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    5G万物互联时代,保证PCBA高可靠焊接的各种类型回流焊接工艺解析!

    发布者:小智-詹 阅读量:21 发布时间:2019-12-10 14:22:33


    随着SMT电子元器件不断向小型化发展,芯片集成度越来越高,无论是笔记本、智能手机还是医疗器械、汽车电子,军工和航天产品,产品中的阵列封装的BGA、CSP等器件应用越来越多,对产品的质量要求也越来越多。



    5G是2019年火热的词汇,而今5G时代揭开序幕,从手机PCBA电路板内部来看,相比4G手机,5G手机的设计难点除了基带芯片之外,主要集中在射频、天线等处。由于5G比4G频率至少高1倍、频带宽5倍、频段高达29个、功率高5倍、速率高10倍、天线多几十倍。这都需要我们不断的提高工艺能力 ,增加高端设备,通过高质量焊接保证高可靠性产品。



    PCBA高可靠焊接的各种工艺解析


    在高精密的电子制造工序中SMT生产设备有不少,主要自动化设备有SMT自动X-RAY点料机、SMT首件检测仪、全自动锡膏印刷机、在线3D-SPI锡膏印刷检测仪、贴片机、回流焊、在线AOI光学检测仪、在线PCBA全自动铣刀分板机等。



    每种设备都有特定的功用和用途,回流焊炉是SMT生产线后道工序,负责将已经贴装好的PCB电路板和元器件的焊料融化后与主板粘结。


    回流焊已成为SMT的主流工艺,我们常用的智能手机板卡上的元件大都是通过这种工艺焊接到线路板上的 , 是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因为气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的;回流焊炉同样有很多品种,比如热风回流焊、氮气回流焊、气相回流焊、真空回流焊等。



    SMT回流焊接,是电子板组装作业中的重要工序,如果没有较好的掌握它,不但会出现许多“临时故障”还会直接影响焊点的寿命;下面SMT行业头条小编收集了电子制造业当下流行的各类SMT回流焊接工艺和大家分享,希望对SMT行业的精英小伙伴们工作有帮助 !



    SMT回流焊是SMT组装过程的关键设备,PCBA焊接的焊点质量完全取决于回流焊接设备的性能和温度曲线的设置。


    回流焊接技术经历了板式辐射加热、石英红外管加热、红外热风加热、强制热风加热、强制热风加热加氮气保护等不同形式的发展过程。


    01

    热板、推板式传导回流焊 


    这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热,通过热传导的方式加热基板上的元件,用于采用陶瓷(Al2O3)基板厚膜电路的单面组装,陶瓷基板上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量,其结构简单,价格便宜。我国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类设备。 


    02

    红外辐射回流焊


    此类回流焊炉也多为传送带式,但传送带仅起支托、传送基板的作用,其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热,炉膛内的温度比前一种方式均匀,网孔较大,适于对双面组装的基板进行回流焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在我国使用的很多,价格也比较便宜。 


    03

    红外加热风回流焊 


    这类回流焊炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度较均匀,单纯使用红外辐射加热时,人们发现在同样的加热环境内,不同材料及颜色吸收热量是不同的,即(1)式中Q值是不同的,因而引起的温升ΔT也不同,例如IC等SMD的封装是黑色的酚醛或环氧,而引线是白色的金属,单纯加热时,引线的温度低于其黑色的SMD本体。加上热风后可使温度更均匀,而克服吸热差异及阴影不良情况,IR + Hot air的回流焊炉在国际上曾使用得较普遍。 



    04

    氮气回流焊


    随着组装密度的提高,精细间距(Fine pitch)组装技术的出现,产生了充氮回流焊工艺和设备,改善了回流焊的质量和成品率,已成为回流焊的发展方向。


    氮气回流焊有以下优点: 


    (1) 防止减少氧化 

    (2) 提高焊接润湿力,加快润湿速度 

    (3) 减少锡球的产生,避免桥接,得到列好的焊接质量 


    得到列好的焊接质量特别重要的是,可以使用低活性助焊剂的锡膏,同时也能提高焊点的性能,减少基材的变色,但是它的缺点是成本明显的增加,这个增加的成本随氮气的用量而增加,当你需要炉内达到1000ppm含氧量与50ppm含氧量,对氮气的需求是有天壤之别的。现在的锡膏制造厂商都在致力于开发在较高含氧量的气氛中就能进行良好的焊接的免洗焊膏,这样就可以减少氮气的消耗。


