焊接工藝發(fā)展趨勢

焊接工藝發(fā)展趨勢使用聚焦白光的選擇性焊接

本文介紹，這種光束技術(shù)為許多困難的焊接應(yīng)用提供一種創(chuàng)新的解決方案。在今天的競爭性與變化的制造環(huán)境中，我們經(jīng)常受到挑戰(zhàn)，要以成本有效的方法來制造日益復(fù)雜的裝配。傳統(tǒng)的焊接工藝經(jīng)常要擴(kuò)展其能力，以接納新的設(shè)計與技術(shù)規(guī)格，同時保持在品質(zhì)、產(chǎn)量和成本的限制之內(nèi)。聚集白光(focusedwhitelight)焊接為許多挑戰(zhàn)性焊接應(yīng)用提供一個可行的方法。復(fù)雜性日益增加的焊接工藝要求，和光束技術(shù)處理能力的最新提高，使得光束焊接成為制造商的一個吸引人的的選擇。在線的(line-integrated)、高速機(jī)器人控制的焊接操作可以在一平方米的工作單元內(nèi)進(jìn)行。典型的應(yīng)用包括熱敏感元件和裝配設(shè)計，這些使傳統(tǒng)的回流焊接是不實際的。在世界級的高產(chǎn)量運作中，光束(lightbeam)工藝已經(jīng)具有這樣的特征：到達(dá)每個焊點在一秒中之下的周期時間和少于每百萬100(ppm)的缺陷率。光束利用可以進(jìn)一步提高，因為它提供一個使用成本低的非回流焊接元件的機(jī)會。已經(jīng)證明它是一個對連接器損失和導(dǎo)線焊接有成本效益的替代方法。光束設(shè)計光束技術(shù)的最簡單形式類似于通過放大鏡玻璃將太陽光聚焦在聚集點上產(chǎn)生熱量。通過控制光源、光學(xué)輸出和一些中間的次要細(xì)節(jié)來改進(jìn)這個方法，一個焊接工藝幾乎就可以產(chǎn)生了。首選的光源是氙燈(xenonlamp)，它在正?？梢姷浇咏t外的范圍內(nèi)發(fā)出一種寬帶的光譜。相反，激光發(fā)出的光在很窄的光譜帶寬。光譜越寬，在更寬范圍的基板上提供更好的熱傳播能力。由PanasonicFactoryAutomation(FranklinPark,IL)設(shè)計的一個聚集白光系統(tǒng)使用來自1500W氙燈的光能。這個能量通過放大鏡由光纖線傳送到一個可變的(大于等于1mm)聚光點。在光束聚焦點的反射光是強(qiáng)烈的，對眼睛的影響可以好象在很晴朗的天直接看太陽光一樣。該工藝可以用電焊護(hù)目鏡安全地觀察，但最好是間接地通過視頻監(jiān)測系統(tǒng)來觀察。光束焊接自動光束焊接是一種點對點的非接觸焊接方法。該技術(shù)由幾個步驟組成，類似于手工焊接的要素。光束移動到焊接點，錫線定位好準(zhǔn)備進(jìn)給，打開光束，進(jìn)給錫線，錫線退回，關(guān)閉光束或移動到下一個位置。因為錫線在接觸焊點之前與光束交匯，所以當(dāng)它接觸焊點時是熔化的狀態(tài)。光束在回流錫膏時也是有效的。光束的小直徑和高強(qiáng)度使得在少于一秒的時間內(nèi)形成高質(zhì)量的焊接點，給焊點的總熱傳導(dǎo)低，給焊點位置之外裝配的熱傳導(dǎo)甚至更低。應(yīng)用通常決定光束焊接的需要。這個方法的一個優(yōu)點是，它通?？梢院附佑蓚鹘y(tǒng)焊接方法不能實際上回流的裝配。典型的光束應(yīng)用的例子包括：把熱敏的顯示與晶體元件焊接到電路板開關(guān)裝配內(nèi)端子的精密焊接少量引腳元件的裝配不能清洗的元件汽車傳感器、柔性電路板、PCMCIA應(yīng)用和幾何形狀復(fù)雜的裝配。光束甚至可以回流焊接位于玻璃罩后面的元件。由光束在焊接點上產(chǎn)生的獨特問題設(shè)定特征要求使用更新的助焊劑，其配方具有低揮發(fā)性和低濺錫特性。系統(tǒng)集成光束焊接一般不作為一個獨立的工具使用。它通常是在一個自動機(jī)械平臺上的集成焊接系統(tǒng)的一部分，包括精密移動控制、錫線進(jìn)給、光束參數(shù)控制、過程監(jiān)測能力和通信協(xié)議。其典型的一平米占地面積可容易地適于大多數(shù)制造裝配線。自動機(jī)械平臺與集成焊接過程的軟件已經(jīng)在過去幾年大大改進(jìn)。MotorolaManufacturingSystems(BoyntonBeach,FL)和MotorolaCellularSubscriberGroup(Harvard,IL)的工藝開發(fā)專家在該工藝的開發(fā)與改進(jìn)中起重要作用，該集團(tuán)現(xiàn)在有超過25個這種系統(tǒng)在運作。市場上可買到的設(shè)備范圍從簡單的只焊接單元到更復(fù)雜的零件貼裝與多光束焊接系統(tǒng)。光束鏡與焊錫進(jìn)給器可安裝在拱架(gantry)或X-Y工作臺上對頂面和/或底面焊接。復(fù)雜成熟的和基于PC的自動系統(tǒng)可以買到，它插件和焊接元件，具有高度的可靠性。過程控制產(chǎn)品設(shè)計要求必須徹底地評估與建立，以達(dá)到最佳的質(zhì)量水平。這些要求包括焊盤/引腳尺寸和幾何形狀，引腳對孔的比率，尺寸公差、阻焊層和基板材料。材料質(zhì)量與可焊性要求必須為該工藝建立并監(jiān)測。該工藝對來料質(zhì)量的變化敏感并且沒什么寬容。不可預(yù)料的可焊接性問題或污染，如樹脂膠的殘留，將使該工藝更加困難。光束變量包括光纖類型、透鏡類型(焦點直徑、焦距)、和燈泡功率輸出。光纖與透鏡的選擇是基于所希望的工藝要求。由于氙燈的本質(zhì)就是燈，功率輸出和光的分布隨著時間發(fā)生變化。這些變化使用電子反饋機(jī)構(gòu)和校準(zhǔn)的方法來控制。過程參數(shù)包括光強(qiáng)設(shè)定、預(yù)熱/駐留/后熱時間、錫線類型和錫線進(jìn)給角度/速度。這些變量可以優(yōu)化以達(dá)到改進(jìn)品質(zhì)和減少循環(huán)時間。選擇和確認(rèn)低濺錫助焊劑夾心的焊錫是必要的。一個簡單視頻監(jiān)測系統(tǒng)可安裝在機(jī)械手臂工具上。該系統(tǒng)提供對焊接操作的接近觀察和記錄。當(dāng)回放慢動作時，其結(jié)果是對過程動態(tài)的無價反饋。優(yōu)點與缺點聚焦式白光束焊接當(dāng)與傳統(tǒng)的和其它的非接觸焊接方法相比，有幾個優(yōu)點與缺點。光束工藝將用于幾乎所有的任何通孔或表面貼裝焊接應(yīng)用?？墒?，作為一種選擇，波峰焊接或紅外(IR)回流焊接工藝通常對高產(chǎn)量/高混合度的運作更有成本效益。一旦有了，光束系統(tǒng)可用于其它周邊運作，這些對這個專用設(shè)備的成本是無關(guān)痛癢的。光束工藝的總速度決定于每個裝配的焊點數(shù)量。循環(huán)時間隨著每個裝配焊點數(shù)量的增加而增加。相反，波峰焊接或回流焊接與每個裝配的焊點數(shù)量沒什么關(guān)系。因此，對于一個給定數(shù)量的焊點，每個工藝的處理時間是相等的。雖然高產(chǎn)量/低混合制造通常使用光束技術(shù)，但一些系統(tǒng)的多功能性和編程能力可使得快速適應(yīng)更高混合度的要求。