回流焊設備的工藝

回流焊設備的工藝
*近幾年，SMT生產(chǎn)技術已發(fā)生了巨大的變化，其中：生產(chǎn)標準的改變，新型焊膏的利用、不同基材的出現(xiàn)，以及元器件本身材料和設計的革新都使得熱處理工藝不斷發(fā)展。新型元器件的設計動力是來自于產(chǎn)品小型化的不斷驅使。這些新型元器件封裝包括：BGA（球柵陣列）、COB（裸芯片）、CSP（微型封裝）、MCM（多芯片模塊），以及flip chip（倒裝片）等。產(chǎn)品小型化回流焊使得元器件越做越小，并使管腳數(shù)增加，使間距變小。另外為減少成本，免清洗和低殘留焊膏使用的更加廣泛，與之相應的是氮氣的使用也隨之增加。
    市場對手持式電子產(chǎn)品的不斷需求始終是一個強大的驅動力，它使得封裝工藝必須適應這些產(chǎn)品的技術要求。因此更小、更密、更輕的組裝技術，以及更短的產(chǎn)品周期、更多、更密的I/O引線，更強的可操控性----都把回流焊技術提到一個新的層次上來討論。同時也對熱處理工藝的控制手段和設備提出了新的要求。
    考慮到這些壓力，我們提出了一個簡單的設想圖，其中的一些方案可以回答回流焊工藝今后會遇到的挑戰(zhàn)。
  
氮氣惰性保護
   
    使用惰性氣體，一般采用氮氣，這種方法在無鉛回流焊工藝中已被采用了相當長的一段時間，但它的價格還是一個問題。因為惰性氣體可以減少焊接過程中的氧化，因此，這種工藝可以使用活性較低的焊膏材料。這一點對于低殘留物焊膏和免清洗尤為重要。另外，對于多次焊接工藝也相當關鍵。比如：在雙面板的焊接中，氮氣保護對于帶有OSPs的板子在多次回流工藝中有很大的優(yōu)勢，因為在N2的保護下，板上的銅質焊盤與線路的可焊性得到了很好的保護。使用氮氣的另一個好處是增加表面張力，它使得制造商在選擇器件時有更大的余地（尤其是超細間距器件），并且增加焊點表面光潔度，使薄型材料不易褪色。
   
    真正*大的好處是降低了成本。氮氣保護的費用取決于各種各樣的因素，包括氮氣在回流焊機器中使用的位置，氮氣的利用率等。當然，我們通常感覺氮氣消耗是一種工藝過程中額外的費用，因此總是想方設法減少氮氣的消耗。目前焊膏的化學成份也在不斷的改進提高，以便將來的工藝中不再使用氮氣保護；或者至少在較高的O2濃度值下（比如：1000ppm對比目前為50ppm）取得良好的焊接效果，以便減少氮氣的用量。對于是否使用氮氣的保護，我們必須綜合考慮許多問題，包括：產(chǎn)量要求的質量等級，以及每一對應的氮氣消耗費用。使用氮氣是有費用的問題，但是如果將它對提高產(chǎn)量與質量所帶來的好處計算進來，那么它的費用是相對微不足道的。
   
    如果焊接爐不是強制回流的那一種，并且氣流是分層狀態(tài)，那么氮氣的消耗是比較容易控制的。但是，目前大多數(shù)爐的工作方式都是大容量循環(huán)強制對流加熱，爐體內的氣流是在不停的流動，這給氮氣的控制與消耗提出了一個新的難題。一般，我們采取這幾種方法降低氮氣用量。首先，必須減少爐體進口的尺寸，尤其是垂直方向上的開口尺寸，使用遮擋板、卷簾幕，或者利用一些其它的東西來堵住進出口的孔隙。由遮擋板、卷簾幕向下形成的隔離區(qū)可以阻擋氮氣的外泄，并且使外部的空氣無法進入爐體內部，也有些回流爐是采用自動的滑動門來隔離空氣。另外一種方法是基于這樣一個科學概念：被加熱的氮氣將漂浮于空氣之上，并兩種氣體不會混合。因此，回流爐的加熱腔被設計成比進出口的位置高一些，因為氮氣會自然的與空氣分層，這樣便可以用很少的氮氣供給量來保持一個較純的濃度。
  
