?????? 本文介紹，世界范圍內(nèi)無鉛錫膏的實(shí)施出現(xiàn)加快，隨著元件變得更加形形色色，從大的球柵陣列(BGA)到不斷更密間距的零件，要求新的回流焊接爐來提供更精確控制的熱傳導(dǎo)。 表一、典型的無鉛焊錫特性 合金 熔點(diǎn) 蠕變強(qiáng)度 熔濕 熱阻 Sn/3.5Ag 216~221°C 良好 一般 良好 Sn/3.5Ag/0.7Cu 共晶 Sn/3.5Ag/4.8Bi Sn/5.8Bi 139~200°C 一般 一般 良好 Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5Cu Sn/0.7Cu 227°C 一般 ？ ？ Sn/9.0Zn 190~199°C 良好 一般 良好 Sn/8.0Zn/3.0Bi 共晶

　　表一與表二列出了典型的無鉛(lead-free)錫膏(solder paste)的特性和熔濕(wetting)參數(shù)。顯示各種無鉛材料(不包括那些含鉍)的主要金屬成分和特性的表一，揭示它們具有比傳統(tǒng)的Sn/Pb錫膏更高的熔化溫度。從表二中在銅上的熔濕參數(shù)可以清楚地看到，它們也不如Sn63/Pb37錫膏熔濕得那么好。更進(jìn)一步，其它的試驗(yàn)已經(jīng)證明當(dāng)Sn63/Pb37錫膏的可擴(kuò)散能力為93%時(shí)，無鉛錫膏的擴(kuò)散范圍為73~77%。

　　Sn63/Pb37錫膏的回流條件是熔點(diǎn)溫度為183°C，在小元件上引腳的峰值溫度達(dá)到240°C，而大元件上得到210°C。可是，大小元件之間這30°C的差別不影響其壽命。這是因?yàn)楹附狱c(diǎn)是在高于錫膏熔化溫度的27~57°C時(shí)形成的。由于金屬可溶濕性通常在較高溫度時(shí)提高，所以這些條件對(duì)生產(chǎn)是有利的。

　　可是，對(duì)于無鉛錫膏，比如Sn/Ag成分的熔點(diǎn)變成216~221°C。這造成加熱的大元件引腳要高于230°C以保證熔濕。如果小元件上引腳的峰值溫度保持在240°C，那么大小元件之間的溫度差別減少到小于10°C。這也戲劇性地減少錫膏熔點(diǎn)與峰值回流焊接溫度之間的差別，如圖一所示。這里，回流焊接爐必須減少大小元件之間的峰值溫度差別，和維持穩(wěn)定的溫度曲線在整個(gè)印刷電路板(PCB)在線通過的過程中，以得到高生產(chǎn)率水平。 表二、銅上的熔濕參數(shù)* 合金 溫度°C 接觸角度 時(shí)間(s) 63Sn/37Pb 260 17 3.8 96.5Sn/3.5Ag 260 36 2.0 95.0Sn/5.0Sb 280 43 3.3 42.0Sn/58.0Bi 195 43 9.3 50.0Sn/50.0In 215 63 14.2 *From IPC Works''99, "Lead-free Solders" by Dr. J. Hwang. 峰值溫度維護(hù)　　也必須考慮要加熱的零件的熱容量和傳導(dǎo)時(shí)間。這對(duì)BGA特別如此，其身體(和PCB)首先加熱。然后熱傳導(dǎo)到焊盤和BGA錫球，以形成焊點(diǎn)。例如，如果230°C的空氣作用在包裝表面 - 焊盤與BGA錫球?qū)⒅饾u加熱而不是立即加熱。因此，為了防止溫度沖擊，包裝元件一定不要在回流區(qū)過熱，在焊盤與BGA錫球被加熱形成焊接點(diǎn)的時(shí)候。 回流爐加熱系統(tǒng)　　兩種最常見的回流加熱方法是對(duì)流空氣與紅外輻射(IR, infrared radiation)。對(duì)流使用空氣作傳導(dǎo)熱量的媒介，對(duì)加熱那些從板上“凸出”的元件，比如引腳與小零件，是理想的?？墒?，在該過程中，在對(duì)流空氣與PCB之間的一個(gè)“邊界層”形成了，使得熱傳導(dǎo)到后者效率不高，如圖二所示。

