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无铅再流焊的炉内气氛因素

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-28  浏览次数:502
核心提示:摘要:再流焊工艺参数对锡/银,锡/银/铜两种系列无铅焊膏影响的研究,文章着重介绍焊炉炉道内的气氛是十分敏感的再流焊工艺因素
 摘要:再流焊工艺参数对锡/银,锡//铜两种系列无铅焊膏影响的研究,文章着重介绍焊炉炉道内的气氛是十分敏感的再流焊工艺因素之一。

关键词:无铅焊料,再流焊工艺,炉内气氛。

1、引言

人们将无铅焊料与共晶铅锡焊料进行比较时,最常用的参数是焊料合金的熔点,铅锡(Sn63/Pb37)焊料的熔点为183℃。无铅焊料合金的熔点就高得很多。从有关无铅焊料合金许多报道文章,能令人信任再流工艺过程最可靠的焊料合金几何都是锡/银,锡//铜两大系列的成员。

电子制造业实现组装无铅化是一个复杂的问题,其中最困难的是在印制板安装面上所有焊点的焊接质量一致性,又要避免损坏温度敏感器件。例如;某个器件的最大允许温度230℃,此时再流焊接的工艺窗口却从原来的窗口宽度47℃(铅/锡焊料:183-230℃)缩小到13℃(锡//铜熔点:217℃)。如图1所示;

图 1焊料合金组分对再流焊工艺的影响


怎样实现焊接质量的一致性,又不至于损坏温度敏感器件。本实验在OSP铜焊盘上采用4种工艺变量对不同类型焊膏的影响进行分析。实验采用的4种工艺变量是;

再流焊加热曲线

焊料合金

焊剂

炉内氧浓度

实验过程

再流焊炉

实验使用的再流焊炉的规格是;8温区,强制热风对流再流焊炉,设置4条数据采样的再流加热曲线(图 2),一为锡/,其余三条为无铅焊接加热曲线。无铅焊接加热曲线仅一是含210℃予热区,其他两条没有设置予热区。在测试样板的不同部位安装5个热电偶,采集再流焊工艺过程的印制板温度数据。 

图 2 实验再流焊温度曲线

实验再流焊工艺过程使用两种炉内气氛;空气,氮气(低氧分量/氮)。充氮再流焊工艺,炉内维持22-36ppm的氧分量。

表1 由4种峰值再流温度曲线所示,锡/铅及两种没设置予热温区的无铅焊接的峰值温度的离散度为5-6℃,含予热温区无铅焊接的峰值温度的离散度为2℃。 

表1 实验再流焊工艺参数

2.2 焊膏

实验使用三种类型焊膏;锡/(Sn63/Pb37),/(Sn96.5/Ag3.5),//(Sn95.5Ag4.0Cu0.5)。全部焊料合金颗粒度符合ANSI/IPC-J-STD-006标准,颗粒等级3#。焊膏的合金重量比;Sn63-90%Sn96.5-89%,Cu0.5-89%。为达到印刷的一致性,无铅焊膏的金属含量较低。

Sn63,Sn96.5两种焊膏选用免清洗,标准残余物水平焊剂,Cu0.5焊膏

选用相同标准残余物水平焊剂,低残余物水平焊剂。

2.3 印刷

焊膏印刷使用60°金属刮刀,印刷速度1.0in/sec,较低的模板脱模速度。实验中采用连续印刷,使得焊膏搅拌均匀。

2.4 模板

焊膏印刷使用5-mil厚,激光刻制模板,模板刻制图形由焊膏供应商提供,方孔尺寸为10×20mil, 20×40mil,图形以90°间距10,20,30mil排列。

2.5 测试样板

062FR-4,9.0×6.0in铜层0.5oz ,OSP涂层。

图 3 焊膏印刷照片

3.实验结果

图 3 所示焊膏印刷间距10mil,方孔尺寸10×20mil,经再流焊后的显微照片,作焊膏铺展分析,结果见图4。在印制板上的湿润性无铅焊料明显不及共晶焊料。

图4 氮/空气气氛湿润性比较

3.1 炉内气氛:/空气

在氮气氛(低氧分量/)再流焊,改善湿润性,在每个焊膏图形存在环形减薄层。氮气氛再流后有少量无色残余物,空气气氛再流焊后存留大量黑色残余物。

3.2 再流焊温度曲线

Cu0.5无铅焊膏在峰值温度230/250℃再流,焊膏的铺展度增加。所以液相温度以上的持续时间及温度不是湿润的主要因素。Cu0.5焊膏在空气中210℃予热,再流焊点呈块状,显示不完全再流。这些焊点的形状与Boettinger的非可焊表面类似。氮气氛再流焊没有发生这些情况。

