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摘要：SMT免清洗焊接技术是一项新的工艺，焊接质量直接影响SMT工艺质量。本文详细阐述了影响免清洗焊接质量的两个关键因素：免清洗焊膏的选择和温度曲线的设定，并举实例加以说明。
关键词：免清洗焊膏;焊接质量;温度曲线;再流焊
The Soldering Quality Control in No-clean Technology
Jiang Ping
(Guilin University of Electronic Technology)
Abstract: No-clean soldering technology is a new process, its soldering quality affect SMT process quality directly. Two key factors of affecting No-clean soldering quality are expounded in this paper, they are the select of No-clean solder-paste and reflow profile, and explain it through the concrete.
Key words: No-clean solder-paste; Soldering quality; Reflow profile; Reflow
概论
近年来随着保护大气臭氧层，淘汰臭氧耗损物质(ODS)工作的深入开展和表面组装技术(SMT)的迅速发展，越来越多的厂家选用或正准备选用免清洗焊接技术，特别是使用低固含量免洗焊膏的免清洗焊接技术得到了迅速发展。但是免清洗技术虽然发展了20多年，但技术并不完善，最主要的就是并不能保证一个非常好的免清洗焊接质量，这也直接影响了整个SMT工艺质量。然而要保证免清洗焊接的质量涉及因素较多；首先，免清洗焊接是一个综合工艺过程，要求印制板(PCB)及原始材料的预控制，PCB要干净、少污染，所用元器件的清洁程度和可焊性都必须保证；其次，免洗焊膏的质量，最佳的工艺条件以及完善免清洗焊接质量的检测方法，都必须认真考虑，才能获得最佳的焊接效果。不过这里面最关键的是免清洗焊膏的选择以及焊接温度曲线的设定控制。下面也将着重讨论这两种影响因素。
1 免清洗焊膏的选择
目前，国内外有许多免清洗焊膏得到了开发和应用，但质量参差不齐。众所周知，一种好的免清洗焊膏应具备下列条件：
(1).可焊性好，焊点质量高，疵点率极低，不产生焊球、桥焊、拉尖或墓碑现象；
(2).气味小、烟雾少，无毒性；
(3).与元器件和PCB所用材料匹配性好；
(4).不需要更换现有焊接设备，或只需添置少许设备；
(5).焊膏本身固体含量低，焊后残留极少，无粘性；
(6).焊后无腐蚀，具有较高的表面绝缘电阻(SIR)值。
从焊接质量考虑，关键是可焊性好，焊后残留极少，并具有较高的SIR值，它们反映了焊点的质量、PCB的洁净度和电性能，同时也能反映出产品的长期稳定性。所用的活性剂在焊接条件下能升华、挥发或分解，在焊接后表面干净，不留任何有损PCB和元器件的物质，因此，PCB焊后无需清洗即可满足美国军标MIL-P-28809A对离子洁净度的要求。
1.1 免清洗焊膏的类型
免清洗焊膏是由合金粉末和焊剂系统均匀混合而成的膏状体。合金粉末的主要材料是Sn-Pb﹑Sn-Pb-Ag等，组成主要有Sn63/Pb37和Sn62/Pb36/Ag2；焊剂系统包括焊剂﹑粘接剂﹑活化剂﹑溶剂和触变剂。按其所含的焊剂系统不同可分为：
(1) 高活性无卤化物免清洗焊膏；
(2) 低卤化物﹑低气味免清洗焊膏。
1.2 免清洗焊膏的选择
下面将列出一个几种焊膏性能的表格，分别说明了这几种常用焊膏的合金组成，熔点，目数/形状，助焊剂含量，氯离子含量以及其粘度，这些焊膏根据其性能的不同用途也有所差异。
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牌号 |
合金组成
（Wt%） |
熔点
(℃) |
目数
形状 |
助焊剂含
量（Wt%） |
氯离子
含量（%） |
粘度
(Pa/s) |
用途 |
|
SQ-1025SZH-1 |
63Sn/37PbDDD |
183 |
250/球形 |
10.0 |
0.2 |
400 |
0.65mm片
状器件用 |
|
SQ-2030SZH-1 |
62Sn/36Pb/
2Ag |
179 |
300/球形 |
10.2 |
0.2 |
450 |
0.5mm片
状器件用 |
|
SQ-1030SZ
（EX-3） |
63Sn/37Pb |
183 |
300/球形 |
10.5 |
0.2 |
600 |
高速贴片用 |
|
SQ-1030SOM |
63Sn/37Pb |
183 |
300/球形 |
9.0 |
0 |
350 |
免清洗 |
|
2062-506A
-40-9.5 |
62Sn/36Pb/