雙面加工
   
    雙面板工藝越來越多的被采用，并且變得更加復雜。這是因為它能給設計者提供更大、更靈活的設計空間。雙面板大大加強了PCB的實際利用率，因此降低了制造成本。到目前為止，雙面板經(jīng)常采用的工藝是上面過回流爐，下面過波峰焊爐。今天大家都逐漸傾向于雙面都過回流爐是一種更佳的方法。但工藝上仍有一些問題，比如：再次回流時，底部較大的元件或許會掉下來，或者底部的焊點會部分重新熔化，以至于影響到焊點的可靠性。
   
    **面的元件上膠固化，使它在翻面過二次回流時不會從板上掉下來，并且保持正確的位置。另外一種方法是使用不同熔點的焊膏，其中**次回流時使用的焊膏熔點較**次的要低。但是使用方法有一些嚴重的問題需要注意：**個是造成了*后的成品在維修有一個“太低”的熔化溫度；**個是如果使用更高**的回流溫度又會造成對元器件和基板的熱沖擊。
    對于大多數(shù)元件來說，二次回流時，焊點熔錫的表面張力是足已維持元件在底部的粘力，使元件牢牢的固定在基板上。這里有一個元件重量與引腳（焊盤）張力的比例關系，它可以計算出元件在二次回流時能不能粘貼在基板底部而不會掉落，從而不用對每一個元器件都做實際的測試。30g/in2是一個保守值，可以作為設計的標準。
   
    另外一個方法是采用一種概念：即將冷的氣體吹拂過基板底部，使底部的溫度在二次回流時始終達不到熔點，但是由于基板上下面的溫差可能會導致有潛在的應力產(chǎn)生。雖然二次回流的工藝并不簡單，但許多問題都在被不斷解決掉，今后幾年內，我們可以肯定的說，無論是在數(shù)量上還是在復雜程度上，高密度的雙面板都將有一個長遠的發(fā)展。
  
通孔
   
    通孔回流焊（也稱插入式或帶引針式回流焊）工藝在*近一段時期內應用得越來越廣泛，因為它可以少過波峰焊這個工序，或者混裝板（SMT與THT）也會用到它。這樣做*主要的好處是可以利用現(xiàn)有的SMT設備來組裝通孔式的接插件，因為通孔式的接插件有較好的焊點機械強度。在許多的產(chǎn)品中，表面貼裝式的接插件不能提供足夠的機械強度。另外，在大面積的PCB上，由于平整度的關系，很難使表面貼裝式的接插件的所有引腳都與焊盤有一個牢固的接觸。
   
    雖然好的工藝可以用來處理通孔回流焊，但仍有一些值得討論的問題。首先是通孔回流焊的焊膏用量特別大，因此在助焊劑揮發(fā)后形成的殘留物也很多，會造成對機器的污染，所以助焊劑揮發(fā)管理系統(tǒng)有尤為重要。另外一個問題是許多通孔元器件，尤其是接插件，并非設計成可以承受回流焊的高溫。
   
    基于紅外回流爐（IR）的經(jīng)驗，如果用在通孔回流焊上是錯誤的。因為它沒有考慮到熱傳遞效應對于大塊元器件與幾何形狀復雜的元器件（比如有遮敞效應的元器件）的不同，現(xiàn)有混裝經(jīng)常使用SMD與THT元器件。但對于強制熱風回流爐來說，它有著極高的熱傳遞效率，并不依靠紅外輻射的高溫。因此在混裝產(chǎn)品中，普遍使用強制熱風回流工藝。為了得到一個滿意的焊接效果，問題的關鍵是要確保通孔回流焊基板各部份的焊膏量都恰到好處，以及注意那些不能承受溫度變化與遮蔽效應的元器件，這個工藝發(fā)展的主要方向還是在工藝的完善與器件的改良上。
  
