表面组装焊接技术的新发展
葛瑞摘要介绍波峰焊和再流焊技术的新发展,对其中无挥发有机化合物焊接VOC Free 和穿孔回流焊PIHR技术作了详细说明.
关键词 表面组装 波峰焊 再流焊 无挥发有机化合物 穿孔回流焊
Development of SMT Soldering Technology
Abstract Mainly discuss the recent development of wave soldering and reflow soldering technology.And also introduce some details in VOC(volatile organic compounds)free and PIHR (pin in hole reflow).
Keywords SMT Wave soldering Rflow soldeing VOC free PIHR
进入80年代以后,由于表面组装技术的发展和普及,电子装联已从传统的通孔插装方式逐步向表面组装拓展、过渡.电子装联基本方式有通孔插装、表面贴装以及插装/贴装混合组装三种工艺,国内电子、通信产业目前电子组装作业以通孔插装和贴装/插装混合组装两种方式占大多数,并迅速向插装/贴装混合组装和全贴装转化过渡,焊接方式大多采用波峰焊和再流焊.
1 波峰焊技术的发展和无挥发有机化合物焊接
波峰焊工艺自50年代开始使用至今在设备技术、焊接质量以及普及程度有大的飞跃,高技术投资类电子、通信产业近期选用的波峰焊与80年代用于家电引进线的工艺和设备在技术上有大的改进,技术发展的重点在免清洗、无挥发有机化合物焊接、充氮、免焊剂焊接.
免清洗焊接的主要方法是使用低固体含量少残留无卤化物焊剂,固体含量0.5%~0.4%,一般为1.5%~2%,无卤化物可减少离子污染和腐蚀性.
低固体含量焊剂用传统的发泡方式涂布效果差,因此免清洗焊剂最好使用超声喷雾、空气喷雾或滚筒喷雾的涂布方法.
传统上使用的焊剂均以醇类、酯类等挥发性有机化合物VOC(Volatile Organic Compounds)作主溶剂.VOC作为主溶剂的焊剂,在常温下很容易蒸发融入空气中形成臭氧层,这种臭氧层与保护地球避免受到紫外线伤害的同温层臭氧层不同,它是在低气层的VOC在光化学作用下产生的轻雾,这种混在空气中的烟雾对人的呼吸道及其他生物健康有不良影响,因此国外许多地区为了净化空气已控制使用VOC,
焊枪配件,如1990年美国环境保护部已制定了"空气清洁法令"限制易发挥有机化合物的使用量.可以预见在不久的将来继美国和经济发达国家环保部门之后,其他各国政府也会提出对VOC污染环境的对策并限制VOC的使用.
国外不少生产电子产品的公司如Interflux,Multicore,Kester已于90年代初期就开始对不含挥发有机化合物(VOC Free)助焊剂的研究,产品已投放市场.这类焊剂是以去离子水为主溶剂加入活性剂、发泡剂、接触剂、防菌剂、非VOC溶剂等按一定配比组成的,使用这种焊剂有以下优点:
在使用过程中不会产生污染环境有害人类健康和生物伤害的烟雾;
这种焊剂无易燃易爆成分,可保证运输、储放安全;
水的挥发性小,组份稳定性好,没有酒精类助焊剂那种吸收水分现象,酸值比较稳定.可以不加稀释剂单组份使用,控制管理方便;
实现了免清洗,与VOC免清洗焊剂相比,使用剂量较少,在印制板上残留物更少.经离子污染度测试证明,VOC Free焊剂符合免洗类液态焊剂技术条件,离子污染度小于2mg/cm2NaCl.
VOC Free焊剂是一种新型材料,在初次使用前须根据设备工艺条件对以下内容做全面考虑和相应实验,例如VOC Free主溶剂是水,它的热容量大,挥发慢,要求焊接设备有充分的预热条件,否则在焊接时会爆锡珠.
水的冰点是0℃,而IPA(异丙醇)冰点是-90℃,所以VOC Free运输、储存、使用时温度不能太低.
VOC Free焊剂及其蒸气是否会使焊剂管路、发泡部分或喷雾头以及波峰焊其他构件造成锈蚀,是否会有微生物生长.
根据我公司1997年12月至1998年5月半年多试用情况表明,以上问题并未发生,使用情况良好.
在国内使用充氮波峰焊是1995年以后开始的,选用的充氮波峰焊机品牌有ELECTROVERT(美、加)、SOLTEC(荷兰)、ERSA(德)、SEHO(德)、EPM(瑞士)等.
波峰焊充氮区段的结构分隧道式(Tunnel)和头罩式(Hood)二种,隧道式是将待焊印制板在密封充氮管道内进行预热、焊接,头罩式是在焊接波峰口上装有氮气罩,氮气仅覆盖在焊料的溢出口焊接部位.
隧道式充氮管道内可装含氧量检测仪,按设定含氧量数据自动检测并控制充氮流量,这种结构能有效提高焊接质量还可减少焊槽焊料氧化,但耗用氮气量多.头罩式充氮波峰焊的充氮部位不设含氧量检测,其耗氮量较少,维修方便.
无助焊剂波峰焊工艺是解决印制板洁净度的有效方法.目前免焊剂焊接使用的技术有等离子轰击法、超声波法、蚁酸法等.只有免焊剂进行波峰焊才能彻底解决印制板残留污染问题,所以这项技术是当前波峰焊接工艺主攻课题之一.免焊剂波峰焊设备在欧洲已有使用,但至今未见在国内采用该项工艺设备.
