目前最多不超过9个。用适当的方法把热电偶附着到PCB的测试点上。将PCB放入传送轨道,打开测温仪开关,测温仪开始采集数据。将采集到的数据上传到计算后,画出温度曲线,这时可以跟焊膏制造商推荐的曲线进行比较,反复调整参数。首先,必须保证从环境温度到回流温度的时间和推荐曲线的时间一致。如果实际时间太长,则按比例地增加传送带速度；如果太短,则相反。接下来,把所测的温度曲线与理想的温度曲线的形状相比较,如果形状不一致,应该按从左到右的顺序进行调整。例如,如果预热区和回流区都不一致,首先调整预热区。一般最好每次调一个参数,在作下一步调整之前执行该参数设定,画出一条新的曲线。因为前一区的参数发生改变,后面各区的结果将随之而变。建议新手调整的幅度稍小一点。当最后的曲线图与理想的温度曲线相吻合时,存储该设定参数以备后用。3.8 无铅再流焊无铅焊料种类繁多,熔点温度变化围大,相比于传统锡铅焊膏,熔点温度大致上升300以上,以及整体而言无铅焊膏的润湿能力相对较差,无铅再流焊工艺面临如下挑战：1） 峰值温度提升 峰值温度提升要求设备耐高温,预热区加长,炉温均匀性要求提高,增加冷却区；为了降低由于高温引起的PCB变形问题,需要相应的中间支撑；焊膏助焊剂要求耐高温,否则在焊膏熔融前助焊剂早已全部挥发而导致焊料氧化；PCB与元器件要求能承受相应的高温。2） 工艺窗口小 工艺窗口小体现在两方面,一是峰值温度与元器件能承受的最高温度距离小,如果一旦控制不好将引起元器件的可靠性问题；二是可行的再流焊温度曲线围大大缩小。3） 润湿能力相对较差 大多无铅焊料的润湿能力包括润湿时间与润湿力的对比与锡铅焊料相比相对较差,因此要求适当提高助焊剂活性,或增加焊膏中助焊剂的含量；针对润湿铺展能力差,应当适当增加模板开口,或在焊盘设计时圆角过渡,避免裸露焊盘的情况；对于流动性差,自然自对中效应差,所以应提高印刷与贴装精度,以及必要时充氮气可以减少高温氧化,同时提高润湿性。第4章 焊点质量及可靠性电子产品的轻、薄、短、小化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。在这样的要求下,如何保证焊点质量是一个重要的问题。焊点作为焊接的直接结果,它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。也就是说,在生产过程中,组装的质量最终表现为焊接的质量。目前,在电子行业中,虽然无铅焊料的研究取得很大进展,在世界围已开始推广应用,而且环保问题也受到人们的广泛关注,但是由于诸多的原因,采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。4.1 焊点的外观评价良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期,其机械和电气性能都不发生失效。其外观表现为：1表面润湿程度良好：熔融的焊料在被焊金属表面上应平坦铺展,并形成完整、连续、均匀的焊料覆盖层,其接触角应小于90度；2焊料量适中：焊料量应避免过多或过少；3焊接表面平整：焊接表面应完整、连续和平滑。但不要求光亮的外观；4焊点位置准确：元器件的焊端或引脚在PCB焊盘上的位置偏差,应在规定的围。只有完美的焊点才是合格的焊点。所谓完美的焊点是指引线和焊盘全部润湿的焊点。4.2 焊点寿命周期焊点的失效形式 考虑到失效与时间的关系,失效形式分为三个不同的时期图4-1焊点失效形式1早期失效阶段,主要是质量不好的焊点大量发生失效,也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。2稳定失效率阶段,该阶段大部分焊点的质量良好,失效的发生率失效率很低,且比较稳定。3寿命终结阶段,失效主要由累积的破环性因素造成的,包括化学的、冶金的、机械特性等因素,比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应,或机械应力造成焊点失效。失效主要由材料的特性、焊点的具体结构和所受载荷决定。