釔鋁榴石紫外(YAGUV,yttriumaluminumgarnetultraviolet)激光器(波長：1064N-m)，也用于焊接應(yīng)用，它優(yōu)越于白光束(氙光波長：300~1200N-m)，因為它提供更高的能量集中和更細(xì)的光束直徑?？墒?，釔鋁榴石紫外激光器的光吸收率(熱傳導(dǎo)能力)很大程度上決定于它加熱的材料特性，而白光束的吸收率在更寬范圍的基板特性上較穩(wěn)定。另外，激光成本高，要求嚴(yán)格的安全考慮。不象其它焊接過程，光束工藝參數(shù)可以對單個的焊接點按要求設(shè)定。這樣避免了為了接納板上所有不同零件而不得不決定一個最適合的工藝設(shè)定，這點已經(jīng)變得越來越困難了，因為板的設(shè)計更復(fù)雜了。用戶具有更多的靈活性，因為任何改進(jìn)都只要求修改相應(yīng)的自動機(jī)器程序。因為光束焊接是點到點的，不希望的PWB溫度副作用，如彎曲與翹曲，實際上不存在?？墒?，光束將很快地燙傷電路板，如果過程變量不受控制。使用視頻相機(jī)對每個焊點監(jiān)測和記錄整個過程動態(tài)的能力是這個工藝的獨特的優(yōu)點。結(jié)論自動光束焊接為許多困難的焊接應(yīng)用提供一個創(chuàng)新的和革命性的解決方案。該技術(shù)現(xiàn)在是在許多世界級運作中的經(jīng)過驗證的資產(chǎn)。它為制造提供又一個工具，來增加焊接工藝能力和在一個變化的環(huán)境中的效率。不管怎么樣，光束焊接是一個復(fù)雜的工藝，要求完整的能力、需要和成本效益的分析。無鉛焊錫與導(dǎo)電性膠本文介紹，兩種材料都可以有效地取代含鉛焊錫。世界上，對無鉛焊錫替代品的興趣正在戲劇性地增加，主要因為在亞洲和歐洲都開始迅速地消除含鉛焊錫在電子裝配中的出現(xiàn)。日本的電子制造商已經(jīng)自愿地要求到2001年在國內(nèi)制造或銷售的產(chǎn)品是無鉛的。歐洲也在要求無鉛電子，正如1998報廢電氣與電子設(shè)備指示(WEEE)所要求的那樣?？墒?，由于歐洲社會的反對，最后期限沒有確定，現(xiàn)在的截止日期估計在2004年以后。有許多理由支持把鉛從電子焊錫材料中消除的努力。除了來自該元素毒性的環(huán)境壓力之外，其它動機(jī)包括有害廢物處理的關(guān)注、工作場所安全性考慮、設(shè)備可靠性問題、市場競爭性、以及環(huán)境共同形象的維護(hù)?，F(xiàn)在北美電子制造商所經(jīng)受的壓力本來是經(jīng)濟(jì)上的，而不是法令上的。為了消除其產(chǎn)品再不能出口到亞洲和歐洲電子市場的危險，制造商們正在尋找可行的含鉛焊錫的替代者，包括無鉛焊錫材料與可導(dǎo)電性膠。無鉛焊錫無鉛焊錫技術(shù)不是新的。多年來，許多制造商已經(jīng)在一些適當(dāng)位置應(yīng)用中使用了無鉛合金，提供較高的熔點或滿足特殊的材料要求?？墒?，今天無鉛焊錫研究的目的是要決定哪些合金應(yīng)該用來取代現(xiàn)在每年使用的估計50,000噸的錫-鉛焊錫。取消資源豐富價格便宜的(大約每磅0.40美元)鉛，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加許多。選擇用來取代鉛的材料必須滿足各種要求：1.它們必須在世界范圍內(nèi)可得到，數(shù)量上滿足全球的需求。某些金屬-如銦(Indium)和鉍(Bismuth)-不能得到大的數(shù)量，只夠用作無鉛焊錫合金的添加成分。2.也必須考慮到替代合金是無毒性的。一些考慮中的替代金屬，如鎘(Cadmium)和碲(Tellurium)，是毒性的；其它金屬，如銻(Antimony)，由于改變法規(guī)的結(jié)果可能落入毒性種類。3.替代合金必須能夠具有電子工業(yè)使用的所有形式，包括返工與修理用的錫線、錫膏用的粉末、波峰焊用的錫條、以及預(yù)成型(preform)。不是所有建議的合金都可制成所有的形式，例如鉍含量高將使合金太脆而不能拉成錫線。4.替代合金還應(yīng)該是可循環(huán)再生的-將三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中可能使循環(huán)再生過程復(fù)雜化，并增加成本。不是所有的替代合金都可輕易地取代現(xiàn)有的焊接過程。美國國家制造科學(xué)中心(NCMS,theNationalCenterforManufacturingSciences)在1997年得出結(jié)論，對共晶錫-鉛焊錫沒有“插入的(drop-in)”替代品。1994年完成的，作為歐洲IDEALS計劃一部分的研究發(fā)現(xiàn)，超過200種研究的合金中，不到10種無鉛焊錫選擇是可行的。數(shù)量上足夠滿足焊錫的大量需求的元素包括，錫(Sn,tin)、銅(Cu,copper)、銀(Ag,silver)和銻(Sb,antimony)。商業(yè)上可行的一些無鉛焊錫的例子包括，99.3Sn/0.7Cu,96.5Sn/3.5Ag,95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu,96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb?；旌显谶@些替代合金內(nèi)的所有這些元素具有與錫-鉛焊錫不同的熔點、機(jī)械性能、熔濕特性和外觀?，F(xiàn)在工業(yè)趨向于使用接近共晶的錫銀銅(near-eutectic-tin-silver-copper)合金。多數(shù)無鉛合金，包括錫-銀-銅，具有超過200°C的熔點-高于傳統(tǒng)的錫-鉛合金的大約180°C的熔點。這個升高的熔點將要求更高的焊接溫度。對于元件包裝和倒裝芯片裝配，無鉛焊錫的較高熔點可能是一個關(guān)注，因為元件包裝基底可能不能忍受升高的回流溫度(圖一)。設(shè)計者現(xiàn)在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的溫度，以及各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性膠來取代倒裝芯片和元件包裝應(yīng)用中的焊錫。無鉛合金的較高熔化溫度可提供一些優(yōu)勢，比如，提高抗拉強(qiáng)度和更好的溫度疲勞阻抗、使其適合于象汽車電子元件這樣的高溫應(yīng)用。電路板與元件的表面涂層也必須與無鉛焊錫兼容。例如，銅表面涂層的板面上的焊接點可能在機(jī)械上和外觀上都受較高的無鉛焊錫的表面貼裝技術(shù)(SMT)回流焊接溫度的影響，它可能造成錫與銅之間有害金屬間化合物的形成。無鉛焊錫的外觀也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比傳統(tǒng)的錫-鉛焊錫缺少一點反光性)，可能要求標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)控制程序的改變。最后，因為現(xiàn)在沒有高含鉛(high-lead-bearing)焊錫的替代品存在，所以完全的無鉛裝配還是不可能的。雖然現(xiàn)在的助焊劑系統(tǒng)與錫-鉛焊錫運作良好，無鉛替代合金將不會在所有的板元件表面涂層上同樣的表現(xiàn)，不會容易地熔濕(wet)以形成相同的金屬間化合物焊接類型。