柔性基板
   
    為了處理表面安裝柔性基板的焊接問題，一種專用的回流爐也被設計出來了，和一般回流爐*大的不同是在于它特殊的處理柔性基板的導軌。但是，這種回流爐也必須同時滿足已連續(xù)式的柔性PCB與分離式PCB的焊接需要。
   
    在處理分離式PCB基板時，回流爐的工作連續(xù)性并不受前道工序的影響。在卷式柔性基板的生產(chǎn)中，由于柔性基板是整條貫穿生產(chǎn)線，所以生產(chǎn)線上任何一處造成的停機都會使柔性基板帶停止傳遞。這樣就會產(chǎn)生一個問題：停在爐內的柔性基板便會因高溫而遭到破壞。因此，這種特殊的爐必須允許這樣情況發(fā)生：可以處理停在爐內的基板，并且在傳送帶恢復正常后立刻重新恢復正常的焊接操作。
  
無鉛焊膏
   
    雖然近幾年要求使用無鉛焊膏的壓力不象以前那樣大，但人們依然關心焊膏中的含鉛量與它對環(huán)境的影響，雖然電子業(yè)的鉛污染只占所有鉛污染量的百分之一以下，但有觀察家還是認為有關禁止用含鉛焊膏的法律在今后幾年中將出臺。這樣就只能努力去尋找一種可靠、經(jīng)濟的替代品。許多代用品的熔點都比錫一鉛合金高大約40°C。這意味著回流爐需要工作在一個更高的溫度環(huán)境中，這時使用氮氣保護可以部份的消除高溫所帶來的PCB氧化與破壞的影響。但是在實現(xiàn)無鉛生產(chǎn)前，工業(yè)界是必須走一段痛苦的學習過程來解決將會面臨的問題。
   
    目前大多數(shù)爐的設計工作溫度都在300°C以下，但無鉛錫膏、非低熔點錫膏，在用于BGA、雙面板、混裝板的生產(chǎn)時，常需要更高的溫度。有一些工藝在回流區(qū)的溫度需要350°C～400°C左右，因此必須改進爐的設計方案以迎合這種需求。另一方面，進入高溫爐的熱敏感元件必須做改進，減少在進行高溫操作時這些元件的受熱量。
  
垂直烘爐http://www.smtde.com    
    市場對產(chǎn)品小型化的要求使倒焊片與DCA（芯片直接焊裝）的應用越發(fā)的廣泛。倒焊片技術是將芯片倒裝后用焊球將其與基板直接焊接，這樣可以提高信號傳輸速度及減少尺寸。另一種是底部填充工藝，這是將填充材料灌注入芯片與基板之間的空隙中，這是因為芯片與基板材料之間膨脹系數(shù)不一致，而填充材料則能保護焊點不受這種應力的影響。還有是球狀封頂以及圍壩填充技術，這兩種技術是用覆蓋材料將已焊接的裸芯片加以封裝的工藝。幾乎所有這幾種封裝材料都需要很長的固化時間，所以用在線式連續(xù)生產(chǎn)的固化爐是不實際的，平時大家經(jīng)常使用“批次烘爐”，但垂直烘爐的技術也趨于完善，尤其在加熱曲線比回流爐簡單時，垂直烘爐完全能夠勝任。垂直烘爐使用一個垂直升降的傳送系統(tǒng)作為“緩沖與累加器”，每一塊PCB都必須通過這一道工序循環(huán)。這樣的結果就是得到了足夠長的固化時間，而同時減少了占地面積。
   
    在目前*先進的回流爐設計思想中，如何在增加產(chǎn)量的同時減少設備的維修量是一個關鍵的問題。隨著免洗焊膏與低殘留焊膏的大量使用。如何處理爐膏的助焊劑殘留物這個問題也相應變得突出起來，因為這些焊膏內有大量的高沸點的溶劑來取代原來的松香，以獲得理想的焊膏流變性。目前焊膏供應商正在研究性能更加優(yōu)越的焊膏，但由于質量與工藝認證是一個費工費時的過程，所以它們的應用經(jīng)常相對滯后。
   