4.3 焊接工艺引起的焊点失效机理焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。4.3.1 热应力与热冲击波峰焊过程中快速的冷热变化,对元件造成暂时的温度差,这使元件承受热应力。当温差过大时,导致元件的瓷与玻璃部分产生应力裂纹。应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。焊料固化后,PCB还必须由180降低到室温。由于PCB和元件之间的热膨胀系数不同,有时也会导致瓷元件的破裂。PCB的玻璃化转变温度一般在180和室温之间。焊接后,焊接面被强制冷却,这样PCB的两面就会在同一时刻处于不同的温度。结果当焊接面到达玻璃化转变温度或以下时,另一面还在玻璃化转变温度以上,于是出现PCB翘曲的现象。PCB翘曲严重时会损坏上面的元件。4.3.2 金属的溶解在厚、薄膜混合电路包括片式电容组装中,常常有蚀金、蚀银的现象。这是因为焊料中的锡与镀金或镀银引脚中的金、银会形成化合物,导致焊点的可靠性降低。许多情况下,在焊料从焊接温度冷却到固态温度的期间,有溶解的金属析出,在焊接基体形成了脆性的金属化合物。铜生成针状的Cu6Sn5,银生成扁平的Ag3Sn,金生成AuSn4立方体。这些化合物有一个共同的特点是,就是非常脆,剪切强度极低,元件极易脱落。如果金、银含量少,生成的化合物的量不会很多,这些化合物对焊点的机械性能还不会造成太大的损害。但是含量较多时,焊料会变得易碎。以金为例,当反应的时间及温度足够时,所有的金都将与锡发生反应。所以焊点中金的含量不应超过34。4.3.3 基板和元件的过热各种材料如塑料一般在焊接温度下是不稳定的,经常出现基板剥离和褪色的现象。纸基酚醛树脂板常发生剥离,适于红外再流焊,而FR-4环氧玻璃基板在红外再流焊中经常变色。爆米花这一词是专门针对大芯片IC的。IC塑料封装极易吸潮,当加热时间过长时,潮气就会释放出来。再流焊时,潮气气化,在芯片底部的封装薄弱界面处积累成一个气泡,封装受到气泡的压力,就会发生开裂。这一现象与芯片的尺寸、芯片下面的塑料厚度、塑料封装与芯片之间的粘合质量有关,尤其是与潮湿量有关。而在波峰焊中,几乎不会发生爆裂。目前的解决办法是：先烘干IC,然后密封保存并保持干燥。或者在使用前几个小时进行100以上的预先烘烤。4.3.4 超声清洗的损害超声清洗对于清除PCB上残留的助焊剂很有效。缺点是受超声功率大小的控制,超声功率太低则不起作用,而超声功率太高则会破坏PCB上面元件。超声波清洗有可能造成两种破坏后果：1小液滴对表面的碰撞就像喷砂,类似于表面风化。2在清洗槽,瓷基板受到超声负载激励而呈现共谐状态。基板上,表面贴装元件的引脚则以共谐波频率受到周期性的作用,最终导致在引脚的弯曲处发生疲劳断裂。4.4 装卸和移动造成的焊点失效电子产品从元器件装配、电路组装和焊接直到成品的运输和使用的整个寿命周期,可能会承受由于机械负载引起的各种振动和冲击。例如,引起片状电容器产生裂纹的一个常见的原因是印制板弯曲。从很紧的夹具中把印刷板拆卸下时就会出现这种现象。1.制造过程中的机械负载由于印制板弯曲可能会给焊点和元件施加过量的应力,这包括三个方面：1大通孔元件的焊点所受应力很容易超过屈服极限。如果PCB上有比较重的元件如变压器,则应该选择夹具支撑。2无引线瓷元件也很容易发生断裂。当片式元件从多层板上分离时,元件发生断裂的危险性相当高,所以最好不要将片式电阻电容放在容变曲的地方。3在IC器件也会发生焊点断裂。鸥翼形引线在板的平面方向是柔性的,但在与板垂直的方向是刚性的。如果带有大的细间距IC的PCB 有一个角发生翘曲,而没有支撑,或者由于不正确地调整测试夹具而形成机械负载,会对焊点造成危胁。2.运输过程中的振动焊点的形状是圆而光滑的,没有应力集中的尖角。所以,振动通常不会损坏焊点,而会破坏引线。特别是重的元件和只有少量的2或3根长的排成一列的柔性引线的元件例如大的电解电容会遭受振动。这会导致受到机械负载最多的印制板上的元件引线发生疲劳断裂。3.机械冲击因为焊点具有良好的体积和形状,所以受机械冲击时,焊点一般是不会损坏的。