因此可能需要改善助焊劑，提高熔濕性能，減少BGA焊接中的空洞。理想的無鉛焊錫合金將提供制造商良好的電氣與機(jī)械特性、良好的熔濕(wetting)能力、沒有電解腐蝕和枝晶的(dentritic)增長的問題、可接受的價格、和現(xiàn)在與將來各種形式的可獲得性。焊錫將使用傳統(tǒng)的助焊劑系統(tǒng)，不要求使用氮氣來保證有效的熔濕。滿足波峰焊接、SMT和手工裝配要求的無鉛替代品今天都可在市場買到，雖然在元件無鉛合金、電路板表面涂層兼容性、助焊劑系統(tǒng)開發(fā)和工藝問題上要求更多的研究。導(dǎo)電性膠(ConductiveAdhesive)傳統(tǒng)上導(dǎo)電性膠作為將集成電路膠接與引腳框架(leadframe)的芯片附著(die-attach)材料使用。它們也用于制作印刷電路的分層，將銅箔附著在電路板或柔性的基底上，以及將電路粘結(jié)到散熱片。由于無鉛倡議的結(jié)果，導(dǎo)電性膠已經(jīng)成為附著表面貼裝元件焊錫的一個有吸引力的替代品。在室溫下固化，或暴露在100-150°C溫度之間快速處理，這些膠對粘結(jié)溫度敏感元件和在象塑料與玻璃這樣的不可焊接的基板上提供電氣連接是很好的(圖二)。由于高度靈活性的配方，導(dǎo)電性膠也是諸如柔性電路的裝配與修理或柔性基板與連接器粘結(jié)這些應(yīng)用的解決方案(圖三)。導(dǎo)電性膠提供元件與電路板之間的機(jī)械連接和電氣連接。有三種類型的電氣導(dǎo)電性膠，配方提供需要電氣連接的特殊用處。與焊錫類似，各向同性的(isotropic)材料在所有方向均等的導(dǎo)電性，可用于有地線通路的元件。導(dǎo)電性硅膠(silicone)幫助防止元件受環(huán)境的危害，比如潮濕，并且屏蔽電磁與無線射頻干擾(EMI/RFI)的發(fā)射。各向異性的(anisotropic)導(dǎo)電性聚合物或Z軸膠片允許電流只在單個方向流動，提供電氣連接性和舒緩倒裝芯片元件的應(yīng)力。導(dǎo)電性膠是熱固環(huán)氧樹脂與諸如銀、鎳、金、銅和銦或氧化錫的導(dǎo)電性金屬顆粒(或金屬涂層)的化合物。相當(dāng)軟的金屬通過膠在固化期間收縮時的變形提供良好的顆粒接觸?，F(xiàn)在最常見的填充材料是銀，由于其價格適中、廣泛的來源與優(yōu)良的導(dǎo)電性。當(dāng)填充顆粒通過固化的樹脂膠承載電流時，即導(dǎo)電也導(dǎo)熱。伴生的導(dǎo)熱性消除了機(jī)械散熱的需要，提供在晶體管或微處理器與其散熱片之間的有效熱傳導(dǎo)。導(dǎo)電性膠是無鉛和無氟氯化碳(CFC-free)的，不危害臭氧層，并且不含VOC。這些材料提供良好的設(shè)計靈活性，因為它們可填充異形區(qū)域和不同尺寸的間隙。較低的膠處理溫度減少能源成本，允許裝配中使用價格低廉的基板，減少PCB上的溫度-機(jī)械應(yīng)力和元件的損傷。焊錫與膠的比較無鉛焊錫與導(dǎo)電性膠兩者都是強(qiáng)有力的候選材料，提供電子元件的電氣連接和熱傳導(dǎo)；可是，每個技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。取決于應(yīng)用，某個粘結(jié)技術(shù)可能提供較好的性能特性，或者提供工藝或成本的優(yōu)勢。本性上，焊錫形成金屬基底之間的冶金連接，而導(dǎo)電性膠形成基底表面的機(jī)械與化學(xué)粘結(jié)。冶金連接比導(dǎo)電性膠形成的粘結(jié)導(dǎo)電性更好，一般強(qiáng)度更高。因為膠要求金屬填充物的有效擴(kuò)散，來提供良好的電氣特性。但是填充顆粒易于氧化，可能隨著時間降低膠的導(dǎo)電性，而焊錫易于浸析出(leaching)金屬(如，金或銅)，它可能脆化和削弱焊接點。膠會形成使金屬表面失去光澤和氧化的高強(qiáng)度粘結(jié)，這通常是不可焊接的。焊錫的導(dǎo)熱性(60-65W/mK)比膠的(3-25W/mK)更高。焊錫的體積電阻系數(shù)(volumeresistivity)為0.000015ohm，比膠的0.0006ohm少得多，表示焊錫通常比膠的導(dǎo)電性好。雖然無鉛焊錫一般在剛性基板上的抗機(jī)械沖擊比導(dǎo)電性膠更好，但是焊錫在柔性基板上易于應(yīng)力開裂。除了有高度柔性的配方之外，導(dǎo)電性膠抗振動與沖擊比焊錫好。因為膠不提供焊錫表面張力的自我對中作用，使用膠的元件貼裝是關(guān)鍵的，特別是超密間距的元件。對中不好造成較差的電氣接觸和對機(jī)械力的抵抗力不足。焊錫很適合于J型引腳元件以及電鍍和浸錫元件。膠對具有多孔表面的電鍍元件元件與電路板粘結(jié)良好。膠也是非可焊與高度柔性的基板的唯一無鉛替代。因為膠可使用室溫或低溫固化機(jī)制，它們很適合粘結(jié)溫度敏感的裝配和元件。焊錫經(jīng)常對要求返工的電路板更有優(yōu)勢，因為膠要求較費時的、可能損壞電路板元件的返工工藝。已經(jīng)配制出一些萬能的環(huán)氧樹脂，專門用于大間距連接的返工與返修應(yīng)用。例如，如果電路板表面上的跡線(trace)被擦傷，那么可使用這類膠來在原焊接的地方修理電路。成本問題由于許多原因，無鉛焊錫和導(dǎo)電膠兩者都比傳統(tǒng)的錫-鉛焊錫更貴。鑒于鉛是屬于可得到的最廉價的金屬(每磅$0.40)，替代合金可能要貴得多。例如，銀的每磅價格大約為$90，錫$3.70，鉍$3.50，銅$0.85，和鋅$0.60。錫膏通常到處的銷售價為每克$0.15-0.30，取決于量和合金類型。導(dǎo)電膠的價格變化很大，取決于使用的填充物的類型及其市場價格。導(dǎo)電膠的不同配方可有十倍或以上的變化因素。使用貴重金屬作填充物的導(dǎo)電膠的材料成本相對比無鉛焊錫或傳統(tǒng)膠的材料成本更高。就單材料成本而言，膠通常比焊錫貴幾倍?？墒?，膠的裝配與工藝要求大約為焊錫用于同一應(yīng)用的材料用量的一半。還有，膠的處理成本可能比焊錫低得多，因為膠的粘結(jié)要求較少的步驟。雖然處理時間對焊接與膠粘結(jié)對差不多，膠不要求助焊劑應(yīng)用和清洗的時間與費用，如在波峰焊接應(yīng)用中使用水洗型助焊劑。以前使用CFC可迅速廉價地清除焊接助焊劑。在蒙特利爾協(xié)議(MontrealProtocol)之后，該協(xié)議要求制造商減少CFC的使用，CFC的使用已經(jīng)受到限制，電路板制造商經(jīng)常被迫使用效果較差和成本較高的方法來清除助焊劑，雖然許多已經(jīng)轉(zhuǎn)向免洗或可水洗的化學(xué)劑?？墒?，膠是過程友好的，減少有害廢棄的化學(xué)品或有關(guān)處理成本。未來今天可購買到所有形式的無鉛焊錫-從錫條到錫膏到預(yù)成型。開發(fā)新型助焊劑化學(xué)品的工作仍在繼續(xù)，它可使無鉛焊錫提供與含鉛焊錫材料相同的性能。導(dǎo)電膠也在改進(jìn)，以較低成本的、結(jié)合替代金屬填充物或?qū)щ娦跃酆衔锏呐浞剑峁﹥?yōu)良的機(jī)械性能。在未來，電子設(shè)備制造商將繼續(xù)使用導(dǎo)電膠和焊錫兩種材料。