焊接氣氛對(duì)焊點(diǎn)形成的影響

1、焊接氣氛對(duì)焊點(diǎn)形成的影響 焊點(diǎn)的最終形成會(huì)受到焊接氣氛的影響，無(wú)論是錫鉛還是無(wú)鉛焊料，在不同的氣氛下會(huì)有不同的表現(xiàn)。由于無(wú)鉛焊料的潤(rùn)濕性能較差，惰性氣體的使用就非常必要。但問(wèn)題是，惰性氣體的使用量應(yīng)該設(shè)為多少比較合適呢？由于氮?dú)獾氖褂脮?huì)增加生產(chǎn)成本，如何降低氮?dú)庀牧渴侨驑I(yè)界都非常關(guān)注的問(wèn)題。本項(xiàng)目通過(guò)控制某些專門(mén)設(shè)計(jì)的印刷線路板焊接過(guò)程中回流焊爐中的氧氣濃度，來(lái)研究氣氛對(duì)無(wú)鉛焊接的影響，氧氣的PPM值（濃度）通常是通過(guò)在爐膛的指定的位置進(jìn)行測(cè)量而獲得的。了解爐膛內(nèi)氣體的特性對(duì)于研究焊接氣氛和焊點(diǎn)形成之間的關(guān)系非常重要。在回流焊接后，將對(duì)線路板上的通孔元器件進(jìn)行波峰焊接，并對(duì)不同的工藝參數(shù)下

2、通孔的填充狀況進(jìn)行比較。本項(xiàng)目中使用的材料對(duì)研究結(jié)果會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響。項(xiàng)目研究了無(wú)鉛通孔元器件組裝在93mil和125mil厚、表面處理為OSP的印刷線路板，使用兩種助焊劑條件下得到的焊接結(jié)果。波峰焊接曲線根據(jù)助焊劑類型進(jìn)行了優(yōu)化使助焊劑的性能得到最大發(fā)揮。焊點(diǎn)結(jié)果的評(píng)定依靠目檢和5-DX檢查。本研究的目的在于確定不同惰性焊接氣氛和通孔填充之間的關(guān)聯(lián)性；通過(guò)對(duì)表面貼裝缺陷和通孔填充情況的分析，來(lái)量化以下因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響： 回流焊工藝中的氧氣濃度 回流焊工藝中的氮?dú)夤?yīng)方法 波峰焊工藝中的助焊劑 波峰焊工藝中的氣氛 線路板厚度 通孔設(shè)計(jì)和元器件排列方向?qū)嶒?yàn)材料線路板兩塊厚度分別為93mi

3、l和125mil的16層FR4線路板(見(jiàn)圖1)。線路板材料為T(mén)U752，其玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg為1700C，分解溫度Td為3500C；線路板上的阻焊層材料是Probimer65，線路板尺寸為5.5 in7 in；表面處理是Entek Plus HT銅面有機(jī)可焊性保護(hù)涂層（OSP），選擇這種涂層是因?yàn)槠涫褂脧V泛且對(duì)溫度和空氣環(huán)境比較敏感。OSP能暫時(shí)保護(hù)線路板的銅表面不被氧化。在焊接過(guò)程中，OSP會(huì)被助焊劑滲透并被高溫熔化掉。由于經(jīng)歷多次熱循環(huán)后會(huì)使涂層產(chǎn)生交粘現(xiàn)象（cross linking），從而使其難以被助焊劑中的弱有機(jī)酸滲透。根據(jù)銅表面OSP供應(yīng)商的規(guī)格說(shuō)明，該種涂層能經(jīng)受三次以上的熱循環(huán)，

4、而潤(rùn)濕性能不會(huì)降低。線路板由偉創(chuàng)力（Flextronics）設(shè)計(jì)，包含了表面貼裝和通孔元器件的焊盤(pán)。表1列出了通孔元器件的設(shè)計(jì)尺寸。元器件本次實(shí)驗(yàn)選用了表面貼裝和通孔元器件。由于線路板要過(guò)波峰焊，我們對(duì)表面貼裝元器件實(shí)施了點(diǎn)膠和固化工藝，采用的是漢高樂(lè)泰3627膠粘劑。通孔元器件會(huì)在過(guò)波峰焊之前手工插裝到線路板上。 電阻40個(gè)0805電阻以和垂直于電路板方向放置，32個(gè)1206電阻則分別放置在垂直和平行方向。這兩種電阻的焊端為鎳層上鍍100%的純錫。 小外形封裝器件20個(gè)SOT23器件以垂直和平行方向放置，這些器件有3個(gè)引腳且為100%純錫鍍層。還有13個(gè)SO16器件也是以垂直和平行方向放置，