2 再流焊技术的发展和穿孔回流焊
近十年随着电子装联向表面组装转化,再流焊工艺技术有了很大的发展和很快的普及,它已取代以前的气相焊并有逐步取代波峰焊的趋势.
再流焊技术发展的热点在用先进热传递方式达到节能、温度均匀,适应双面贴装印制板和新的器件封装方式焊接要求,取代波峰焊实现穿孔回流焊.
再流焊的热传递方式经历了远红外线mm全热风mm红外/热风三个阶段.
80年代使用的远红外再流焊具有加热快、节能、运行平稳的特点,但由于印制板及各种元器件因材质、色泽不同而对辐射热吸收率有很大差别,造成电路板上各种不同元器件以及其不同部位温度不均匀,即局部温差.例如集成电路的的黑色塑料封装体上会因辐射热吸收率高而过热,而其焊接部位mm银白色引线上反而温度低产生假焊.另外,印制板上热辐射被阻(遮)挡的部位,例如在大(高)元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件会因加热不足而造成焊接不良.
为克服远红外线再流焊的温差和阴影效应,90年代很多公司采用了全热风加热方式强制对流加热.但强制对流方式必须采用高的风速,致使氧化增加,在焊接(或点胶固化)的印制板为薄板时抖动增加造成元器件移位,在双面贴装的情况下底面元器件跌落.此外,这种加热方式耗电多,热穿透力差,对多层印制板及诸如BGA、CSP等新的器件封装方式的焊接部位升温慢.
90年代中期再流焊已向红外线热风加热方式转移,日本ANTOM/SONY等公司已全面采用这种再流焊,它是按30%红外线,70%热风作热能载体进行加热.远红外线波长范围控制在3~10 mm,中心波长4.5mm,在此波段的红外线可与印制板基板、阻焊膜、高分子焊剂共振发出热量,4.5mm又是最适合炉内空气分子加热的波长,所以热效率高,节省能源(据称可节电10%~50%).炉内风速控制在1.0~168m/s以内,相当于强制对流加热风速一半以下,因此运行平稳,
任丘焊接配件,印制板抖动小.由于远红外线的辐射穿透力强,更适合于多层印制板及BGA、CSP等新的器件封装方式.
用于细间距高密度组装焊接的再流焊可采用氮气保护.在氮气保护条件下进行焊接可防止氧化,提高焊接润湿力,润湿速度加快,对未贴正的元器件矫正力大,焊珠减少,更适合于免清洗工艺.
氮气保护再流焊炉内氧含量一般设定为500t10-6,指标越高(含氧量越少),对氮气源纯度要求越高,氮气使用量也要增加,可以说过高的指标无异于向大海倒水.
高密度组装发展,在双面贴装电路板两面都贴有大片IC,为避免第二面焊接时元器件移位或掉片,或当第二面加热时第一面(下面)装有不能受热元器件,例如第一面的钽电容加热温度不宜超过85 ℃而第二面须设定120℃使胶水固化时,这种条件下必须在印制板上下设定适当温差,以保证第一面已贴好的IC不会重熔移位或元器件因加热损坏.今后的PIHR工艺再流焊炉已可做到焊接面为240℃时,元件面在150℃以下,以避免元器件受热损坏.
再流焊和波峰焊都属于高效率的"群焊"焊接方式,在单面或双面全贴装电路板上一般是用再流焊进行焊接,插装电路板和贴装/插装混装电路板的B面以前都用波峰焊焊接.由于高密度安装的发展,贴装率迅速提高,贴装元器件逐步取代插装元件,在电路板上的通孔插件焊点越来越少.
贴装元器件高密度安装以及选用小型、细间距元器件的结果,使用波峰焊接时桥接、漏焊增加,后工序检查难度增加,补焊工作量加大.
另外在波峰焊接过程中印制板须整板涂焊剂,
任丘焊枪配件,离子污染和有害残余物难以消除,又印制板在波峰焊槽内受热冲击容易产生翘曲变形,
焊接配件,因此波峰焊接方式已在很多方面不能适应电子装联技术的发展.
为适应表面组装发展,解决以上焊接难点的措施是采用穿孔回流焊PIHR(Pin-In-Hole Reflow),这是用管嘴(针管)漏印焊膏,用再流焊焊接通孔引线元器件的新工艺,最近几年发展很快,已有逐步取代波峰焊的趋势.
穿孔回流焊PIHR工艺流程见图1.
图1中焊料分配是用管嘴(针管)漏印法,先逐块将印制板放在印制板托盘上(见图2),并由定位系统对准管嘴孔,再用刮板将焊料盘上的焊膏涂布在印制板的引线焊接孔位(焊盘)上.
穿孔再流焊的焊接方式可以使用一般隧道式回流焊,对于定型批量产品可用针管(管嘴)回流焊(见图3),针管(管嘴)回流焊仅在焊点部位加热,可避免热效应对印制板和元器件的不良影响,能源也可节省.
据1997年10月接待的日本一公司称,SONY、FUJITSU、HITACHI、NEC等公司已普遍采用PIHR工艺,SONY公司有在1~2年内以穿孔回流焊全面取代波峰焊的计划.
图1 PIHR工艺流程
图2 PIHR焊料涂布
图3 PIHR回流焊
目前我国生产调谐器的企业和高技术、经济附加值的一些通信产品已率先使用PIHR工艺,预计不远的将来这项新工艺将会被普遍采用.
作者简介:葛瑞,男,高级工程师,长期从事电子通信专业工艺技术工作.
作者单位:东方通信股份有限公司 (杭州310013)
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