一旦無鉛法規(guī)開始生效，膠與焊錫兩者，單獨地和時常協(xié)作地，都將提供環(huán)境上更安全的裝配選擇。關(guān)于回流焊工藝發(fā)展的討論最近幾年，SMT生產(chǎn)技術(shù)已發(fā)生了巨大的變化，其中：生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的改變，新型焊膏的利用、不同基材的出現(xiàn)，以及元器件本身材料和設(shè)計的革新都使得熱處理工藝不斷發(fā)展。新型元器件的設(shè)計動力是來自于產(chǎn)品小型化的不斷驅(qū)使。這些新型元器件封裝包括：BGA（球柵陣列）、COB（裸芯片）、CSP（微型封裝）、MCM（多芯片模塊），以及flipchip（倒裝片）等。產(chǎn)品小型化回流焊使得元器件越做越小，并使管腳數(shù)增加，使間距變小。另外為減少成本，免清洗和低殘留焊膏使用的更加廣泛，與之相應(yīng)的是氮氣的使用也隨之增加。市場對手持式電子產(chǎn)品的不斷需求始終是一個強(qiáng)大的驅(qū)動力，它使得封裝工藝必須適應(yīng)這些產(chǎn)品的技術(shù)要求。因此更小、更密、更輕的組裝技術(shù)，以及更短的產(chǎn)品周期、更多、更密的I/O引線，更強(qiáng)的可操控性----都把回流焊技術(shù)提到一個新的層次上來討論。同時也對熱處理工藝的控制手段和設(shè)備提出了新的要求?？紤]到這些壓力，我們提出了一個簡單的設(shè)想圖，其中的一些方案可以回答回流焊工藝今后會遇到的挑戰(zhàn)。氮氣惰性保護(hù)使用惰性氣體，一般采用氮氣，這種方法在回流焊工藝中已被采用了相當(dāng)長的一段時間，但它的價格還是一個問題。因為惰性氣體可以減少焊接過程中的氧化，因此，這種工藝可以使用活性較低的焊膏材料。這一點對于低殘留物焊膏和免清洗尤為重要。另外，對于多次焊接工藝也相當(dāng)關(guān)鍵。比如：在雙面板的焊接中，氮氣保護(hù)對于帶有OSPs的板子在多次回流工藝中有很大的優(yōu)勢，因為在N2的保護(hù)下，板上的銅質(zhì)焊盤與線路的可焊性得到了很好的保護(hù)。使用氮氣的另一個好處是增加表面張力，它使得制造商在選擇器件時有更大的余地（尤其是超細(xì)間距器件），并且增加焊點表面光潔度，使薄型材料不易褪色。真正最大的好處是降低了成本。氮氣保護(hù)的費用取決于各種各樣的因素，包括氮氣在機(jī)器中使用的位置，氮氣的利用率等。當(dāng)然，我們通常感覺氮氣消耗是一種工藝過程中額外的費用，因此總是想方設(shè)法減少氮氣的消耗。目前焊膏的化學(xué)成份也在不斷的改進(jìn)提高，以便將來的工藝中不再使用氮氣保護(hù)；或者至少在較高的O2濃度值下（比如：1000ppm對比目前為50ppm）取得良好的焊接效果，以便減少氮氣的用量。對于是否使用氮氣的保護(hù)，我們必須綜合考慮許多問題，包括：產(chǎn)量要求的質(zhì)量等級，以及每一對應(yīng)的氮氣消耗費用。使用氮氣是有費用的問題，但是如果將它對提高產(chǎn)量與質(zhì)量所帶來的好處計算進(jìn)來，那么它的費用是相對微不足道的。如果焊接爐不是強(qiáng)制回流的那一種，并且氣流是分層狀態(tài)，那么氮氣的消耗是比較容易控制的。但是，目前大多數(shù)爐的工作方式都是大容量循環(huán)強(qiáng)制對流加熱，爐體內(nèi)的氣流是在不停的流動，這給氮氣的控制與消耗提出了一個新的難題。一般，我們采取這幾種方法降低氮氣用量。首先，必須減少爐體進(jìn)口的尺寸，尤其是垂直方向上的開口尺寸，使用遮擋板、卷簾幕，或者利用一些其它的東西來堵住進(jìn)出口的孔隙。由遮擋板、卷簾幕向下形成的隔離區(qū)可以阻擋氮氣的外泄，并且使外部的空氣無法進(jìn)入爐體內(nèi)部，也有些回流爐是采用自動的滑動門來隔離空氣。另外一種方法是基于這樣一個科學(xué)概念：被加熱的氮氣將漂浮于空氣之上，并兩種氣體不會混合。因此，回流爐的加熱腔被設(shè)計成比進(jìn)出口的位置高一些，因為氮氣會自然的與空氣分層，這樣便可以用很少的氮氣供給量來保持一個較純的濃度。雙面加工雙面板工藝越來越多的被采用，并且變得更加復(fù)雜。這是因為它能給設(shè)計者提供更大、更靈活的設(shè)計空間。雙面板大大加強(qiáng)了PCB的實際利用率，因此降低了制造成本。到目前為止，雙面板經(jīng)常采用的工藝是上面過回流爐，下面過波峰焊爐。今天大家都逐漸傾向于雙面都過回流爐是一種更佳的方法。但工藝上仍有一些問題，比如：再次回流時，底部較大的元件或許會掉下來，或者底部的焊點會部分重新熔化，以至于影響到焊點的可靠性。有幾種方法已發(fā)展出來用以完成二次回流，其中之一將第一面的元件上膠固化，使它在翻面過二次回流時不會從板上掉下來，并且保持正確的位置。另外一種方法是使用不同熔點的焊膏，其中第二次回流時使用的焊膏熔點較第一次的要低。但是使用方法有一些嚴(yán)重的問題需要注意：第一個是造成了最后的成品在維修有一個“太低”的熔化溫度；第二個是如果使用更高一級的回流溫度又會造成對元器件和基板的熱沖擊。對于大多數(shù)元件來說，二次回流時，焊點熔錫的表面張力是足已維持元件在底部的粘力，使元件牢牢的固定在基板上。這里有一個元件重量與引腳（焊盤）張力的比例關(guān)系，它可以計算出元件在二次回流時能不能粘貼在基板底部而不會掉落，從而不用對每一個元器件都做實際的測試。30g/in²是一個保守值，可以作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。另外一個方法是采用一種概念：即將冷的氣體吹拂過基板底部，使底部的溫度在二次回流時始終達(dá)不到熔點，但是由于基板上下面的溫差可能會導(dǎo)致有潛在的應(yīng)力產(chǎn)生。雖然二次回流的工藝并不簡單，但許多問題都在被不斷解決掉，今后幾年內(nèi)，我們可以肯定的說，無論是在數(shù)量上還是在復(fù)雜程度上，高密度的雙面板都將有一個長遠(yuǎn)的發(fā)展。通孔通孔回流焊（也稱插入式或帶引針式回流焊）工藝在最近一段時期內(nèi)應(yīng)用得越來越廣泛，因為它可以少過波峰焊這個工序，或者混裝板（SMT與THT）也會用到它。這樣做最主要的好處是可以利用現(xiàn)有的SMT設(shè)備來組裝通孔式的接插件，因為通孔式的接插件有較好的焊點機(jī)械強(qiáng)度。在許多的產(chǎn)品中，表面貼裝式的接插件不能提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度。另外，在大面積的PCB上，由于平整度的關(guān)系，很難使表面貼裝式的接插件的所有引腳都與焊盤有一個牢固的接觸。雖然好的工藝可以用來處理通孔回流焊，但仍有一些值得討論的問題。首先是通孔回流焊的焊膏用量特別大，因此在助焊劑揮發(fā)后形成的殘留物也很多，會造成對機(jī)器的污染，所以助焊劑揮發(fā)管理系統(tǒng)有尤為重要。另外一個問題是許多通孔元器件，尤其是接插件，并非設(shè)計成可以承受回流焊的高溫。基于紅外回流爐（IR）的經(jīng)驗，如果用在通孔回流焊上是錯誤的。