但是焊接结构的其它部分会发生失效。如大而重的有引线元件受机械冲击后产生的大惯性力会引起PCB板上覆铜的剥离或板断裂,进而,元件本身也会损坏。为了解决这一问题,要求大而重的元件有足够的机械支撑固定,而且要求引线应柔性的。混装电路板的表面组装电路部分由于其焊点比通孔插装焊点小得多,且引线不穿过电路板,焊点处机械强度较小,更容易受到冲击损坏的危险。为了增加焊接结构的机械强度,应从焊接材料的配方入手,使焊膏在焊接时不易形成焊球。助焊剂残余物易于清除。涂敷焊膏用量应适当,在满足机械强度和电气性能的前提下,焊点要小,另外要选择适当的焊接方法,建立最佳的温度曲线,从而提高焊接结构的整体可靠性。4.5 环境老化根据实际的应用,电子电路会承受各种各样的负载。一般有以下几种：1空气环境如潮湿、污染的气体和蒸汽；2烟雾；3温度：热、冷及温度周期性变化；4机械负载：振动和冲击、恒力重力等、长期的弯曲安装不正确。会造成以下后果：1化学和电化学腐蚀；2板的退化；3焊料中的锡与焊接金属之间合金层的生长；4由于弹性塑性变形产生蠕变断裂；5机械焊接疲劳。4.5.1 腐蚀空气污染所致的干性化学腐蚀危险性小。但如遇到含硫的气体时,气体中的硫会与焊点上的银发生反应,形成Ag2S,从而降低焊点上的可焊性。在潮湿和有偏置电压的情况下,腐蚀和金属迁移将很容易发生由于电解作用,金属析出蔓延形成树枝状晶体。所有的焊接金属都可能发生迁移,银是最敏感的金属。4.5.2 基板材料老化基板材料在温度升高时发生老化,而且温度越高老化越快。印制板制造商规定的失效标准是：弹性强度减半。这意味着当弹性强度减小一半时,材料已经老化到失效了。使用温度的最高允许值取决于产品的运行时间。对电路来讲,连续运行的时间是105h。所以印制板的使用温度应控制在80100,这由板的材料和要求的运行时间来决定。4.5.3 合金层合金化合物不仅仅是象前面讨论的在焊接过程中由溶解的金属沉积而成。焊料中的锡也和焊接金属表现出固化反应焊料中的铅不能阻止这种反应,甚至在室温下,都可能发生这样的反应。例如,一年后Cu-Sn层的厚度会增加0.5um.通常合金化合物是硬而脆的。相比较而言有些是硬的,如Cu-Sn,其它则较软,如AuSn4, Ni-Sn合金层则是中等硬度。有关合金层的可靠性方面有三点要注意：1软合金层将导致焊点破裂,特别容易发生在含金的焊料中。2整个薄层合金的变化将导致粘附力的降低或电接触的老化。3在焊接金属与合金层之间的界面处会出现焊接金属的伴生物,如铜一锡合金层之间出现的SnO2。4.5.4 蠕变断裂材料在长时间的恒温、恒应力作用下,即使应力小于屈服强度也会慢慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。这种变形引起的断裂称为蠕变断裂。不同的材料出现蠕变的温度不同。一般来说,当温度超过材料熔点的0.3倍以上时,才出现较明显的蠕变。而锡铅焊料在室温下乙有蠕变现象。1为了防止重的元件造成的蠕变破裂,建议有引线元件的焊点施加的应力不超过0.1N/焊点。 2焊点在焊接后多少会释放一些应力,如果焊点位于PCB的某一弯曲的位置,就会受到持久的挤压。大尺寸IC的焊点,带有相对较硬的引线,这样的焊点在这种情况下会断裂。因为蠕变是一种缓慢的变形,也许产品在用户使用中会突然断裂。3如果焊料同发生塑性形变的引线固化在一起,就会发生蠕变断裂,这取决于引线的硬度和塑性形变量。4.5.5 焊接疲劳 元件、焊料以及基板材料有着不同的热膨胀系数。同时,周期性的温度改变,散热的变化以及环境温度的改变都会引起每次温度改变机械应力。这部分应力由蠕变释放出来,从而引起每次温度改变时的塑性形变。这种累积的破坏性影响将最终导致焊点的疲劳断裂。4.6 结论综上所述,影响焊点质量的因素有很多,我们探讨了制造过程中的机械负载、热冲击、装卸和移动造成的破坏、老化等方面的原因,那么在操作时,应该采取以下措施来保证焊点的质量：1温度循环负载要尽可能小；2元器件要尽可能小；3热膨胀系数要匹配；4采用柔性引线；5 尽量不要装配那些大而重的元件,通过柔性引线进行电气连接；6通孔