    对于中回流焊中引入氮气,必须进行成本收益分析,它的收益包括产品的良率,品质的改善,返工或维修费的降低等等,完整无误的分析往往会揭示氮气引入并没有增加最终成本,相反,我们却能从中收益。 


    在目前所使用的大多数炉子都是强制热风循环型的,在这种炉子中控制氮气的消耗不是容易的事。有几种方法来减少氮气的消耗量,减少炉子进出口的开口面积,重要的一点就是要用隔板,卷帘或类似的装置来阻挡没有用到的那部分进出口的空间,另外一种方式是利用热的氮气层比空气轻且不易混合的原理,在设计炉的时候就使得加热腔比进出口都高,这样加热腔内形成自然氮气层,减少了氮气的补偿量并维护在要求的纯度上。


    05

     通孔回流焊 


    通孔回流焊有时也称作分类元件回流焊,正在逐渐兴起。它可以去除波峰焊环节,而成为PCB混装技术中的一个工艺环节。一个好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺的优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械联接强度。对于较大尺寸的PCB板的平整度不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触,同时,就算引脚和焊盘都能接触上,它所提供的机械强度也往往是不够大的,容易在产品的使用中脱开而成为故障点。 


    尽管通孔回流焊可发取得偿还好处,但是在实际应用中仍有几个缺点,锡膏量大,这样会增加因助焊剂的挥了冷却而产生对机器污染的程度,需要一个有效的助焊剂残留清除装置。另外一点是许多连接器并 没有设计成可以承受回流焊的温度,早期基于直接红外加热的炉子已不能适用,这种炉子缺少有效的热传递效率来处理一般表面贴装元件与具有复杂几何外观的通孔连接器同在一块PCB上的能力。只有大容量的具有高的热传递的强制对流炉子,才有可能实现通孔回流,并且也得到实践证明,剩下的问题就是如何保证通孔中的锡膏与元件脚有一个适当的回流焊温度曲线。随着工艺与元件的改进,通孔回流焊也会越来越多被应用。


    在传统的电子组装工艺中,对于安装有过孔插装元件(THD)印制板组件的焊接一般采用波峰焊接技术。但波峰焊接有许多不足之处:不适合高密度、细间距元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;印制板受到较大热冲击翘曲变形。因此波峰焊接在许多方面不能适应电子组装技术的发展。


    为了适应表面组装技术的发展,解决以上焊接难点的措施是采用通孔回流焊接技术(THR,Through-hole Reflow),又称为穿孔回流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。该技术原理是在印制板完成贴片后,使用一种安装有许多针管的特殊模板,调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐,使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上,然后安装插装元件,最后插装元件与贴片元件同时通过回流焊完成焊接。


    从中可以看出穿孔回流焊相对于传统工艺的优越性:首先是减少了工序,省去了波峰焊这道工序,节省了费用,同时也减少了所需的工作人员,在效率上也得到了提高;其次回流焊相对于波峰焊,产生桥接的可能性要小的多,这样就提高了一次通过率。穿孔回流焊相对传统工艺在经济性、先进性上都有较大优势。


    通孔回流焊接技术起源于日本SONY公司,20世纪90年代初已开始应用,但它主要应用于SONY自己的产品上,如电视调谐器及CD Walkman。我国在20世纪90年代中期从日本引进这种技术,当时国内无锡无线电六厂、上海金陵无线电厂、成都8800厂、重庆测试仪器厂、深圳东莞调谐器厂等几个调谐器生产厂应用了此技术,获得了较好的收益,目前在CD、DVD激光机芯伺服板及DVD-ROM伺服板、笔记本电脑主板等领域都有了广泛的应用。