5、這些器件有16個(gè)鷗翼形引腳，均為純錫鍍層的無(wú)鉛器件。 通孔元器件所有通孔元器件均為無(wú)鉛鍍層，符合無(wú)鉛工藝要求。3個(gè)64引腳的高溫?zé)釅哼B接器，鍍金引腳直徑為25mil。3個(gè)塑料雙列直插式封裝（PDIP）元件有16個(gè)引腳且為100%亞光錫鍍層，引腳直徑為15mil，間距為100mils。25個(gè)軸向電阻有2個(gè)直徑為22mil的引腳，也是純錫鍍層。除DIP元件外，所有通孔元器件的引腳延伸部分均超過(guò)140mils。但在93mil厚的線路板上，DIP元件引腳延伸部分為可見(jiàn)的。IPC610規(guī)定，除定形引腳元器件（如DIPs）外，Class 1，2，3級(jí)的元器件引腳延伸至少在焊錫中必須是清晰可見(jiàn)的。助焊劑助焊

6、劑1是無(wú)VOC的水基免清洗助焊劑，固體含量4.5%;助焊劑2為乙醇基免清洗松香助焊劑，固體含量為7%。焊錫合金Sn 3%Ag 0.5%Cu 或 SAC 305。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表2列出了實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)。采用完全因子試驗(yàn)并且每種條件重復(fù)2次。在回流焊中我們?cè)O(shè)置了5個(gè)檔次的氧氣濃度并采用2種氮?dú)夤?yīng)方法。在波峰焊中，我們使用了2種助焊劑，分別在空氣和氮?dú)鉅顟B(tài)下對(duì)2塊不同厚度的線路板進(jìn)行焊接。組裝工藝及設(shè)備在不同的氣氛下測(cè)試了兩種厚度總共144塊線路板，使用了兩種助焊劑。印刷我們使用了DEK Galaxy 印刷機(jī)印刷膠粘劑。印刷工藝參數(shù)為： 印刷速度：20mm/s 印刷次數(shù)：2 刮刀：金屬材質(zhì)，60o 網(wǎng)板

7、厚度：6mil 網(wǎng)板類型：激光網(wǎng)板加拋光除了SO16元器件外，所有元器件焊盤(pán)被印刷上適量的膠粘劑，該元器件離板面間隙大于印膠厚度。如果采用印膠工藝，則需要使用10mil厚的網(wǎng)板。SO16元器件焊盤(pán)使用半自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)噴涂上更多的膠粘劑。貼片試驗(yàn)中使用環(huán)球儀器公司的GSM貼片機(jī)來(lái)貼裝線路板底面的元器件?；亓骱富亓骱腹に嚥捎玫氖且慌_(tái)13溫區(qū)（9個(gè)加熱區(qū)和4個(gè)冷卻區(qū)）的XPM3940熱風(fēng)回流焊爐。測(cè)試分別在5種氧氣含量值（PPM）下進(jìn)行：25、500、1,200、2,500，和210,000。210,000即21%氧氣含量，即指空氣環(huán)境；其余四種為氮?dú)夥?，氮?dú)夤?yīng)采用了全程充氮和回流區(qū)充氮兩種方法。全程

8、充氮是指對(duì)回流焊爐的每個(gè)溫區(qū)包括冷卻區(qū)都進(jìn)行充氮，從而使整個(gè)爐膛的氧氣含量幾乎保持一致（參見(jiàn)圖2）；而回流區(qū)充氮僅僅是對(duì)某些特定的溫區(qū)進(jìn)行充氮。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們只對(duì)第9加熱區(qū)充氮，同時(shí)影響到第8加熱區(qū)和第1冷卻區(qū)，這三個(gè)溫區(qū)是焊料合金的回流區(qū)(參見(jiàn)圖3)。PPM值是通過(guò)安裝在1, 3, 5, 7, 8, 9加熱區(qū)和10, 11, 13.冷卻區(qū)的氧氣分析儀進(jìn)行測(cè)量的。溫度曲線是通過(guò)安裝在一塊裸板上的4個(gè)K型熱電偶來(lái)設(shè)定和測(cè)量，這4個(gè)熱電偶分別放置在線路板頂面靠近焊爐可調(diào)軌道和固定軌道的兩側(cè)和中間位置，以及底面的中間位置。我們?cè)O(shè)定的回流焊溫度曲線是典型的線性溫度曲線，其最高焊接溫度為250oC，