因為它沒有考慮到熱傳遞效應(yīng)對于大塊元器件與幾何形狀復(fù)雜的元器件（比如有遮敞效應(yīng)的元器件）的不同，現(xiàn)有混裝經(jīng)常使用SMD與THT元器件。但對于強(qiáng)制熱風(fēng)回流爐來說，它有著極高的熱傳遞效率，并不依靠紅外輻射的高溫。因此在混裝產(chǎn)品中，普遍使用強(qiáng)制熱風(fēng)回流工藝。為了得到一個滿意的焊接效果，問題的關(guān)鍵是要確保通孔回流焊基板各部份的焊膏量都恰到好處，以及注意那些不能承受溫度變化與遮蔽效應(yīng)的元器件，這個工藝發(fā)展的主要方向還是在工藝的完善與器件的改良上。柔性基板為了處理表面安裝柔性基板的焊接問題，一種專用的回流爐也被設(shè)計出來了，和一般回流爐最大的不同是在于它特殊的處理柔性基板的導(dǎo)軌。但是，這種回流爐也必須同時滿足已連續(xù)式的柔性PCB與分離式PCB的焊接需要。在處理分離式PCB基板時，回流爐的工作連續(xù)性并不受前道工序的影響。在卷式柔性基板的生產(chǎn)中，由于柔性基板是整條貫穿生產(chǎn)線，所以生產(chǎn)線上任何一處造成的停機(jī)都會使柔性基板帶停止傳遞。這樣就會產(chǎn)生一個問題：停在爐內(nèi)的柔性基板便會因高溫而遭到破壞。因此，這種特殊的爐必須允許這樣情況發(fā)生：可以處理停在爐內(nèi)的基板，并且在傳送帶恢復(fù)正常后立刻重新恢復(fù)正常的焊接操作。無鉛焊膏雖然近幾年要求使用無鉛焊膏的壓力不象以前那樣大，但人們依然關(guān)心焊膏中的含鉛量與它對環(huán)境的影響，雖然電子業(yè)的鉛污染只占所有鉛污染量的百分之一以下，但有觀察家還是認(rèn)為有關(guān)禁止用含鉛焊膏的法律在今后幾年中將出臺。這樣就只能努力去尋找一種可靠、經(jīng)濟(jì)的替代品。許多代用品的熔點都比錫一鉛合金高大約40°C。這意味著回流爐需要工作在一個更高的溫度環(huán)境中，這時使用氮氣保護(hù)可以部份的消除高溫所帶來的PCB氧化與破壞的影響。但是在實現(xiàn)無鉛生產(chǎn)前，工業(yè)界是必須走一段痛苦的學(xué)習(xí)過程來解決將會面臨的問題。目前大多數(shù)爐的設(shè)計工作溫度都在300°C以下，但無鉛錫膏、非低熔點錫膏，在用于BGA、雙面板、混裝板的生產(chǎn)時，常需要更高的溫度。有一些工藝在回流區(qū)的溫度需要350°C～400°C左右，因此必須改進(jìn)爐的設(shè)計方案以迎合這種需求。另一方面，進(jìn)入高溫爐的熱敏感元件必須做改進(jìn)，減少在進(jìn)行高溫操作時這些元件的受熱量。垂直烘爐市場對產(chǎn)品小型化的要求使倒焊片與DCA（芯片直接焊裝）的應(yīng)用越發(fā)的廣泛。倒焊片技術(shù)是將芯片倒裝后用焊球?qū)⑵渑c基板直接焊接，這樣可以提高信號傳輸速度及減少尺寸。另一種是底部填充工藝，這是將填充材料灌注入芯片與基板之間的空隙中，這是因為芯片與基板材料之間膨脹系數(shù)不一致，而填充材料則能保護(hù)焊點不受這種應(yīng)力的影響。還有是球狀封頂以及圍壩填充技術(shù)，這兩種技術(shù)是用覆蓋材料將已焊接的裸芯片加以封裝的工藝。幾乎所有這幾種封裝材料都需要很長的固化時間，所以用在線式連續(xù)生產(chǎn)的固化爐是不實際的，平時大家經(jīng)常使用“批次烘爐”，但垂直烘爐的技術(shù)也趨于完善，尤其在加熱曲線比回流爐簡單時，垂直烘爐完全能夠勝任。垂直烘爐使用一個垂直升降的傳送系統(tǒng)作為“緩沖與累加器”，每一塊PCB都必須通過這一道工序循環(huán)。這樣的結(jié)果就是得到了足夠長的固化時間，而同時減少了占地面積。在目前最先進(jìn)的回流爐設(shè)計思想中，如何在增加產(chǎn)量的同時減少設(shè)備的維修量是一個關(guān)鍵的問題。隨著免洗焊膏與低殘留焊膏的大量使用。如何處理爐膏的助焊劑殘留物這個問題也相應(yīng)變得突出起來，因為這些焊膏內(nèi)有大量的高沸點的溶劑來取代原來的松香，以獲得理想的焊膏流變性。目前焊膏供應(yīng)商正在研究性能更加優(yōu)越的焊膏，但由于質(zhì)量與工藝認(rèn)證是一個費工費時的過程，所以它們的應(yīng)用經(jīng)常相對滯后。同時，助焊劑造成的污染也成為回流爐的一個重要課題。從焊膏中揮發(fā)出來的物質(zhì)重新凝結(jié)在機(jī)器冷卻區(qū)表面形成污染物，這在充氮保護(hù)設(shè)備中表現(xiàn)得尤為突出，想要通過抽氣口將揮發(fā)物抽走的方法在充氮爐中是不現(xiàn)實的。因為抽氣口會帶走大量有用的氮氣?，F(xiàn)在新型的助焊劑管理系統(tǒng)采用的方法是讓氣流在機(jī)內(nèi)循環(huán)，經(jīng)過一個凝結(jié)過濾裝置，將助焊劑凝結(jié)在上面后除去，并將干凈的氣體（N2）放回爐內(nèi)。這套系統(tǒng)大大減少了助焊在冷卻區(qū)及其它地方的殘留量，并且使維修和除去污染物的工作可以在不停機(jī)的情況下進(jìn)行。從助焊劑管理系統(tǒng)出來的冷氣流重新回到冷卻區(qū)，對于焊點的冷卻與降低PCB出口溫度都有額外的好處。另一方面，回流的冷氣體進(jìn)入爐內(nèi)的其它地方還可以表現(xiàn)出另外一些好處，例如：分隔不同加熱區(qū)的溫度，或者擴(kuò)大上下加熱區(qū)的溫差。但是不停機(jī)時間與費用是非常重要的，當(dāng)公司的注意集中在運行費用上時，助焊劑管理系統(tǒng)就會顯得非常重要?；亓鳡t如果使用周圍的空氣作為冷卻介質(zhì)，則可以采用大流量的方式冷卻PCB，而且效率很高。在充氮爐中，因為氣流量受到嚴(yán)格控制，所以這是另一種情況。熱量必須從系統(tǒng)中被抽走，通常熱交換采用的介質(zhì)是氣體或液體。冷卻氣體必須循環(huán)使用以降低氮氣消耗。在目前的冷卻組件中，是通過一個鼓風(fēng)機(jī)將氣流循環(huán)應(yīng)用，氣流在熱交換后被吹向PCB。這種冷卻方式需要定期清理鼓風(fēng)機(jī)與熱交換系統(tǒng)上的助焊劑沉淀（雖然助焊劑管理系統(tǒng)已大大減少了助焊劑的沉積）。Speedline集團(tuán)現(xiàn)已開發(fā)了一種獨特的NitroCool系統(tǒng)，它使用氣流放大風(fēng)刀來產(chǎn)生高速率的氣流充當(dāng)交換介質(zhì)。循環(huán)氣流是通過風(fēng)刀而不是通過熱交換器，以此來減少被阻塞的機(jī)率。在風(fēng)刀上集成有自動清潔裝置，使得氣量在被阻塞物減弱之前就將助焊劑沉積物清除干凈，因此，當(dāng)其它設(shè)備的熱交換器和鼓風(fēng)機(jī)逐漸被助焊劑污染時，這套系統(tǒng)可以提供一個恒定不變的冷卻速率。NitrCool系統(tǒng)還可以引導(dǎo)集中助焊劑管理系統(tǒng)里冷卻的冷氣流，進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻的性能與效率。額外的冷卻組件使PCB出爐的溫度控制在35°～50°C之間。這樣就允許將PCB直接輸入下一工序而不需緩沖區(qū)間。