回流焊工藝發展介紹

由于電子產品不斷小型化的需要，出現了片狀元件，傳統的焊接方法已不能適應需要。首先在混合集成電路組裝中采用了回流焊工藝，組裝焊接的元件多數為片狀電容、片狀電感，貼裝型晶體管及二極管等。隨著SMT整個技術發展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件(SMD)的出現，作為貼裝技術一部分的回流焊工藝技術及設備也得到相應的發展，其應用日趨廣泛，幾乎在所有電子產品領域都已得到應用，而回流焊技術，圍繞著設備的改進也經歷以下發展階段。
1． 熱板（Hot-plate）及推板式熱板傳導回流焊：
　　這類回流焊爐依靠傳送帶或推板下的熱源加熱，通過熱傳導的方式加熱基板上的元件，用于采用陶瓷（Al2O3）基板厚膜電路的單面組裝，陶瓷基板上只有貼放在傳送帶上才能得到足夠的熱量，其結構簡單，價格便宜。我國的一些厚膜電路廠在80年代初曾引進過此類設備。
2． 紅外線輻射回流焊：
此類回流焊爐也多為傳送帶式，但傳送帶僅起支托、傳送基板的作用，其加熱方式主要依紅外線熱源以輻射方式加熱，爐膛內的溫度比前一種方式均勻，網孔較大，適于對雙面組裝的基板進行回流焊接加熱。這類回流焊爐可以說是回流焊爐的基本型。在我國使用的很多，價格也比較便宜。
3． 紅外加熱風（Hot air）回流焊：
　　這類回流焊爐是在IR爐的基礎上加上熱風使爐內溫度更均勻，單純使用紅外輻射加熱時，人們發現在同樣的加熱環境內，不同材料及顏色吸收熱量是不同的，即（1）式中Q值是不同的，因而引起的溫升ΔT也不同，例如IC等SMD的封裝是黑色的酚醛或環氧，而引線是白色的金屬，單純加熱時，引線的溫度低于其黑色的SMD本體。加上熱風后可使溫度更均勻，而克服吸熱差異及陰影不良情況，IR + Hot air的回流焊爐在國際上曾使用得很普遍。
4． 充氮（N2）回流焊：
　　隨著組裝密度的提高，精細間距（Fine pitch）組裝技術的出現，產生了充氮回流焊工藝和設備，改善了回流焊的質量和成品率，已成為回流焊的發展方向。氮氣回流焊有以下優點：
（1） 防止減少氧化
（2） 提高焊接潤濕力，加快潤濕速度
（3） 減少錫球的產生，避免橋接，得到列好的焊接質量
　　得到列好的焊接質量特別重要的是，可以使用更低活性助焊劑的錫膏，同時也能提高焊點的性能，減少基材的變色，但是它的缺點是成本明顯的增加，這個增加的成本隨氮氣的用量而增加，當你需要爐內達到1000ppm含氧量與50ppm含氧量，對氮氣的需求是有天壤之別的。現在的錫膏制造廠商都在致力于開發在較高含氧量的氣氛中就能進行良好的焊接的免洗焊膏，這樣就可以減少氮氣的消耗。
　　對于中回流焊中引入氮氣，必須進行成本收益分析，它的收益包括產品的良率，品質的改善，返工或維修費的降低等等，完整無誤的分析往往會揭示氮氣引入并沒有增加最終成本，相反，我們卻能從中收益。
在目前所使用的大多數爐子都是強制熱風循環型的，在這種爐子中控制氮氣的消耗不是容易的事。有幾種方法來減少氮氣的消耗量，減少爐子進出口的開口面積，很重要的一點就是要用隔板，卷簾或類似的裝置來阻擋沒有用到的那部分進出口的空間，另外一種方式是利用熱的氮氣層比空氣輕且不易混合的原理，在設計爐的時候就使得加熱腔比進出口都高，這樣加熱腔內形成自然氮氣層，減少了氮氣的補償量并維護在要求的純度上。
5． 雙面回流焊
　　雙面PCB已經相當普及，并在逐漸變得復那時起來，它得以如此普及，主要原因是它給設計者提供了極為良好的彈性空間，從而設計出更為小巧，緊湊的低成本的產品。到今天為止，雙面板一般都有通過回流焊接上面（元件面），然后通過波峰焊來焊接下面（引腳面）。目前的一個趨勢傾向于雙面回流焊，但是這個工藝制程仍存在一些問題。大板的底部元件可能會在第二次回流焊過程中掉落，或者底部焊接點的部分熔融而造成焊點的可靠性問題。