　　用IR方法，紅外加熱器通過電磁波傳導(dǎo)能量，如果控制適當(dāng)，它將均勻地加熱元件?？墒牵绻麤]有控制，PCB和元件過熱可能發(fā)生。IR機(jī)制，如燈管和加熱棒，局限于表面區(qū)域，大多數(shù)熱傳導(dǎo)集中在PCB的直接下方，妨礙均勻覆蓋。因?yàn)檫@個(gè)理由，IR加熱器必須大于所要加熱的板，以保證均衡的熱傳導(dǎo)和有足夠的熱量防止PCB冷卻?！　∪N熱傳導(dǎo)機(jī)制中 - 傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流 - 只有后兩者可通過回流爐控制。通過輻射的熱傳導(dǎo)是高效和大功率的，如下面的方程式所表示： T(K) e = bT4 　　這里熱能或輻射的發(fā)射功率 e 是與其絕對(duì)溫度的四次方成比例的，b 是Stefan-Boltzman常數(shù)。　　因?yàn)榧t外加熱的熱傳導(dǎo)功率對(duì)熱源的溫度非常敏感，所以要求準(zhǔn)確控制。而對(duì)流加熱沒有輻射那么大的功率，它可以提供良好的、均勻的加熱。 IR + 強(qiáng)制對(duì)流加熱　　今天的最先進(jìn)的回流爐技術(shù)結(jié)合了對(duì)流與紅外輻射加熱兩者的優(yōu)點(diǎn)。元件之間的峰值溫度差別可以保持在8°C，同時(shí)在連續(xù)大量生產(chǎn)期間PCB之間的溫度差別可穩(wěn)定在大約1°C?！　R + 強(qiáng)制對(duì)流的基本概念是，使用紅外作為主要的加熱源達(dá)到最佳的熱傳導(dǎo)，并且抓住對(duì)流的均衡加熱特性以減少元件與PCB之間的溫度差別。對(duì)流在加熱大熱容量的元件時(shí)有幫助，諸如BGA，同時(shí)對(duì)較小熱容量元件的冷卻有幫助。

　　在圖三中，(1)代表具有大熱容量的元件的加熱曲線，(2)是小熱容量的元件。如果只使用一個(gè)熱源，不管是IR或者對(duì)流，將發(fā)生所示的加熱不一致。當(dāng)只有IR用作主熱源時(shí)，將得到實(shí)線所示的曲線結(jié)果?？墒牵摼€所描述的加熱曲線顯示了IR/強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，這里增加強(qiáng)制對(duì)流的作用是，加熱低于設(shè)定溫度的元件，而冷卻已經(jīng)升高到熱空氣溫度之上的那些零件?！　∠冗M(jìn)回流焊接爐的第二個(gè)特點(diǎn)是其更有效地傳導(dǎo)對(duì)流熱量給PCB的能力。圖四比較傳統(tǒng)噴嘴對(duì)流加熱與強(qiáng)制對(duì)流加熱的熱傳導(dǎo)特性。后面的技術(shù)可均勻地將熱傳導(dǎo)給PCB和元件，效率是噴嘴對(duì)流的三倍。

　　最后，不象用于較舊的回流焊接爐中的加熱棒和燈管型IR加熱器，這個(gè)較新一代的系統(tǒng)使用一個(gè)比PCB大許多的IR盤式加熱器，以保證均勻加熱(圖五)。

??????PCB加熱偏差

　　一個(gè)試驗(yàn)設(shè)法比較QFP140P與PCB之間的、45mm的BGA與PCB之間在三種條件下的溫度差別：當(dāng)只有IR盤式加熱器的回流時(shí)、只有對(duì)流加熱和使用結(jié)合IR/強(qiáng)制對(duì)流加熱的系統(tǒng)。