另外，氮氣保護(hù)同時也可以保護(hù)PCB的可焊性（而非用熱空氣來保護(hù)PCB的可焊性），這對于使用OSP的工藝尤為重要。設(shè)備制造費用是制造廠商最關(guān)心的一個問題，隨著工廠地價的上漲，如何有效的利用空間也變得越來越重要，通常如果要增加產(chǎn)量就需加長加熱區(qū)的長度。但自動寬度可調(diào)的雙軌技術(shù)的應(yīng)用則可以在很小的空間里完成同樣的工作，這種雙軌工藝技術(shù)，在印刷、點膠、貼片與回流都已開始應(yīng)用，對于減少占地面積和節(jié)省資金都有巨大的潛力。設(shè)備的可靠性與連續(xù)工作時間是非常值得研究的，因為許多工廠都采用三班倒與七天工作日的方式生產(chǎn)，極少有時間安排維修，還需處理臨時的故障。對于回流爐的工藝及自動化操作的研究還有很長的路要走，使用復(fù)雜的軟件可以進(jìn)行多任務(wù)操作、通訊（通過GEM）、診斷、操作安全保護(hù)、以及在線顯示與實時幫助。在將來，單位面積的產(chǎn)出量將大大增加，設(shè)備功能也大在加強(qiáng)，而且回流爐也越來越依靠軟件與傳感器來提高它的性能。本文介紹，在集成化助焊劑管理和分層氣流冷卻中的進(jìn)步可大大延長維護(hù)的時間間隔。所有的回流爐都有一個冷卻模塊來保證冶金特性和降低出板溫度。在空氣爐中，過程氣體在冷卻之前排出，在冷卻模塊中不留下助焊劑冷凝?？墒?，在多數(shù)氮氣爐中，排氣發(fā)生在爐的進(jìn)口和出口處，問題就發(fā)生了。受熱的助焊劑揮發(fā)物侵入冷卻模塊，然后將冷氣指向產(chǎn)品。保存氮氣的要求不得不使內(nèi)部氣體循環(huán)使用，因此過程氣體在冷氣之前是不排出去的。當(dāng)這氣體流到冷氣區(qū)時，出現(xiàn)冷凝。雖然該技術(shù)工作正常，連續(xù)的循環(huán)造成熱交換器被過程氣體中的助焊劑元素淤塞。對一些新的增強(qiáng)的可印刷錫膏，留下極其粘性的殘留，這種淤塞甚至更成問題。不幸的是，當(dāng)這些系統(tǒng)淤塞發(fā)生時，冷氣性能將穩(wěn)步下降，造成缺乏回流工藝的一致性和控制。除了處理較熱的板之外，減弱的冷氣引起印刷雙面表面貼裝裝配的問題，和可能由于減少液化以上時間(TAL,timeaboveliquid)而影響長期電路裝配的可靠性。證據(jù)顯示，增加TAL可造成粗糙的焊點微結(jié)構(gòu)和增加金屬間增長，這可能導(dǎo)致脆性。在某種意義上，預(yù)防性維護(hù)清潔熱交換器是重獲過程控制所要求的。這個過程是骯臟和費時的，可能要求在珍貴的生產(chǎn)時間之外每周達(dá)幾個小時。如果這個維護(hù)不進(jìn)行，將造成元件災(zāi)難性的的失效，要求許多無計劃的停機(jī)時間。因為固定資產(chǎn)設(shè)備的利用時間是可獲利的關(guān)鍵，將冷卻模塊維護(hù)減到最少是所希望的。如果機(jī)器停下來進(jìn)行計劃或非計劃的維護(hù)，都不可能產(chǎn)生利潤。減少維護(hù)的一個可能方法是通過使用集成化助焊劑管理(IFM,integratedfluxmanagement)系統(tǒng)來加強(qiáng)冷氣模塊的設(shè)計(圖一)。如在基本的惰性冷卻一樣，過程氣體是通過一個熱交換器循環(huán)的；可是，在這個系統(tǒng)中熱交換器可移動到實際爐膛的外面，增強(qiáng)一個過濾單元。用IFM，許多未處理的過程在冷氣室之外冷凝，將所要求的維護(hù)移出到過程冷卻模塊區(qū)外面。通過把助焊劑副產(chǎn)品移到IFM系統(tǒng)的過濾裝配作為廢物最終處理，熱交換器的清潔要求大大地減少了。雖然助焊劑過濾是基本惰性冷卻的一個重大改進(jìn)，但并不完美。過濾效率少于100%，因此一些污染過程氣體將在冷卻模塊內(nèi)冷凝。通過一個IFM系統(tǒng)增加的過程氣體管路可導(dǎo)致輕微的氮氣消耗增加和氣體純度下降的弱點。為了達(dá)到進(jìn)一步的冷卻效率和減少維護(hù)，應(yīng)該用另一個方法來增強(qiáng)IFM系統(tǒng)。與助焊劑過濾的一個基本問題就是污染物沒有從過程中清除，它們只是儲放在另外的地方等待最終處理。一個新方法利用自我清潔、分層氣流的模式來冷卻。在這個設(shè)計中，在冷卻區(qū)使用了三個氣體放大刀，它將新鮮氣體引入爐內(nèi)，循環(huán)前面注射的液體(圖二)。這個分層氣流冷卻解決維護(hù)與效率的問題，這在實驗室和生產(chǎn)環(huán)境中都得到確認(rèn)。用于標(biāo)準(zhǔn)冷卻設(shè)計的吹風(fēng)機(jī)循環(huán)大量的氣體，這些氣體又以相對慢的速度沖擊產(chǎn)品。當(dāng)帶有助焊劑蒸汽的過程氣體到達(dá)冷卻模塊時，助焊劑分子在熱交換器的冷表面冷凝。吹風(fēng)機(jī)移動的氣體量越大，在熱交換器和吹風(fēng)機(jī)上的表面污染物累積越快。還有，來自吹風(fēng)機(jī)的氣流是相當(dāng)紊流的，帶有一種傾向于輸送更多含助焊劑的過程氣體的混合作用。假設(shè)問題與吹風(fēng)機(jī)冷卻設(shè)計是內(nèi)在的，分層氣流冷卻的開發(fā)考慮到下面的原則：*減少循環(huán)氣體量*減少氣流的紊流*增加沖擊速度*優(yōu)先助焊劑冷凝在氣刀上通過減少氣量，接觸冷的熱交換器表面的助焊劑蒸汽分子數(shù)量減少，導(dǎo)致表面污染物的累積減少。紊流的減少限制來自回流與保溫區(qū)的助焊劑蒸汽的混合作用，和減少助焊劑殘留累積的可能性。增加相對于吹風(fēng)機(jī)設(shè)計的沖擊速度，增加了通風(fēng)效率和減少冷卻模塊表面與過程氣體之間的溫度差，限制助焊劑的冷凝效果。分層氣流冷卻技術(shù)利用對熱交換器的一層氣流來完成板的冷卻。來自氣體放大刀的氣流以相對高的速度但稍微較少的量沖擊產(chǎn)品，因此減少來自加熱區(qū)的助焊劑蒸汽的輸送。因為冷卻氣體從熱交換器表面而不是穿過其肋片流過，助焊劑沉淀的積累很少，其表面可通過簡單的、定期的擦拭來清潔。這些空氣刀也用來引入大多數(shù)壓縮氮氣到爐內(nèi)。從冷卻區(qū)通過爐膛反過來到加熱區(qū)的正壓氣流減少下游污染。因為給爐內(nèi)氣體的氮氣主要通過空氣刀注入，污染的氣體可以通過IFM清除，當(dāng)其流到加熱區(qū)時。然后過濾的氣體可以在加熱模塊內(nèi)循環(huán)或回到冷卻區(qū)。這個反向的流動安排事實上消除冷卻區(qū)的污染。給出這個理論的邏輯之后，下一步是評估分層氣體系統(tǒng)的維護(hù)和性能特點。下面使用三個空氣刀。第一個刀控制從液體到固體的轉(zhuǎn)變，達(dá)到光亮錫點所希望的微結(jié)構(gòu)和控制金屬間的增長。第二、三個空氣刀直接涉及控制板的出來溫度。減少要求維護(hù)停機(jī)時間的兩個關(guān)鍵點是減少空氣刀上累積的殘留數(shù)量和使其容易清除和更換定期抹擦。對評估維護(hù)與時間表現(xiàn)已進(jìn)行實驗室測試。將傳統(tǒng)的吹風(fēng)機(jī)/熱交換器設(shè)計與分層氣流系統(tǒng)進(jìn)行比較。