9、液相線（TAL）上時(shí)間為6575秒。兩塊不同厚度的線路板采用了不同的溫度曲線設(shè)置。我們使用回流溫度曲線，而非固化溫度曲線，是為了即能固化膠粘劑，又能模擬雙面板的回流焊過(guò)程?；亓鳒囟惹€設(shè)置請(qǐng)參照表3。助焊劑的最佳使用量是通過(guò)參照助焊劑的規(guī)格和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試線路板的稱重來(lái)獲得的。傳真紙和PH試紙被放置在線路板的頂面，以測(cè)試線路板在助焊劑被噴涂之后是否有良好的通孔潤(rùn)濕。無(wú)VOC的水基助焊劑，最大噴涂量為1,500g/in。但這樣的使用量導(dǎo)致125mil厚的線路板焊接質(zhì)量不良。如果增加助焊劑使用量，雖然通孔填充有所改善，但過(guò)量使用助焊劑會(huì)造成線路板頂面和底面的污染。因此，針對(duì)該助焊劑在125mil厚線路

10、板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被放棄不用。使用的乙醇基助焊劑的技術(shù)數(shù)據(jù)中沒(méi)有建議用量的規(guī)范，用量是參照Vitronics Soltec 和 Flextronics先前合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我們使用了SAC305焊錫，錫缸溫度設(shè)置為2650C。在波峰焊接過(guò)程中，線路板頂面溫度不超過(guò)2170C，并使用了托盤(pán)。波峰焊接的參數(shù)和觀察數(shù)據(jù)請(qǐng)見(jiàn)附錄1(請(qǐng)與作者聯(lián)系)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析焊點(diǎn)結(jié)果的評(píng)定依靠目檢和5DX檢查。視覺(jué)檢查不僅能夠幫助發(fā)現(xiàn)各種焊接缺陷，如橋接，少件，焊錫過(guò)多，焊錫球和錫網(wǎng)等，而5DX能檢查到元器件引腳通孔中的填充狀況并算出每個(gè)元器件引腳的通孔填充率。此類技術(shù)也被用來(lái)檢查貼片元器件的缺陷。視覺(jué)檢查我們對(duì)所有線路

11、板底面的波峰焊接后的表面貼裝和通孔元器件進(jìn)行了視覺(jué)檢查。最主要的焊接缺陷是橋接或短路。焊錫橋接的形成主要受線路板厚度、助焊劑類型，以及波峰焊氣氛的影響（見(jiàn)圖4）。在95%置信度，采用方差分析后，建議使用乙醇基免清洗助焊劑，氮?dú)飧采w波峰焊接，和93mil厚度線路板。回流焊對(duì)橋接無(wú)影響。通過(guò)視覺(jué)檢查，我們發(fā)現(xiàn)在波峰焊中使用氮?dú)飧采w，橋接缺陷數(shù)會(huì)減少34%；使用較薄(93mils)的線路板，橋接缺陷數(shù)減少27%；使用樹(shù)脂免清洗助焊劑，橋接缺陷數(shù)減少26%。這里缺陷數(shù)指被橋接的元器件引腳數(shù)量，圖5所示是被橋接的3個(gè)元器件引腳。表面貼裝元器件的5DX檢查通過(guò)對(duì)表面貼裝元器件橋接缺陷進(jìn)行的X射線檢查數(shù)據(jù)的

12、分析我們發(fā)現(xiàn)，所有的缺陷均出現(xiàn)在SO16器件上。圖6所示是不同SO16器件位置出現(xiàn)橋接的頻率。U3是橋接數(shù)量最多的地方，其方向和線路板方向垂直，位于第二排(參見(jiàn)圖7)。但在和線路板方向平行的元器件上，我們發(fā)現(xiàn)橋接明顯減少。和線路板方向平行的元器件的每百萬(wàn)橋接缺陷數(shù)（DPMO）是6,727，而和線路板方向垂直的元器件的DPMO為70,409。而在在125mil厚的線路板上，和線路板方向平行和垂直的元器件的DPMO分別為111,545 和 65,008。這種相互對(duì)立的結(jié)果絕大部分是在使用乙醇基助焊劑時(shí)觀察到的。似乎高預(yù)熱溫度（線路板頂面溫度為128）會(huì)在線路板過(guò)波峰之前蒸發(fā)掉其底面的助焊劑。通孔元