　　對(duì)流回流產(chǎn)生在QFP140P與PCB之間22°C的溫度差(在預(yù)熱期間PCB插入后的70秒)。相反，通過結(jié)合式系統(tǒng)加熱結(jié)果只有7°C的溫度不一致，而45mm的BGA對(duì)流加熱結(jié)果是9°C的溫度差別，結(jié)合式系統(tǒng)將這個(gè)溫度差減少到3°C。另外，在PCB與45mm的BGA之間的峰值溫度差別當(dāng)用結(jié)合式系統(tǒng)回流時(shí)只有12°C，使用的是傳統(tǒng)的溫度曲線設(shè)定。這個(gè)差別使用梯形曲線可減少到8°C，如后面所述。(在連續(xù)大生產(chǎn)中，回流爐中的溫度不穩(wěn)定在使用無鉛錫膏時(shí)將有重大影響。試驗(yàn)已經(jīng)顯示尺寸為250x330x1.6mm的PCB、分開5cm插入，其峰值溫度在大約1°C之內(nèi)。) 最佳回流溫度曲線　　對(duì)于無鉛錫膏，元件之間的溫度差別必須盡可能地小。這也可通過調(diào)節(jié)回流曲線達(dá)到。用傳統(tǒng)的溫度曲線，雖然當(dāng)板形成峰值溫度時(shí)元件之間的溫度差別是不可避免的，但可以通過幾個(gè)方法來減少：　　延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間。這大大減少在形成峰值回流溫度之前元件之間的溫度差。大多數(shù)對(duì)流回流爐使用這個(gè)方法?？墒牵?yàn)橹竸┛赡芡ㄟ^這個(gè)方法蒸發(fā)太快，它可能造成熔濕(wetting)差，由于引腳與焊盤的氧化。

　　提高預(yù)熱溫度。傳統(tǒng)的預(yù)熱溫度一般在140~160°C，可能要對(duì)無鉛焊錫提高到170~190°C。提高預(yù)熱溫度減少所要求的形成峰值溫度，這反過來減少元件(焊盤)之間的溫度差別?？墒牵绻竸┎荒芙蛹{較高的溫度水平，它又將蒸發(fā)，造成熔濕差，因?yàn)楹副P引腳氧化?！　√菪螠囟惹€(延長(zhǎng)的峰值溫度)。延長(zhǎng)小熱容量元件的峰值溫度時(shí)間，將允許元件與大熱容量的元件達(dá)到所要求的回流溫度，避免較小元件的過熱。使用梯形溫度曲線，如圖六所示，一個(gè)現(xiàn)代結(jié)合式回流系統(tǒng)可減少45mm的BGA與小型引腳包裝(SOP, small outline package)身體的之間的溫度差到8°C。 氮?dú)饣亓鳡t　　無鉛錫膏可能出現(xiàn)熔濕的困難，因?yàn)槠淙刍瘻囟韧ǔ８撸诜逯祷亓鳒囟戎g的溫度差不是很大。另外，無鉛錫膏的金屬成分一般特性是可擴(kuò)散性差。而且，高熔點(diǎn)的無鉛錫膏在貼裝頂面和底面PCB時(shí)將產(chǎn)生問題。在A面回流焊接期間，越高的溫度B面焊盤氧化越嚴(yán)重。在200°C之上，氧化膜的厚度迅速增加，這可能導(dǎo)致在回流B面時(shí)熔濕性差。　　具有Sn/Zn成分的錫膏也可能出現(xiàn)問題(Zn容易氧化)。如果氧化發(fā)生，焊錫將不能與其它金屬融合。因此，將要求氮?dú)獾氖褂?，以維持無鉛工藝的高生產(chǎn)力。