每個冷卻技術(shù)都暴露給一個受控的助焊劑量，每24小時600克，測量冷卻效果。標(biāo)準(zhǔn)的吹風(fēng)機(jī)方法在第二個周末之前即顯示冷卻能力的大大減弱。在12周結(jié)束時，這個方法下降到少于10%的效率，每秒-0.2°C的冷卻率。為了維持每秒-1.5°C的可接受冷卻率，要求以四到六周的時間框架進(jìn)行主要維護(hù)。另一方面，分層技術(shù)在達(dá)到20周的暴露時仍保持80%的效率(圖三)?？煽啃院涂删S護(hù)性的進(jìn)步在固定資產(chǎn)設(shè)備上總是希望的。氮氣回流爐的冷卻過程是一個特別麻煩的區(qū)域?？墒?，在集成助焊劑管理和分層氣流冷卻系統(tǒng)中的進(jìn)步已經(jīng)證明大大地延長維護(hù)時間間隔?，F(xiàn)在存在將兩個技術(shù)結(jié)合的可能性，提供甚至更好的結(jié)果。本文將研究確定什么參數(shù)對無鉛焊接有最大和最小影響的方法。目的是要建立一個質(zhì)量和可重復(fù)性受控的無鉛工藝...。開發(fā)一套穩(wěn)健的方法檢驗一個焊接工藝是否穩(wěn)健，就是要看其對于各種輸入仍維持一個穩(wěn)定輸出(合格率)的能力。輸入的變化是由“噪音”因素所造成的。甚至在印刷電路板(PCB)進(jìn)入回流爐之前，一些因素將在一個表面貼裝裝配內(nèi)變化。首先，在工藝中使用的材料中存在變化。這些變化存在于錫膏特性如成分、潤滑劑、粉末和氧化物；板的材料，考慮到不同的供應(yīng)商和不同的存儲特性；和元件。其次，變化可能發(fā)生在表面貼裝工藝的第一部分：錫膏印刷與塌落和元件貼裝。第三，噪音因素可來自制造區(qū)域的室內(nèi)條件-溫度與濕度。這些輸入變量要求最佳的加熱曲線，它必須對所有變量都敏感性最小，和一個量化工藝能力的方法?；亓髑€就回流焊接而言，無鉛合金的使用直接影響過程溫度，因此影響到加熱曲線。提高熔化溫度縮小了工藝窗口，因為液相線以上的時間和允許的最高溫度250°C(為了防止元件損壞和板的脫層)沒有改變。三角形(升溫到形成峰值)曲線我們可以區(qū)分那些關(guān)鍵的和接近回流焊接現(xiàn)實極限的工藝和那些較不關(guān)鍵的工藝。對于PCB相對容易加熱和元件與板材料有彼此接近溫度的工藝，可以使用三角形溫度曲線(圖一)。三角形溫度曲線建議用于諸如計算機(jī)主板這樣的產(chǎn)品，它在裝配上的溫度差別小(小的ΔT)。圖一、三角形回流溫度曲線圖二、升溫-保溫-峰值溫度曲線三角形溫度曲線有一些優(yōu)點。例如，如果錫膏針對無鉛三角形溫度曲線適當(dāng)配方，將得到更光亮的焊點和改善的可焊性?？墒?，助焊劑激化時間和溫度必須符合無鉛溫度曲線的較高溫度。三角形曲線的升溫速度是整個控制的，在該工藝中保持或多或少是相同的。其結(jié)果是焊接期間PCB材料內(nèi)的應(yīng)力較小。與傳統(tǒng)的升溫-保溫-峰值曲線比較，能量成本也較低。升溫-保溫-峰值溫度曲線較小的元件比較大的元件和散熱片上升溫度快。因此，為了滿足所有元件的液相線以上時間的要求，對這些工藝寧可使用升溫-保溫-峰值溫度曲線(圖二)。保溫的目的是要減小ΔT。在升溫-保溫-峰值溫度曲線的幾個區(qū)域，如果不適當(dāng)控制，可能造成材料中太大的應(yīng)力。首先，預(yù)熱速度應(yīng)該限制到4°C/秒，或更少，取決于規(guī)格。錫膏中的助焊劑元素應(yīng)該針對這個曲線配方，因為太高的保溫溫度可損壞錫膏的性能；在氧化特別嚴(yán)重的峰值區(qū)必須保留足夠的活性劑。第二個溫度上升斜率出現(xiàn)在峰值區(qū)的入口，典型的極限為3°C/秒。溫度曲線的第三個部分是冷卻區(qū)，應(yīng)該特別注意減小應(yīng)力。例如，一個陶瓷片狀電容的最大冷卻速度為-2~-4°C/秒。因此，要求一個受控的冷卻過程，因為特殊材料的可靠性和焊接點的結(jié)構(gòu)也受到影響。對于任何一個工藝，最佳的溫度曲線可以通過一個Taguchi試驗來確定。在試驗中使用噪音因素將幫助確定哪一種曲線對變量敏感性最小，更加穩(wěn)定。評估工藝統(tǒng)計過程控制(SPC,statisticalprocesscontrol)用來將工藝穩(wěn)定和保持在控制之中。在焊接中，SPC用來減少可變性和提供工藝能力。典型地，X-Y坐標(biāo)圖(x-bar-rangechart)和性能分析是用于這個目的的。X-Y坐標(biāo)圖是對測量變量進(jìn)行統(tǒng)計計算的圖形表示，這里每個分組的平均值與幅度(最大-最小)用來監(jiān)測平均值或者范圍的變化；該幅度用作變量的度量。統(tǒng)計上大的改變可能表示工藝漂移、趨勢、循環(huán)模式或由于特殊原因造成的失控情況。當(dāng)焊接工藝的最具影響的參數(shù)(如Taguchi試驗所定義的)受到統(tǒng)計過程控制(SPC)，工藝的穩(wěn)定性和性能的改進(jìn)可以容易達(dá)到。例如，在一臺焊接設(shè)備中，硬件和軟件設(shè)計用來保持重要的參數(shù)在設(shè)定點的規(guī)定范圍內(nèi)?？墒?，即使當(dāng)一個參數(shù)在起偏差極限之內(nèi)時(沒有報警發(fā)生)，它可能已經(jīng)在統(tǒng)計上失控，或者顯示一個由于歷史數(shù)據(jù)而意想不到的狀態(tài)。只購買硬件和軟件不一定會得到成功的SPC。一個關(guān)鍵的考慮是可變性的減少，在特殊原因變量和普通原因變量之間有一個區(qū)別?？刂茍D用來消除特殊原因變量，即任何可能與可歸屬原因有聯(lián)系的變量。性能圖用來減少普通原因變量，即任何工藝固有的和只能通過工藝變化減少的變量。在一個回流焊接工藝中，SPC的典型參數(shù)包括傳送帶速度、氣體或加熱器溫度、液相線以上的時間和最高的峰值溫度。在一臺波峰焊接機(jī)器中，典型的參數(shù)包括傳送帶速度、接觸時間、預(yù)熱溫度(PCB或加熱器)和作用于PCB上的助焊劑數(shù)量。圖三、描述預(yù)熱溫度的x-bar-range圖一個X-Y坐標(biāo)圖的例子顯示在一個波峰焊接工藝中的預(yù)熱區(qū)的熱空氣溫度(圖三)。在一整天中，取樣讀數(shù)每10秒一次并分成分組，每組五個樣品。平均值與幅度在圖三中顯示。平均溫度為120.0°C，設(shè)定點也為120°C。該數(shù)據(jù)來自于安裝在預(yù)熱模塊中的熱電偶。記錄了來自工藝、設(shè)定和測量值的所有機(jī)器數(shù)據(jù)。管理信息文件可以導(dǎo)入SPC軟件，它將產(chǎn)生象圖三的X-Y坐標(biāo)圖和性能分析圖。我們接受120°C±2°C的預(yù)熱溫度(熱風(fēng))，因為我們知道，只要測量的溫度在這個極限之內(nèi)，板的溫度將不會波動和保持在助焊劑規(guī)格內(nèi)。該數(shù)據(jù)，與上控制極限(UCL=122°C)和下控制極限(LCL=118°C)將返回一個工藝性能(Cp,processcapability)值：這里Cp=工藝能力，S=標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖四、樣品工藝能力(Cp)圖在圖四中的Cp圖顯示，對于預(yù)熱溫度，工藝是有能力的。