摘 要
再流焊是表面组装技术的重要手段，随着ROHS(the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment)的实施，对无铅再流工艺现状的分析和探讨是有必要的。主要对双面组装的无铅工艺流程、回流焊接温度曲线的设置、粘接剂的应用等其他相关的问题进行了探讨。

Abstract: Reflow soldering is one of the important SMT (surface mount technology) methods. With the execution of lead-free, it is a necessary to analyze and discuss the actuality of the SMT lead-free reflow soldering process. The lead-free process of double-face mount, the setting of reflow soldering curve, the application of the adhesives and other correlative aspects have been discussed in this article.
Keywords: SMT, lead-free, reflow soldering, process

引言
2002年10月11日，欧洲议会和欧盟部长理事会批准通过了WEEE指令(waste from electrical and elec-tronic equipment)和ROHS指令。(20 03年2月13日公布)欧盟成员国将在未来18个月通过各自的关于此指令方案的法律ROHS指令要求从2006年7月1日起在新制造的电子设备中禁止使用4种重金属(铅、镉、汞、6价铬和聚溴二苯醚和聚溴联苯,现有国家相关规则必须在此时间后更改。WEEE指令除对含以上6种污染物质的报废电子电气设备的再收和处理做出特殊规定外,还规定再收费用由生产者承担,2005年8月13日前交付再收费用。
再流焊又称回流焊，作为SMT(S- urface Mount technology)的主要焊接手段，WEEE和ROHS的实施给S-MT行业带来了机遇也带来了挑战。特别给再流组装工艺带来了挑战。

1 无铅工艺介绍
1.1 SMT组装方式
SMT的组装方式及其工艺流程主要取决于表面组件SMA(Surface Mount Assemblys)的类型、使用的元件种类和组装设备条件。大体上可以分为单面混装、双面混装和全表面组装3种类型6种组装方式，如表1所列[1]。

1.2 组装工艺流程
目前，表1中的4和6为当前组装方式的主流，在此只介绍这两种工艺流程[1]。
(1)SMIC和THC混合组装在A面，SMC/SMD组装在B面，如图1所示。
(2)双表面组装工艺流程如图2所示。

2 再流焊接技术通用要求
再流焊又称回流焊，焊接可接受标准参照IPC-A-610-D。他具有波峰焊接所没有的特点：热冲击小、焊料可控、自对中效应、局部回流和焊料成分稳定的特性。
回流焊接的关键就是回流曲线的控制，随着无铅化的发展，作为无铅回流的最佳焊料是Sn3.9Ag0.6Cu±0.2, 它与传统焊料相比,在可制造性方面存在两大弊端。
(1)熔点偏高,约217℃,完全熔化温度为235℃,因此,必须提高制造过程温度,它将导致一系列不良后果。
(2)润湿性能稍差,共晶焊料的可扩散范围为93%的话,无铅焊料为73%~77%。某实验证明在同样的PCB焊盘条件下,两种焊料的润湿角有明显的差别:Sn/Pn为11.1b,Sn/Ag/Cu为33.9b[2]。
2.1 适用于无铅焊料的温度曲线
采用Sn/Pb共晶焊料的典型回流曲线通常分4个阶段,升温、保温、回流和冷却。保温阶段的温度为(150±10)℃,回流阶段的温度在183℃以上最高峰值上升30℃~40℃。而无铅焊料的金属熔点明显升高,使经过长期生产实践考验的最佳工艺参数受到挑战。因此,针对无铅焊料,很多研究推荐下列两种类型的温度曲线[3][11]。
(1)梯形温度曲线[3][4][5]
这种曲线称为梯形温度曲线,它的主要特点延长了回流区的峰值时间,使焊件在液相线以上的时间(TAL)从传统的40s~60s,延长到60s~ 90s,在回流焊的峰值温度处要保持30s~60s时间。图3是日本某几所大学联合设计的梯形温度曲线,它在回流区的时间为90s,峰值温度为230℃~240℃,峰值处的保持时间为60s。
采用梯形曲线的效果是:
(a)在高温处保持足够时间,使热容量差异较大的元器件达到热平衡,减少BGA焊点的空洞现象。
(b)由于延长了无铅焊料的液态时间,有利于克服无铅焊料润湿性能下降的弱点。
(2)渐升式温度曲线
渐升式温度曲线如图4所示[6][7]。

