2.3.3 实验程序

在实验中注意到焊点的温度密切追随顶部热源的设定温度（由于PBGA元件相对于PCB较小的热容），这说明顶部热源比底部热源对焊点温度的影响要大，顶部热源在各加热区的温度设定基本上就可以确定焊点回流曲线的性准，如果将H1、H2、H3、H4以一定的相对差值组合成一个形状参数Ht、Ht相对于H1、H2、H3、H4的各个差值即大体上确定了焊点回流曲线的形状，由于加热因子理论对回流曲线的形状不作严格定义。通过调节Ht可以实现加热因子下限值在冷点的控制，不必担心Ht的变化对回流曲线形状的可能改变，基本上遵循避免焊接缺陷发生及最大化保温区的原则，调节H1、H2、H3、H4和Hb以实现最优范围的加热因子，当H1=195℃，H2=175℃、H3=180℃、H4=205℃、Hb=240℃时，冷点的加热因子值为Qη=652s·℃（Tm=183℃），落入最优范围，如图3所示。H1、H2、H3、H4当前的设定值基本上确定了回流曲线的性准，可以以这个工艺设定为依据来定义Ht，令：

则Ht不仅表示了H1、H2、H3、H4的大小及其组合关系，而且大体上确定了焊点回流过程中的温度曲线形状（如图3示）。另一方面注意到在实验中，也可以调节Hb来调整Qη的大小，相对于形状参数Ht，我们称Hb为移动参数，接下来的实验将观察加热因子Qη与形状参数Ht、移动参数Hb组合的关系，期望用这两个组合参数来预测和控制加热因子。

Qη和Ht：固定Hb在240℃，调节Ht的大小，实验结果如表1所示，用表1的数据绘出和散点图（如图4所示），散点图上的数据点总体上但不确切的落在一条直线上，意味着和之间的关系可以近似为线性相关，利用统计学中的最小平方预测法，建立两者之间的回归方程为：

Qη=72.6Ht-14111.4 （3）

判定系数R平方为0.9734，逼近1，说明Qη和Ht之间有很强的线性关系，因此加热因子最优范围的下限值可以根据下式进行预测和控制：

Ht=（Qη+1.4111.4）/72.6（4）

令Qη=600℃，得Ht=202.6℃，可以取Ht为203℃，由于回流炉热源温度的控制精度只有1℃，1℃之差会产生72.6s·℃的Qη增量，而整个优化范围只有900-600=300s·℃，所以应当寻求对Qη更鲁棒的参数，就是更好的选择。

Qη和Ht：保持Ht=205℃，可以类似于Qη和Ht，得到Qη和Hb的线性回归关系：

Q=31.6Hb-6895.5 （5）

其判定系数为0.9778。所以：

Hb=（Qη+6895.5）/31.6 （6）

令Qη=600s·℃，得Hb=2372℃，取Hb=237℃，以低于32的差值逼近600s·℃，是相当理想的。

应利用两个组合参数对加热因子影响的特点来实现最优范围下限值。原则上不宜调整Hb，使其保持在较高的温度，比较均匀的加热组装产品，而主要调整Ht使Qη逼近下限值。基于热源温度控制的离散性（控制精度只有1℃，Ht的1℃增量会产生72.6s.℃的Qη增量），纯粹的调整Ht并不理想。在偏离下限值较大的情况下，就需要调节Hb使Qη逼近下限值。由此，利用组合参数策略来实现基于冷点在最优范围下限值的控制，能够比较理想的优化回流工艺过程。

对于熔点为217℃的Sn-Ag-Cu焊膏合金，虽然其加热因子最优范围尚未明确，但可以根据对回流曲线在液相线上停留的时间要求和峰值温度的要求作出估计（对应于加热因子的积分区域形似三角形，可以用三角形面积近似）确定一个适当范围的加热因子。熔点的升高应体现在Ht和Hb的调整上，基于本文中的实验要素，将Sn-Pb合金更换为Sn-Ag-Cu合金，熔点升高（217-183=34℃），分别增高Ht和Hb约同样的温度，以（Ht=240℃，Hb=275℃）运行回流炉，可以得到576s·℃的加热因子，再参照公式（4）和（6）的线性斜率调整组合参数获得适当的加热因子，满足焊接的可靠性要求。