我們發(fā)現(xiàn)Cp=3.55；一個穩(wěn)定的工藝要求大于1.66的Cp值。穩(wěn)定性一旦我們用無鉛焊錫運行第一批產(chǎn)品，我們需要量化工藝的穩(wěn)定性。這些響應(yīng)因素可以在產(chǎn)品上測量，就象計數(shù)缺陷或從機(jī)器設(shè)定收集的數(shù)據(jù)。例如，一塊板的溫度可以用安裝在PCB上的熱電偶測量，或者熱風(fēng)的溫度可以在機(jī)器內(nèi)測量，這個溫度與PCB上的溫度是相關(guān)的。另一種測量穩(wěn)定性的方法是用專門的校正工具，該工具將儀表騎在傳送帶上通過爐子。使用這些工具的優(yōu)點是它們非常穩(wěn)定，一次運行可以測量幾個不同的參數(shù)。在多數(shù)生產(chǎn)線中，操作員有自己的測試板，熱電偶已安裝在上面。將板在爐(或者波峰焊機(jī))中運行將很快損壞測試板因為無鉛焊接的溫度高。板會開始出現(xiàn)脫層和翹曲，熱電偶可能從表面脫落。影響品質(zhì)最多的參數(shù)從我們對錫-鉛工藝的認(rèn)識和Taguchi試驗的結(jié)果已經(jīng)知道了。我們開始計數(shù)和收集這些參數(shù)的數(shù)據(jù)。在SPC已經(jīng)證明一個參數(shù)在較長時間內(nèi)受控(Cp>1.66)的之后，測量的間隔可以減少。使用SPC，我們只集中在一些最重要的參數(shù)上。Pareto圖也將幫助定義這些要測量的參數(shù)，以保持工藝穩(wěn)定。X-Y坐標(biāo)圖顯示工藝的漂移、趨勢、循環(huán)模式或由于特殊原因的失控條件。在一些情況中，在失控條件實際發(fā)生之前可以采取預(yù)防性措施。排氣與溫度條件整個工藝已經(jīng)隨著無鉛合金的引入而改變。在機(jī)器的所有模塊中溫度已經(jīng)升高了。對于回流焊接，得到的是更高的溫區(qū)和峰值溫度。對于冷卻區(qū)，要求比正常更有效的冷卻方法，因為峰值溫度更高了。爐子要設(shè)計滿足這些更高的溫度，但是，在實施的這個階段，機(jī)器溫度應(yīng)該驗證。無鉛錫膏具有和傳統(tǒng)錫-鉛配方不同的化學(xué)成分。因此，我們不得不處理其它的以不同和更高溫度蒸發(fā)的殘留物。熱比重分析可以幫助定義在哪里和以什么溫度材料可以蒸發(fā)。需要一個充分的助焊劑管理系統(tǒng)來控制所有殘留物的清除。另外，在把該工藝實施到生產(chǎn)環(huán)境之前，排氣與排氣設(shè)定應(yīng)該驗證。評估可靠性應(yīng)該進(jìn)行可靠性試驗來預(yù)測產(chǎn)品的壽命周期和與錫-鉛工藝的標(biāo)準(zhǔn)比較數(shù)據(jù)。剪切、拉力和溫度循環(huán)試驗得到有關(guān)無鉛焊接點強(qiáng)度的更多結(jié)論。截面圖將顯示金屬間化合層與增長的厚度，這也是與可靠性有關(guān)的。工藝發(fā)放用以實施現(xiàn)在我們已經(jīng)到達(dá)實施階段的下一個里程碑。一旦所有條件都已滿足，我們可以得到如下結(jié)果：工藝是穩(wěn)定的和可重復(fù)的機(jī)器情況是受控的焊接點品質(zhì)和可靠性是在規(guī)格之內(nèi)的成本還是可以接受的。因此，該工藝可以發(fā)放用于實施。到目前為止，試驗已經(jīng)在獨立的機(jī)器、或?qū)嶒炇一蜓菔臼业臋C(jī)器、或在停機(jī)其間的生產(chǎn)線機(jī)器上進(jìn)行。下一個步驟是將該技術(shù)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線?？墒?，在開始生產(chǎn)之前，許多工作還要去做。這些工作包括：工程時間計劃表、品質(zhì)問題、失控行動計劃(OCAP)、和操作員培訓(xùn)。工程時間計劃表為所有實施行動創(chuàng)建一個時間表。這個時間表將結(jié)合考慮采購材料和必要的機(jī)器配件、組織人員和材料以作調(diào)整、寫出規(guī)程和OCAP、以及培訓(xùn)操作員和工程師。品質(zhì)問題(波峰焊接)錫鍋中的焊錫在較長期生產(chǎn)之后會污染。試著建立合金最大允許污染的規(guī)格?？蛻粢?guī)格或來自研究機(jī)構(gòu)的指引可幫助定義在你的工藝中最大允許的合金元素百分比。在一些無鉛工藝中，這些限制在20,000塊板之后就超出了，這樣一來就要換錫了，造成成本很高。失控行動計劃(OCAP)由于特殊原因變量干擾的一個工藝將在X-Y坐標(biāo)圖上顯現(xiàn)出來。多數(shù)操作員都訓(xùn)練有素，很快看出這種不穩(wěn)定。當(dāng)操作員控制工藝的穩(wěn)定性時，快速反饋是可能的。迅速反饋對盡可能減小對產(chǎn)品的影響是必須的。為了保持工藝穩(wěn)定，需要采取以下步驟：定期測量參數(shù)在每次測量后驗證工藝是否還是穩(wěn)定的如果工藝是穩(wěn)定的，則可繼續(xù)無須行動；如果不是，則按照OCAP確定不穩(wěn)定的原因。操作員培訓(xùn)生產(chǎn)線操作員應(yīng)該為新的工藝作準(zhǔn)備。他們的培訓(xùn)應(yīng)該包括對新機(jī)器選項的工作指示、不同的參數(shù)設(shè)定(來自Taguchi試驗的經(jīng)驗)、焊接點形狀的改變、色澤與其它品質(zhì)問題。操作員應(yīng)該培訓(xùn)怎樣使用SPC圖表和怎樣處理OCAP。結(jié)論有了Taguchi實驗的分析與數(shù)據(jù)，我們能夠設(shè)計一個穩(wěn)定的、無鉛焊接工藝。在產(chǎn)品的第一批焊接之后，如果產(chǎn)品品質(zhì)可以接受，工藝穩(wěn)定的話，可以將該工藝發(fā)放用于實施。錫/銀/銅系統(tǒng)中最佳的化學(xué)成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，它具有良好的強(qiáng)度、抗疲勞特性和塑性。根本的特性和現(xiàn)象在錫/銀/銅系統(tǒng)中，錫與次要元素(銀和銅)之間的冶金反應(yīng)是決定應(yīng)用溫度、固化機(jī)制以及機(jī)械性能的主要因素。按照二元相位圖，在這三個元素之間有三種可能的二元共晶反應(yīng)。銀與錫之間的一種反應(yīng)在221°C形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。銅與錫反應(yīng)在227°C形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。銀也可以與銅反應(yīng)在779°C形成富銀α相和富銅α相的共晶合金?？墒牵诂F(xiàn)時的研究中1，對錫/銀/銅三重化合物固化溫度的測量，在779°C沒有發(fā)現(xiàn)相位轉(zhuǎn)變。這表示很可能銀和銅在三重化合物中直接反應(yīng)。而在溫度動力學(xué)上更適于銀或銅與錫反應(yīng)，以形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。因此，錫/銀