2Ag |
178-
192 |
325/球形 |
9.5 |
0 |
330 |
水清洗 |
表1
焊膏的选择要依据所生产的SMA中的元器件的种类、引脚间距、采用的模板、生产工艺等情况进行，原则如下：
(1) 对于细间距的SMD，要求免清洗焊膏金属颗粒细小，球形直径D=10-30 [zhy1] µm，粘度高（800—1300Pa.s），熔点低于150℃；
(2) 对于热敏SMD，要求焊膏熔点低，可考虑使用含铋的焊膏；
(3) 对于钢模漏板，粘度可为300—950Pa.s；
(4) 从印刷工艺考虑，要求焊膏具有优良的脱膜性，一定的粘度和不易坍塌；
(5) 从再流焊工艺考虑，要求焊膏具有良好的润湿性能，最小量的焊料球，飞溅少，焊接强度高。
1.3 实例
例如生产一批SMA通讯电子产品，PCB的尺寸为380mm×270mm，共有贴装IC72个，贴装RC、SOT等872个。焊膏通过钢模漏板印刷到380×270mm的PCB上，然后，贴片，作再流焊。
为满足用户对产品质量的要求，根据产品中SMD，生产工艺，依照上面表1所列出的几种焊膏的性能，我们选择的焊膏材料如下表：
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焊料合金 |
63Sn/37Pb |
|
助焊剂 |
活化剂 |
羟基多元有机酸 |
|
溶剂 |
乙醇和乙二醇的混合醇 |
|
成膜物质 |
丙烯酸树脂 |
表2 免清洗焊膏的材料
合金焊料采用63Sn/37Pb，它的熔点较低，使被焊接器件的应力和变形很小，能保证焊接尺寸，同时对电子器件的性能影响很小，而且具有良好的导电性和钎焊性，热阻也小，是微电子元件的首选材料。助焊剂中活化剂使用羟基多元有机酸润湿力强，而溶剂采用混合醇保护性好，又有适当的黏度；成膜物质丙烯酸树脂具有无腐蚀，防潮及三防性能优异。
焊膏特性如下表：
|
合金
W/% |
熔点
t/℃ |
球形粉直径
D/µm |
助焊剂
W/% |
氯离子
W/% |
粘度
η/Pa.s |
|
63Sn/37Pb |
183 |
25-75 |
9.0 |
0 |
550-800 |
表3 焊膏特性
2 再流温度曲线的设定
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，并保持它。一条优化的再流温度曲线将满足高品质、低缺陷的焊接要求。
影响再流温度曲线变化的因素很多，与再流炉的性能、采用的工艺材料、PCB板的厚度和质地、板上元器件种类及布局等有关。所以对于SMT生产线工艺工程师来说，再流温度曲线的优化设定是一件难而又非常重要的事。要想做好这项工作，首先要对理想的温度曲线有一个基本的认识。目前典型的再流温度曲线有两种：一种为升温—保温—再流温度曲线，这种温度曲线经常用于以前的以红外加热为主的再流焊工艺；另一种为升温--峰值再流温度曲线，由于新式强制对流热风炉的出现和免清洗焊膏的广泛使用，它已成为现今比较流行的一种再流温度曲线。下面着重介绍升温-峰值再流温度曲线设定方法，适用于大多数合金成分为Sn63/Pb37和Sn62/Pb36/Ag2的免清洗焊膏。
2.1 设定再流温度曲线所需的工具
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的工具和焊膏特性参数表。
现在经常使用的测温仪分为两类：一种为实时测温仪，即时传送温度/时间数据并绘出曲线图形；另一种测温仪采样并储存数据，然后上载到计算机，再在计算机上分析处理。所选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：
(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。
热电偶附着于PCB的位置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,图形如下：
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/20059810231332.jpg[/upload]
2.2 再流温度曲线的设定
免清洗焊接理想温度曲线大致可分为五个区---第一升温区，预热区，第二升温区，再流区和冷却区。前面四个区加热，最后一个区冷却。如下图所示：
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/200598102342936.jpg[/upload]
第一升温区，将PCB组件从环境温度加热到100℃。在这个区，由于受基板材料与元件的限制，PCB组件温度以2-3℃/s的速率连续上升，最理想为接近2℃/s，时间大约为60s左右。温度升得太快会对元件造成热冲击或导致PCB板变形。
预热区，温度从100℃上升到150℃，它的主要功能是提供足够的热能令焊膏中的助焊剂开始活化将金属氧化物和某些污物从焊盘，元件引脚和焊膏金属颗粒上清除，与此同时，挥发性的溶剂和水汽从焊膏中挥发。这个区的标准时间是70—120s（不同的焊膏略为不同）。预热时间不足或过长皆能导致后期焊锡球的产生，这也是免清洗焊接主要的缺陷。