13、器件的5DX檢查5DX被用來(lái)檢查通孔的填充狀況。對(duì)每一個(gè)通孔填充情況的分析先采用x-ray測(cè)量，分為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%十種填充狀況。這種技術(shù)通過(guò)灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。在檢查前，基于實(shí)驗(yàn)和標(biāo)定，我們先確認(rèn)了一個(gè)閾值。以這個(gè)閾值為基準(zhǔn)，低于這個(gè)閾值的灰度值表明無(wú)填充，而高于這個(gè)閾值的灰度值則表明通孔有填充；進(jìn)而得到通孔的上述十種填充狀況的灰度值數(shù)據(jù)。波峰焊參數(shù)的影響這項(xiàng)研究的目的是為了確認(rèn)回流焊接氣氛對(duì)焊點(diǎn)形成的影響。因此，必須對(duì)波峰焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，使其對(duì)焊點(diǎn)的形成不會(huì)產(chǎn)生決定性的作用。通過(guò)數(shù)據(jù)的分析表明，線路板厚度和波峰焊氣氛是影響

14、通孔填充量的主要因素。在95%置信度，采用方差分析后，93mil厚線路板和氮?dú)夥障?，?duì)通孔填充情況的影響因素如圖8所示。雖然助焊劑也起著很大的作用，但是在試驗(yàn)中通過(guò)優(yōu)化，可以使之降低到最低限度。線路板厚度對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響在空氣狀態(tài)下的回流焊工藝中，125mil厚的線路板的通孔填充效果很差（見(jiàn)圖9）。IPC-610D13標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)等級(jí)1, 2 和3 至少要有 75% 的通孔填充率。其他重要因素還有氮?dú)夤?yīng)方法和氧氣的PPM等級(jí)(見(jiàn)圖10)。對(duì)于在氮?dú)夥障禄亓?，?shù)據(jù)同時(shí)支持回流焊合波峰焊。對(duì)于在大氣環(huán)境條件下線路板回流焊接，可以利用大氣環(huán)境下波峰焊工藝的數(shù)據(jù)。通常，平均的通孔填充率可達(dá)到72%。對(duì)

15、93mil厚的線路板來(lái)說(shuō)，所有焊點(diǎn)的通孔填充均達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)（如圖11所示）。回流焊氣氛對(duì)通孔填充有一定影響，但還不至于會(huì)使焊接質(zhì)量不可接受。影響通孔填充的主要因素為助焊劑，回流焊氣氛，和氮?dú)夤?yīng)方式。在回流焊中，和氮?dú)猸h(huán)境比，空氣環(huán)境下，通孔填充會(huì)有所減弱。在使用免清洗無(wú)VOC成分助焊劑，波峰焊接氣氛對(duì)焊點(diǎn)略有影響。對(duì)在空氣環(huán)境下完成回流焊接的組件，在波峰焊接時(shí)應(yīng)用氮?dú)?，試?yàn)表明能提高3%通孔填充率。有95%置信度的數(shù)據(jù)分析結(jié)論，建議使用免清洗乙醇基助焊劑，僅在回流區(qū)輸入氮?dú)?。我們可以得出結(jié)論， 對(duì)1 2 5 m i l 厚的線路板， 在2,500PPM的氧氣濃度下，僅對(duì)回流區(qū)充氮，可以獲

16、得可接受的通孔填充。而對(duì)93mil厚的線路板，除非想獲得100%的通孔填充，否則氮?dú)夥諏?duì)改善通孔填充卻沒(méi)有太大的影響。線路板設(shè)計(jì)和元器件類型對(duì)焊點(diǎn)形成的影響線路板的設(shè)計(jì)包括了不同層的通孔（18層），焊盤(pán)直徑（60和70mil），和孔徑（3547mil）的設(shè)計(jì)。根據(jù)這些參數(shù)，3種不同類型的通孔元器件被人工放置和插裝在線路板上。每個(gè)元器件有不同數(shù)量和直徑的引腳。連接器插頭連接器被插裝在線路板上的不同位置，分別排列在與線路板傳送的平行和垂直方向，有4種鉆孔尺寸（35、39、43和47mil），2種焊盤(pán)尺寸（60和70mil），連接在線路板的2、4、6和8層。對(duì)125mil厚的線路板的氮?dú)饣亓骱笢y(cè)試表