3 基于加热因子的回流焊过程优化分析

加热因子理论极大的方便了回流焊过程的工艺设定，它抓住了焊接的实质：焊膏合金的冶金结合，即IMC的形成过程，揭示出IMC和加热因子的密切联系，将加热因子和焊接的可靠性紧密联系起来，可以不必拘泥于回流曲线的形状，基于这一事实，我们提出了组合参数策略，仅利用两个组合参数-形状参数Ht，移动参数Hb就可以比较理想地实现加热因子最优范围下限值在冷点的预测和控制，从而大体上使组装产品上所有焊点的加热因子值都在最优范围内，满足焊接的高可靠性要求。

形状参数Ht的定义是遵循避免焊接缺陷发生及最大化保温区的定性原则，虽然不是定量的唯一，但基本上可以通用于回流焊接工艺的设定，当加热区间的数目变化时，可以参照本文对Ht的定义稍做调整。

加热因子最优范围下限值在回流焊接中利用组合参数策略在冷点的预测和控制，可以降低电子制造商对回流炉的要求，目前SMT生产线上高端回流炉的加热区已经达到十个之多。制造商企图利用较多的加热区来柔性化的逼近目标曲线的形状以改善焊接质量，而加热因子理论的提出则降低了对炉子加热区数目的要求，4个加热区已足以实现高可靠性的焊接要求。

加热因子理论和基于焊接缺陷机理分析的优化具有内在的一致性。加热因子理论从焊接的机理出发，认为焊接过程实质上是焊膏冶金结合过程，也即IMC的生长过程，IMC的厚度和焊接可靠性紧密相关，并极大程度的受加热因子的影响，适当范围的加热因子产生适当厚度的IMC，从而保证焊接的高可靠性，而基于焊接缺陷机理分析的优化是从焊接缺陷产生的机理出发，分析焊接缺陷的再发生，焊接缺陷是定性的，由此采取的优化措施也必然是定性的。只能从定性的角度推荐出一定规范的目标曲线形状，无法作出量化的规定，也没有考虑焊接的可靠性，但把明显的焊接缺陷避免了，焊接缺陷机理分析是加热因子理论实现的前提，加热因子理论是焊接缺陷机理分析的量化和升华。

4 结论

本文利用加热因子理论来优化回流焊过程，提出的我们的控制策略及实现方法，可以较快速的得到高可靠性的焊接质量。全文结论如下：

（1）根据焊点疲劳寿命随加热因子分布的特点提出了基于冷点加热因子在最优范围下限值的控制，从而使PCA上所有焊点的加热因子尽可能都在最优范围内，少部分焊点的加热因子即使稍大于最优范围的上限值，仍可形成良好焊接。

（2）根据焊点温度曲线密切逼近顶部热源设定温度曲线这一事实，我们定义了形状参数Ht：

相对于形状参数，定义了Hb这一移动参数，利用这两个组合参数控制冷点加热因子，这个策略基于加热因子理论对回流曲线的形状不作严格要求，并遵循避免焊接缺陷发生和最大化保温区时间长度的原则。

（3）利用最小平方预测方法，通过实验建立Qη与Ht和Hb的回归关系，发现Qη与Ht、Qη与Hb大体上成线性关系，Qη=72.6Ht-14111.4，Qη=31.6Hb-6895.5，这为Qη的预测和控制带来了更大的方便。

（4）针对本文的测试样品，对给定的加热因子利用公式Ht=（Qη+14111.4）/72.6和Hb=（Qη+6895.5）/31.6可以方便地得到这两个组合参数设定值：（Ht=203℃，Hb=240℃）和（Ht=205℃，Hb=237设℃）。由于温度控制参数只能取整数，实际得到的Qη总要偏离最优范围的下限值，Qη相对于Hb的鲁棒性使（Ht=205℃，Hb=237℃）成为较好的选择。

（5）本文尚没有明确对应于冷点的大热容量芯片在封装形式和尺寸上的变化对加热因子的影响，以及PCB本身厚度变化对加热因子的影响，但是可以推断它们只是影响Qη相对于Ht以及Hb为的增长斜率。由于冷点总是对应于组装产品上较大的BGA芯片，所以组装产品的变化不会导致BGA芯片在封装形式和尺寸上的较大变化，Qη相对于Ht以及Hb的增长斜率会维持在较小的变化范围，也有利于本文控制策略的实现。

（6）无铅项目的实施为本文在微电子制造中的应用带来更为广阔的空间，无铅化使焊膏的熔点温度升高，焊接工艺窗口变窄，使传统的需要匹配特定形状回流曲线的优化变得更加困难，利用加热因子理论，对无铅焊膏的加热因子适当取值，并利用本文提出的冷点下限值控制策略和组合参数策略可以方便的对无铅回流焊接实行优化控制，所不同的是只须对本文定义的两个组合参数略作调整即可。