    同時，助焊劑造成的污染也成為回流爐的一個重要課題。從焊膏中揮發(fā)出來的物質重新凝結在機器冷卻區(qū)表面形成污染物，這在充氮保護設備中表現(xiàn)得尤為突出，想要通過抽氣口將揮發(fā)物抽走的方法在充氮爐中是不現(xiàn)實的。因為抽氣口會帶走大量有用的氮氣。現(xiàn)在新型的助焊劑管理系統(tǒng)采用的方法是讓氣流在機內循環(huán)，經(jīng)過一個凝結過濾裝置，將助焊劑凝結在上面后除去，并將干凈的氣體（N2）放回爐內。這套系統(tǒng)大大減少了助焊在冷卻區(qū)及其它地方的殘留量，并且使維修和除去污染物的工作可以在不停機的情況下進行。
   
    從助焊劑管理系統(tǒng)出來的冷氣流重新回到冷卻區(qū)，對于焊點的冷卻與降低PCB出口溫度都有額外的好處。另一方面，回流的冷氣體進入爐內的其它地方還可以表現(xiàn)出另外一些好處，例如：分隔不同加熱區(qū)的溫度，或者擴大上下加熱區(qū)的溫差。但是不停機時間與費用是非常重要的，當公司的注意集中在運行費用上時，助焊劑管理系統(tǒng)就會顯得非常重要。
    回流焊設備的工藝
    回流焊爐如果使用周圍的空氣作為冷卻介質，則可以采用大流量的方式冷卻PCB，而且效率很高。在充氮爐中，因為氣流量受到嚴格控制，所以這是另一種情況。熱量必須從系統(tǒng)中被抽走，通常熱交換采用的介質是氣體或液體。冷卻氣體必須循環(huán)使用以降低氮氣消耗。
   
    在目前的冷卻組件中，是通過一個鼓風機將氣流循環(huán)應用，氣流在熱交換后被吹向PCB。這種冷卻方式需要定期清理鼓風機與熱交換系統(tǒng)上的助焊劑沉淀（雖然助焊劑管理系統(tǒng)已大大減少了助焊劑的沉積）。
   
    Speedline集團現(xiàn)已開發(fā)了一種獨特的NitroCool系統(tǒng)，它使用氣流放大風刀來產(chǎn)生高速率的氣流充當交換介質。循環(huán)氣流是通過風刀而不是通過熱交換器，以此來減少被阻塞的機率。在風刀上集成有自動清潔裝置，使得氣量在被阻塞物減弱之前就將助焊劑沉積物**干凈，因此，當其它設備的熱交換器和鼓風機逐漸被助焊劑污染時，這套系統(tǒng)可以提供一個恒定不變的冷卻速率。NitrCool系統(tǒng)還可以引導集中助焊劑管理系統(tǒng)里冷卻的冷氣流，進一步增強冷卻的性能與效率。
   
    額外的冷卻組件使PCB出爐的溫度控制在35°～50°C之間。這樣就允許將PCB直接輸入下一工序而不需緩沖區(qū)間。另外，氮氣保護同時也可以保護PCB的可焊性（而非用熱空氣來保護PCB的可焊性），這對于使用OSP的工藝尤為重要。
  
設備
   
    制造費用是制造廠商*關心的一個問題，隨著工廠地價的上漲，如何有效的利用空間也變得越來越重要，通常如果要增加產(chǎn)量就需加長加熱區(qū)的長度。但自動寬度可調的雙軌技術的應用則可以在很小的空間里完成同樣的工作，這種雙軌工藝技術，在印刷、點膠、貼片與回流都已開始應用，對于減少占地面積和節(jié)省資金都有巨大的潛力。
    
    無鉛回流焊設備的可靠性與連續(xù)工作時間是非常值得研究的，因為許多工廠都采用三班倒與七天工作日的方式生產(chǎn)，極少有時間安排維修，還需處理臨時的故障。對于回流爐的工藝及自動化操作的研究還有很長的路要走，使用復雜的軟件可以進行多任務操作、通訊（通過GEM）、診斷、操作**保護、以及在線顯示與實時幫助。在將來，單位面積的產(chǎn)出量將大大增加，設備功能也大在加強，而且回流爐也越來越依靠軟件與傳感器來提高它的性能。