    (1)可靠性高,焊接质量好,不良比率DPPM可低于20。


    (2)虚焊、桥接等焊接缺陷少,修板的工作量减少。


    (3)PCB面干净,外观明显比波峰焊好。


    (4)简化了工序。由于省去了点(或印刷)贴片胶工序、波峰焊工序、清洗工序,使操作和管理都简单化。因同一产品中使用的材料和设备越少越容易管理。而且再流焊炉的操作比波峰焊机的操作简便得多,无锡渣的问题,劳动强度低。


    (5)降低成本,增加效益。采用此工艺后,免去了波峰焊设备和清洗设备、波峰焊和清洗厂房、波峰焊和清洗工作人员,以及大量的波峰焊材料和清洗剂材料。虽然免清洗焊膏的价格略高于非免清洗焊膏的价格,但总体来看可大大降低成本,增加效益。



    通孔回流焊接生产工艺流程 :


    生产工艺流程与SMT流程极其相似,即印刷焊膏一插入元件一回流焊接,无论对于单面混装板还是双面混装板,流程相同。


    锡膏印刷工艺 :


    焊膏的选择 , 通孔回流所用的焊膏黏度较低,流动性好,便于流入通孔内。一般在SMT工艺以后进行通孔回流,若SMT采用的焊膏合金成分为63Sn37Pb,那么为了保证通孔回流时SMT元件不会再次熔化而掉落,焊膏中焊锡合金的成分可采用熔点稍低的46Sn46Pb8Bi(178℃),焊料颗粒尺寸25μm以下<10%,25~50μm>89%,50μm以上<1%。


    由于电子产品越来越重视小型化、多功能,使电路板上的元件密度越来越高,许多单面和双面板都以表面贴装元器件为主。但是,由于连接强度、可靠性和适用性等因素,某些通孔元件仍无法片式化,特别是周边连接器。在传统SMT混装工艺中,通孔插装元件大多采用波峰焊、选择性波峰焊、焊锡机器人、手工焊,这些传统方法,尤其是波峰焊和手工焊接质量远不如再流焊的质量;目前许多电子产品通孔元件的比例只占元件总数的10%-5%甚至更少,采用波峰焊、选择性波峰焊、自动焊锡机器人、手工焊及压接等方法的组装费用远远超过该比例,单个焊点的费用很高。因此,通孔元件再流焊技术日渐流行,通孔插装元件采用再流焊替代波峰焊(即纯再流焊工艺)已成为当前SMT工艺技术发展动态之一。


    06

     垂直固化回流焊 


    5G 的普及,高可靠性高质量终端产品的点胶固化工艺首选垂直加固化炉! 几乎所有点胶封装材料都需要较长的固化时间,所以用在线式连续生产的固化炉是不实际的,平时大家经常使用“批次烘炉”,但垂直烘炉的技术也趋于完善,尤其在加热曲线比回流炉简单时,垂直烘炉完全能够胜任。


    芯片底部填充&元件精密包封点胶工艺


    垂直烘炉使用一个垂直升降的传送系统作为“缓冲与累加器”,每一块PCB都必须通过这一道工序循环。这样的结果就是得到了足够长的固化时间,而同时减少了占地面积。



    市场对于缩小体积的需求,使CSP(如FLIP CHIP)得到较多应用,这样元件贴装后具有较小的占地面积和较高的信号传递速率。填充或灌胶被用来加强焊点结构使其能抵受住由于硅片与PCB材料的热膨胀系数不一致而产生的应力,一般常会采用上滴或围填法来把晶片用胶封起来。



    许多这样的封装胶都需要较长的固化时间,对于在线生产的炉子来讲是不现实的,通常会使用成批处理的烘炉,但是垂直烘炉已经被证明可以成功地进行固化过程,并且其温度曲线比普通回流炉较简单,垂直烘炉使用一个PCB传输系统来扮演缓冲区/堆积区的作用,这样就延长了PCB板在一个小占地面积的烘炉中驻留的时间。 


    垂直固化炉工作原理简图


    全自动垂直回流炉主要用于高端制造业中的汽车电子,5G通讯产品制造业的芯片粘接,底部填充,元件封装,点胶密封,精密包封,底部填充+银浆/散热胶,高精密非接触喷射底部填充点胶等组装作业需要热固化的生产环节。应用行业遍布 SMT/EMS、家电、太阳能、汽车电子、军工、半导体、医疗器械等。