这种曲线称为：“帐篷式”或“三角形式”。它的主要特点是取消了保温阶段,焊件从室温缓慢上升到峰值,从而延长了升温时间,使升温速率可下降到0.8℃/s~2℃/s,但总的工艺时间却不延长(相反可适当缩短)。当然，采用这种温度曲线是有前提的，它必须使用具有良好热传递性能的回流炉，才能使焊件在到达峰值温度时,其表面的温差符合要求[3]。
采用渐升式温度曲线的效果是[3]:
(1)在不增加总时间的前提下,延长升温时间,从而避免因升温速率过快造成元器件的损伤;
(2)由于温度是线形上升,容易控制,工艺可重复性好;
(3)由于升温缓慢,使PCB板面温差(ΔT)减小,有利于克服无铅焊料导致工艺窗减小的不良因素;
(4)在采用助焊剂激化温度与无铅合金相匹配的焊膏前提下,可改善可焊性和获得光亮的焊点;
(5)与传统回流炉相比,能源消耗降低,维修比较简单。
当然,选用何种温度曲线,主要应根据无铅焊膏的金属成分的熔点、助焊剂的活性温度、回流炉的结构及功能和焊接对象的热容量等具体情况,其最终目的是在不损坏PCB及元器件的前提下获得可靠的焊接质量。
2.2无铅对回流设备的要求
无铅化的实施，由于无铅焊料的可润湿性和表面光泽度差，典型的无铅焊料Sn3.9Ag0.6Cu±0.2的熔点比Sn/Pb共晶焊料高37℃，回流时的峰值温度达到255℃～260℃，给回流设备带来了要求。
(1)增加温区[5]
由于无铅焊料的特点,使回流焊工艺温度必须升高,但升高的程度要受到诸多因数的制约,如:助焊剂的活性温度及持续时间、PCB的玻璃体转变温度(Tg)、元器件的极限温度和焊点的金属间化合物的增厚等。
因此,焊件在通过回流炉的整个过程中,对其表面温度变化的控制比传统的要求更高,因此无铅制造的回流炉温区数量应多于传统的炉子。其理由是:(a)温区越多越有利于各段温度的灵活设定和精确控制,能使温度曲线的轮廓达到更准确更接近理想设定的要求；(b)温区多，可更好地满足温度上升和下降速率的要求。
(2)良好的热传导性能
(3)氮气保护[8]
Andy为证明惰性氛围对无铅焊接的效果[2]，对两种氛围的焊点进行比较[5]，在大气下焊接的焊点有暗褐色的残留物，焊点是凹凸不平，显示未完全润湿的形貌如图5(a)所示,而在同样的焊接条件下,周围改用氮气保护，则焊点周围的残留物呈无色，润湿状况明显改善，使灰暗的无铅焊点变得光滑明亮图5(b)所示。同时, Andy的实验也证明，在大气氛围下, 将回流温度从230℃升高到250℃，对改善可焊性并无效果，只有惰性气体氛围才是改善可焊性的有效措施。

3 对钢板开口设计要求
在SMT制程中有铅焊接和无铅焊接，在开网板开口时存在差异。针对无铅锡膏流动性较差，相比较而言，无铅焊接制程的SMT网板开口面积比有铅焊接制程的SMT网板开口面积大。一般而言，针对有铅焊料，网板开口的宽厚比>1.5，面积比>0.66；而对于无铅焊料，网板开口的宽厚比>1.6，面积比>0.7[1]，具体元器件开口大小请参考相关设计准则。
例如：

4 粘胶剂的应用
为了在回流焊接时候，防止元器件的脱落，在进行贴片前先点胶，由于在回流焊接时，焊料融化时的表面张力，对于引脚多的QFP、BGA等不会脱落，其余的重量大、引脚少的元器件必须点胶。
4.1 粘胶剂的性能要求[9]
在实际使用的过程中，对粘胶剂工艺的要求为：
(1)未固化的粘胶剂必须有足够的粘接湿强度，可以将安装好的组件固定在原位上不会产生移动。
(2)固化后的粘胶剂必须有足够的粘接强度，在储存、搬运和回流焊接中可以将组装好的组件固定在电路板上而不至于脱落(固化后在260℃左右，5s内，粘接强度要求至少保持2N)。
(3)焊接后残余粘接剂不影响电路，不腐蚀电路基板及元器件。
4.2点胶方法
点胶的主要方法包括：针式转移、注射法和模板印刷。他们各个的优却点和适应范围见参考文献[1]。

5 贴片、固化及回流焊接
贴片可以使用高速贴片机和通用贴片机进行SMC/SMD和IC的贴装。不同等级的粘胶剂其固化温度和时间不完全相同，即使同种粘胶剂所采用的固化温度不同其相应的固化时间也不相同。图8为环氧树脂固化温度曲线，环氧树脂粘胶剂加温固化，最低温度为80℃，通常取110℃～160℃，时间为1～5min，一般在150℃下保持90s或者在125℃下保持3min，便能完全固化[9]。回流焊接比较重要的技术环节，必须首先确定工艺参数，设置回流炉温度，确定回流焊接温度曲线并进行试产。检测达到预期目标时再进行规模生产。

6 再流焊接工艺发展趋势
随着电子封装技术的不断发展，CSP等一系列小型化、微型化芯片的出现和组装高密度的要求，回流焊接技术将得到越来越多的重视和利用。无铅化过程中，无铅工艺在实际应用中应该避免两种倾向，一是将无铅替代工作简单化，二是将无铅替换工作神秘化[10]。随着无铅焊料技术的发展，无铅回流工艺将得到发展。随着SMT技术的发展，传统的目检、镜检已经远远不能满足检验的要求，因此引进SMT检测设备也应该在考虑范围之内。

7 结论
    正如本文一开始所述，2006年7月1日早已经过去，无铅化已经普及开来，但是针对无铅必须有相应的组装工艺，本文基于此目的对SMT无铅再流工艺技术进行了探讨，本意是给准备涉及SMT行业的工程技术人员介绍有关的素材和一般设计准则。由于笔者的水平和掌握的资料有限，肯定是不很完全的，有遗漏和不妥之处，请读者给予批评指正。同时本文引用和参考了许多学者的文献资料，在此一并致谢。

参考文献

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