第二升温区，温度从150℃上升到183℃，这个区是助焊剂活化高峰期，于焊接前最后氧化物作最后分解，一般时间为30—40s，尽量靠近30s为佳。时间过长会使助焊剂中的松香过早耗尽引起再氧化，令焊接不良或焊料球产生。
焊接区，温度从183℃上升到峰值温度再至183℃，在这个区焊膏中金属颗粒首先单独熔化，并开始液化在所有可能的表面上覆盖，当单个的金属颗粒全部熔化后，结合在一起形成液态焊料，峰值温度的设定一般为焊膏熔点加上35℃。这个区的时间为40—60s，视元件大小和多少而不同。假如这个区的温度设定太高，会使其温升斜率超过2—3℃/s，或达到的再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再流区曲线成镜像关系。冷却速率应控制在4℃/s之内，较快的冷却速率可得到详细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊点。但太快会引起元件内部的热应力。
2.3 设定温度曲线的步骤
启动机器前需确定所有参数，包括炉子传送带速度，设定各个温区的温度，调整冷却风扇速度，强制空气冲击力和惰性气体流量。接着启动机器，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。
首先找温度测试点。一般情况下，PCB板上的温度最低点和最高点，以及敏感性元件的焊点和元器件体的中心都可以作为测试点。典型的温度最低点，是在PCB中央，对应于大型器件如QFP，PLCC和BGA等中心的引脚处；温度最高点是PCB边缘的小型器件如电阻，电容的焊端。测试点通常最少为3—4个。考虑到PCB尺寸大小，敏感元件的因素，可以适当增加测试点。再用适当的方法把热电偶附着到PCB的测试点后，将PCB放入传送轨道，打开测温仪开关，测温仪开始采集数据。将采集到的数据上载到计算机后，绘出温度曲线，这时可以与焊膏制造商推荐的理想曲线进行比较。首先，必须保证从环境温度到再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，应该从左到右的顺序进行调整，例如，如果预热区和再流区都不一致，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，绘出一条新的曲线。因为前一区的参数发生改变，后面各区的结果将随之而变。在调整参数时，建议新手调整幅度稍小一点。这样反复调整参数，当最后的曲线图与理想的温度曲线相吻合，存储该设定参数以备后用。
2.4 实例
针对上面1.3的例子，建立的温度曲线如下：
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/200598102352420.jpg[/upload]
由上面的温度曲线可知：
A段：升温区，温度从环境温度上升到100℃，时间大约为120s左右，在这个区温度不能升得太快，否则会对元件造成热冲击或导致PCB板变形。
B段：这一段是保温段，温度在100-160℃之间，温度升高速率低于2℃/s，并在150℃左右有一个30-60s的平台。这个区的时间不足或过长皆能导致后期焊球的产生。
C段：这一段为焊接区，温度从接近熔点温度183℃上升至峰值温度再至183℃。焊接的峰值温度为210-230℃，超过熔点的持续时间20-30s。
D段：降温段，也即冷却区。冷却速率应控制在4℃/s之内，冷却速率过快可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊点。但太快会引起元件内部的热应力。
2 结论
免清洗焊接是一个综合的工艺过程，其焊接质量的影响因素除了上面讨论的焊膏选择和温度曲线设定控制外，还涉及到PCB板和元器件的清洁度，所选用的工艺条件等其它问题。只有抓住重点，通过实践不断的总结摸索出一套适合产品的最优方案，才能获得优良的免清洗焊接质量。
参考文献：
[1] 宣大荣 表面组装技术 北京：电子工业出版社，1994
[2] 龙绪明 现代实用电子SMT设计制造技术，2002
[3] 张彩云，李民，蔡克新 免清洗回流焊接温度曲线设定及焊接缺陷排除 电子工艺技术，2001（3）
[4] Tohm Shiloh How to Profile a PCB SMT,2000,14(2)
Phil Zarrow Soldering SMT,2000,14(8
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江平 马孝松<|||>
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桂林电子工业学院<|||>
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2005-9-8 |