    07

    真空回流焊 


    在5G的爆发下,许多行业正在产生重大技术改革,如汽车智能驾驶领域,智能家居,医疗远程智能手术领域……而这些领域都需要高品质高可靠性焊接。5G通讯由于数据传输量远远大于商业4G通讯,对焊接的可靠性要求会比较高。由于气泡空洞不利于散热和高频频率衰减,因此必须有效地控制半导体元器件自身空洞率,5G通讯基站板焊接过程的空洞率,以及5G手机主板焊接的空洞率等。


    SMT贴片PCBA在回流焊接之后,焊点里通常都会残留有部分空洞,焊点面积越大,空洞的面积也会越大;其原因是由于在熔融的焊料冷却凝固时,焊料中产生的气体没有逃逸出去,而被“冻结”下来形成空洞。影响空洞产生的因素是多方面的,与焊膏选择、器件封装形式、焊盘设计、 PCB 焊盘表面处理方式、网板开孔方式、回流曲线设置等都有关系。


    真空回流焊接工艺是在回流焊接过程中引入真空环境的一种回流焊接技术,相对于传统的回流焊,真空回流焊在产品进入回流区的后段,制造一个真空环境,大气压力可以降到 5mbar(500pa)以下,并保持一定的时间,从而实现真空与回流焊接的结合,此时焊点仍处于熔融状态,而焊点外部环境则接近真空,由于焊点内外压力差的作用,使得焊点内的气泡容易从中溢出,焊点空洞率大幅降低。


    非真空与真空条件下回流焊接空洞形成对比示意图


    业内专业人士分析,譬如传统的焊接气泡空洞率是20%~25%以内,空洞率IPC标准也是制定在25%,但功率器件的空洞标准现在要求≤5%(有些器件要求在≤3%),PCB&铜基板&铝基板焊接空洞率要求≤10~15%。


    真空炉就是为了解决这个气泡和空洞问题的武器,通过高品质、高稳定性和节能高效的焊接设备,在帮助电子企业提升产品质量的同时,减少了其日常电能和氮气成本,以及企业的停线和保养成本。


    真空回流炉示意图


    真空回流焊,也可称作真空/可控气氛共晶炉,它热容量大,PCB表面温差小,已广泛应用于欧美航空、航天、军工电子等领域。它采用红外辐射加热原理,具有温度均匀一致、超低温安全焊接、无温差、无过热、工艺参数可靠稳定、无需复杂工艺试验、环保成本运行低等特点,满足军品多品种、小批量、高可靠焊接需要。


    BGA焊点非真空和真空焊接气泡对比


    真空回流焊的焊接系统是在相对密闭同时有真空辅助的条件下进行焊接的,而这种焊接系统恰恰对产品质量有较好的优势,在此条件下真空回流焊能够通过高效排出焊料中助焊剂挥发时产生的气泡,使产品焊接面的空洞率有效降低,从而有效地提高了产品的焊接质量。



    大面积焊点非真空和真空焊点对比


    随着电子行业的发展,越来越多的客户对产品可靠性的要求越来越高。为了有效的降低空洞率,促使我们使用更新的设备完成这一要求,但是新设备的使用必然要对我们现有的模式和工艺窗口进行调整,也会出现许多的新问题,这需要我们去深入的探讨和发现。



    以上我们介绍了围绕着设备改进、回流焊装备的发展沿革。实事上回流焊工艺的发展收到以下两方面的推动: 


    (1)电子产品向短、小、轻、薄化发展。组装高密度化,SMC/SMD微细间距化,SMC/SMD品种规格系列化,特别是异型元件与机电元件日益增多,这诸多的新发展迫使作为SMT中的重要工艺回流焊工艺、PCBA分板机全自动分切工艺亦面临着挑战,需要不断地发展和完善以提高焊接质量和成品率。 


    (2)人类文明发展到今天,控制三废(废气、废料、废水)保护环境已成为共识。传统的锡膏中含有助焊剂,其焊接后的残留物需要用氟里昂(CFC)及丙酮等溶剂来清洗,而这些溶剂都会对环境造成污染,为了避免污染相应出现了水清洗工艺和免清洗工艺还有新型焊锡膏。


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