3.3 Sn96.5/Cu0.5

Sn96.5焊膏在空气中再流,得到较大的铺展性,在相同条件下与Cu0.5相比没明显差别,使用Cu0.5焊膏取代Sn96.5焊膏能改善湿润性能。

3.4 低残余物/标准残余物

免清洗Cu0.5焊膏,低残余物Cu0.5焊膏印刷图形(10×20mil, 20×40mil)经氮气氛再流焊后,与空气再流比较,明显有损铺展性能,但大尺寸印刷沉积的低残余物焊膏在低氧氮气氛再流,与空气再流比较,具有良好的湿润性。关于图形尺寸相关性的原因尚未可知,而且此类焊膏测试样板焊点周围看不见减薄层。

4.结果讨论

4.1再流焊温度曲线

印制板组件最大峰值温度受两个因素影响:

材料玻离化温度(Tg),器件的温度条件

焊点冶金学/金属化合物的厚度

有些器件对温度的敏感性,所以欧洲业界确认无铅焊料的再流峰值温度不超过225℃。高残余物焊剂能用于改善可焊性,这种方法与快速印刷,低固体含量的要求相反。

再流焊工艺参数经常也按照焊剂的‘活化“温度来设定的。实际上,印制板的再流焊工艺曲线是由印制板自身需要的热量来确定的。凭经验讲,予热温度(曲线的平直区域)设置越接近峰值温度,印制板在峰值温度区的温差(ΔT)越小。按照这个原则,本实验中采用的加热温度曲线,予热区温度210℃,峰值区的温差仅2℃,得到很好的结果。

因此建议大尺寸印制板的无铅再流焊工艺,应设置予热区,设置温度为焊料熔点以下几度,保温时间应足够长,保证PCB所有器件能在此温度平衡加热。

实验的进一步工作是在一块大尺寸的印制板上安装6个热电偶(如图 5)。使用予热区的温差从16.4℃降到6.9(所示)

图 5 PCB上热电偶安装位置

图6 印制板的再流焊工艺曲线比较

4.2 焊剂的作用

经再流焊搞温过程,从焊膏中分离的残留物会存在三个问题

焊剂氧化物,增加清洗难度

影响自动测试(ATE)

残留物的黑色污迹

本实验采用氮气保护再流焊,结果证明上述这些问题得到减少或消去。

4.3 可焊性

表面张力小,则焊料的湿润性或可焊性就好。氧化物的表面张力与原来的焊料合金相比明显小。由此得出氧化的液相焊料表面要比未被氧化的焊料合金具有良好的湿润性,但在实验中,事实并非如此简单。

从生活中可联想起,雨滴落在清洁的玻离面能很好地粘着,落在一块脏的玻离很快会形成一个水滴。这里维一不同是玻离的表面状态条件。同样道理,在再流焊过程中,尽管液相焊料的表面张力一致,印制板与器件金属引脚的表面状态是决定湿润性的重要因素。

Young-Dupre方程通常用来说明气相/液相/固相界面推力与拉力的平衡接触角(图 7

图 7 界面力平衡的接触角(湿润角)

方程中的γLV γSV,γSL 分别表示液相/金属/气相,固相/气相,固相/液相-金属界面每单位面积的自由能,Θ表示接触角。

对比Sn96.5与 Cu0.5两种焊膏显示Cu0.5具有在印制板上良好的湿润性与铺展性。

Grusd讲述了下面三种焊膏在铜焊盘上的接触角;

Sn63 : 11.1°

Cu0.5: 33.9°

Sn96.5: 34.2°

先前有关铜焊盘上薄/厚OSP涂层在150℃开始损坏。这个问题对无铅焊接或双面印制板在再流焊高温过程变的更为严重。

无铅焊料的接触角大也是影响焊点可靠性的一个原因。Lea对共晶焊接质量称;若要获得另缺陷,器件的可焊性必须达到最佳值。

5. 结论

在氮气分再流焊工艺中,与空气相比Cu0.5焊膏焊料合金的湿润性得到改善。在低氧分量的条件下,湿润性实际与使用的再流焊工艺曲线无关。由此可得,对接触角大的界面改善可焊性,来保证产品的可靠性。予热区温度高,可适与大尺寸印制板再流焊,也不会损坏温度敏感器件。这个结果也得到客户的确认。准确的再流过程控制对于使用狭小过程窗口的无铅焊接是基本条件;无铅焊料的熔点需要高的温度,而器件的温度敏感需要中等温度。

Cu0.5焊料合金在OSP铜焊盘上,再流焊温度230,其湿润性未得到改善。在217℃液相温度以上,再流峰值温度230℃,保持30sec对此类合金达到平衡湿润条件是有利的。在氮气氛中,Cu0.5合金的铺展性明显好于Sn96.5合金。

 
 
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