17、明，鉆孔尺寸和元器件方向?qū)Σ孱^連接器的通孔填充有著關(guān)鍵影響；而在不同的氮?dú)夤?yīng)方法和氧氣濃度下，通孔填充率卻沒(méi)有什么變化。請(qǐng)注意，所有焊點(diǎn)的通孔填充均能達(dá)到IPC標(biāo)準(zhǔn)13（見(jiàn)圖12）。而在空氣環(huán)境下進(jìn)行回流焊的125mil厚線路板，通孔填充卻是不足的（見(jiàn)圖13）。為了獲得可接受的通孔填充率（75%），鉆孔尺寸需為35mil，焊盤(pán)尺寸需為70mil，并最多連接2層線路板（基于12個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）元器件需插裝在和線路板傳送平行的方向上，且波峰焊在空氣環(huán)境下運(yùn)行即可。對(duì)于免VOC、免清洗的助焊劑和93mil厚的線路板，影響通孔填充的因素包括：線路板層數(shù)、焊盤(pán)尺寸、通孔直徑、氧氣濃度（PPM值）和元器件方向

18、。如果使用乙醇基的免清洗樹(shù)脂助焊劑，影響因素包括：通孔直徑、氧氣濃度（PPM值）、氮?dú)夤?yīng)方法和元器件方向。所有焊點(diǎn)的通孔填充均能達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)。表4列出了使用不同助焊劑時(shí)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)125mil厚的線路板，僅對(duì)回流區(qū)充氮，在2,500PPM氧氣濃度下，焊點(diǎn)的通孔填充即可達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)。引腳和通孔的直徑比例建議在0.58（25/43mil）和 0.71（25/35mil）之間。這種類型的元器件應(yīng)該被插裝在和線路板傳送的平行方向，以獲得最佳的焊接效果。而對(duì)93mil厚的線路板，除非想獲得100%的通孔填充，否則回流區(qū)充氮對(duì)改善通孔填充起不到什么作用。軸向電阻電阻被插裝在測(cè)試板

19、上的不同位置，分別排列在和線路板傳送的平行和垂直方向，有2種鉆孔直徑(35和39mil)，焊盤(pán)尺寸為60mil，連接線路板的1、2和4層。對(duì)125mil厚線路板的氮?dú)饣亓骱笢y(cè)試表明，焊點(diǎn)有著良好的通孔填充（如圖14所示）。而在空氣環(huán)境下進(jìn)行回流焊測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，采用39mil通孔直徑，連接到4層線路板，在空氣環(huán)境下進(jìn)行波峰焊即可獲得好的通孔填充率（參見(jiàn)圖15）。對(duì)2.3622mm厚的線路板來(lái)說(shuō)，所有焊點(diǎn)的通孔填充均達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)。表5列出了使用不同助焊劑時(shí)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置。DIP器件當(dāng)通孔直徑和焊盤(pán)直徑保持在35和60mil時(shí)，DIP器件最多可連接6層電路板。必須注意的是，當(dāng)器件被放置在125

20、mil厚的線路板上時(shí)，缺乏足夠長(zhǎng)度的引腳伸出。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，對(duì)125mil厚的線路板采用乙醇基樹(shù)脂助焊劑和空氣回流焊，通孔填充是不能達(dá)到可接受標(biāo)準(zhǔn)的（如圖16所示）。但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，對(duì)空氣回流焊的線路板，使用空氣波峰焊可以改善通孔填充效果，但這只限于連接6層電路板的DIP器件（基于4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），參見(jiàn)圖17。對(duì)93mil厚的線路板，如果使用無(wú)VOC的助焊劑，元器件連接6層電路板，無(wú)論在空氣還是氮?dú)夥障?，都無(wú)法使通孔填充達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖18）。相比之下，使用乙醇基樹(shù)脂助焊劑卻可以達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)。和其他通孔元器件相比，DIP器件焊接的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是：在125mil厚的線路板上，引腳伸出長(zhǎng)度不夠會(huì)導(dǎo)致通孔填充不足。在波峰焊中，元器件引腳有助于焊錫通過(guò)毛細(xì)作用向上擴(kuò)散12。和其他元器件一樣，在對(duì)125mil厚的線路板的回流焊中使用氮?dú)庥泻艽笠嫣??？梢?/p>