　　在以IR盤式加熱器為主要熱源的結(jié)合式IR/強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)中(對(duì)流是均勻加熱媒介)，氮?dú)獾南目蓽p少到少于現(xiàn)在全對(duì)流回流爐所要求的一半數(shù)量。(可接納450mm寬度PCB的爐的最大氮?dú)庀臑槊糠昼?00升。)一個(gè)可選的內(nèi)部氮?dú)獍l(fā)生器可消除大的氮?dú)馔暗男枰?自動(dòng)過程監(jiān)測(cè)　　除了要求下一代的爐子技術(shù)之外，窄小的無鉛工藝窗口使得必須要做連續(xù)的工藝過程監(jiān)測(cè)，因?yàn)樯踔梁苄〉墓に嚻x都可能造成不合規(guī)格的焊接產(chǎn)品。監(jiān)測(cè)回流焊接工藝的最有效方法是用自動(dòng)、連續(xù)實(shí)時(shí)的溫度管理系統(tǒng)。該實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)允許裝配者通過連續(xù)的監(jiān)測(cè)在回流爐中的過程溫度，獲得和分析其焊接過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)通常由30個(gè)嵌入兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)不銹鋼探測(cè)器的熱電偶組成，探測(cè)器永久地安裝在剛好傳送帶的上方或下方。熱電偶連續(xù)地監(jiān)測(cè)過程溫度，每五秒記錄讀數(shù)。這些溫度在爐子控制器的PC屏幕上作為過程溫度曲線顯示出來(圖七)。

　　實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)通過產(chǎn)生一個(gè)由穿過式測(cè)溫儀測(cè)定的溫度曲線與由實(shí)時(shí)溫度管理熱電偶探測(cè)器所測(cè)量的過程溫度之間的數(shù)學(xué)相關(guān)性，來提供對(duì)每個(gè)處理板的產(chǎn)品溫度曲線。來自實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也可通過互聯(lián)網(wǎng)來發(fā)送到遠(yuǎn)方位置，最大利用這種稀有工程資源的價(jià)值。　　實(shí)時(shí)連續(xù)溫度記錄的其它優(yōu)點(diǎn)包括，消除使用標(biāo)準(zhǔn)穿過式溫度記錄器的生產(chǎn)停頓，和所需要的預(yù)防性維護(hù)的計(jì)劃。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代強(qiáng)制對(duì)流爐可以有效地工作時(shí)間延長(zhǎng)，而不需要維護(hù)。實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)的使用立即提醒使用者爐的性能變差，允許要求時(shí)的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃。

　　最后，嚴(yán)密控制的溫度過程可大大減少焊接點(diǎn)缺陷，和有關(guān)的昂貴的返工。事實(shí)上，實(shí)時(shí)溫度管理已經(jīng)成為工業(yè)范圍的專用品質(zhì)指示器。

??????回流溫度曲線優(yōu)化

　　現(xiàn)在先進(jìn)的軟件可簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換到無鉛裝配的任務(wù)。在較新的軟件中，有一個(gè)自動(dòng)溫度曲線預(yù)測(cè)工具，它允許使用者在數(shù)分鐘內(nèi)決定最佳的溫度曲線。該工具將曲線放在由希望設(shè)定規(guī)定界限的使用者設(shè)定的窗口中央。一個(gè)例子是前面提到的梯形曲線 - 即，如果裝配不能忍受高于240°C的溫度但必須最少230°C，那么該自動(dòng)預(yù)測(cè)工具將找出一條最佳的溫度曲線，介于高限位與低限位之間的中央。 結(jié)論　　無鉛錫膏的使用將大大減少回流工藝窗口，特別是對(duì)于要求的峰值溫度。元件之間的溫度差必須減少，在連續(xù)生產(chǎn)期間回流爐的變化必須達(dá)到最小，為了高品質(zhì)與高生產(chǎn)力的制造。為了達(dá)到這一點(diǎn)，通過回流爐的溫度傳導(dǎo)必須精確控制。一個(gè)具有單獨(dú)與精密控制的各個(gè)加熱單元的結(jié)合式IR/強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)，提供要求用來可靠地處理無鉛裝配的方法。當(dāng)與自動(dòng)溫度曲線預(yù)測(cè)工具和連續(xù)實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，該回流技術(shù)為未來的無鉛電子制造商提供零缺陷生產(chǎn)的潛力。