已經發現有幾種方法來實現雙面回流焊：一種是用膠來粘住第一面元件，那當它被翻過來第二次進入回流焊時元件就會固定在位置上而不會掉落，這個方法很常用，但是需要額外的設備和操作步驟，也就增加了成本。第二種是應用不同熔點的焊錫合金，在做第一面是用較高熔點的合金而在做第二面時用低熔點的合金，這種方法的問題是低熔點合金選擇可能受到最終產品的工作溫度的限制，而高熔點的合金則勢必要提高回流焊的溫度，那就可能會對元件與PCB本身造成損傷。對于大多數元件，熔接點熔錫表面張力足夠抓住底部元件話形成高可靠性的焊點，元件重量與引腳面積之比是用來衡量是否能進行這種成功焊接一個標準，通常在設計時會使用30g/in2這個標準，第三種是在爐子低部吹冷風的方法，這樣可以維持PCB底部焊點溫度在第二次回流焊中低于熔點。但是潛在的問題是由于上下面溫差的產生，造成內應力產生，需要用有效的手段和過程來消除應力，提高可靠性。
　　以上這些制程問題都不是很簡單的。但是它們正在被成功解決之中。勿容置疑，在未來的幾年，雙面板會斷續在數量上和復雜性性上有很大發展。
6． 通孔回流焊
　　通孔回流焊有時也稱作分類元件回流焊，正在逐漸興起。它可以去除波峰焊環節，而成為PCB混裝技術中的一個工藝環節。一個最大的好處就是可以在發揮表面貼裝制造工藝的優點的同時使用通孔插件來得到較好的機械聯接強度。對于較大尺寸的PCB板的平整度不能夠使所有表面貼裝元器件的引腳都能和焊盤接觸，同時，就算引腳和焊盤都能接觸上，它所提供的機械強度也往往是不夠大的，很容易在產品的使用中脫開而成為故障點。
盡管通孔回流焊可發取得償還好處，但是在實際應用中仍有幾個缺點，錫膏量大，這樣會增加因助焊劑的揮了冷卻而產生對機器污染的程度，需要一個有效的助焊劑殘留清除裝置。另外一點是許多連接器并 沒有設計成可以承受回流焊的溫度，早期基于直接紅外加熱的爐子已不能適用，這種爐子缺少有效的熱傳遞效率來處理一般表面貼裝元件與具有復雜幾何外觀的通孔連接器同在一塊PCB上的能力。只有大容量的具有高的熱傳遞的強制對流爐子，才有可能實現通孔回流，并且也得到實踐證明，剩下的問題就是如何保證通孔中的錫膏與元件腳有一個適當的回流焊溫度曲線。隨著工藝與元件的改進，通孔回流焊也會越來越多被應用。
7． 無鉛回流焊
　　出于對環保的考慮，鉛在21世紀將會被嚴格限用。雖然電子工業中用鉛較極小，不到全部用量1％，但也屬于禁用之列，在未來的幾年中將會被逐步淘汰。現在正在開發可靠而又經濟的無鉛焊料。目前開發出多種替代品一般都具有比錫鉛合金高40C左右的熔點溫度，這就意味著回流焊必須在更高的溫度下進行。氮氣保護可以部分消附除因溫度提高而增加的氧化和對PCB本身的損傷。不過工業界大概必須經這一個痛苦的學習期來解決所遇到的問題，工盡快應用該制程，時間已經所省不多，現在所使用的許多爐子被設計成高不超出3000C的作業溫度，對于無鉛焊料或非共溶點焊錫（用于BGA，雙面板等）來講，則需要更高的爐子溫度，這些新的制程通常要求回流區中的溫度達到3500C～4000C，爐子的設計必須更改以滿足這樣的要求，機器中的熱敏感部件必須被修改，或者要采取措施防止熱量向這些部件傳遞。
8． 連續柔性板回流焊
　　特殊的爐子已經被開發出來處理貼裝有SMT元件的連續柔性板。與普通回流爐最大不同點是這種爐子需要特制的軌道來傳遞柔性板。當然，這種爐子也需要能處理連續板的問題。對于分離的PCB板來講，爐中的流量與前幾段工位的狀況無依賴關系，但是對于成卷連續的柔性板，柔性板在整條線上是連續的，線上任何一個特殊問題，停頓就意味著全線必須停頓，這樣就產生一個特殊問題，停頓在爐子中的部分會因過熱而損壞，因此，這樣的爐子必須具備應變隨機停頓的能力，繼續處理完該段柔性板，并在全線恢復連續運轉時回到正常工作狀態。
9． 垂直烘爐技術
　　市場對于縮小體積的需求，使CSP（如FLIP CHIP）得到較多應用，這樣元件貼裝后具有更小的占地面積和更高的信號傳遞速率。填充或灌膠被用來加強焊點結構使其能抵受住由于硅片與PCB材料的熱膨脹系數不一致而產生的應力，一般常會采用上滴或圍填法來把晶片用膠封起來。許多這樣的封裝膠都需要很長的固化時間，對于在線生產的爐子來講是不現實的，通常會使用成批處理的烘爐，但是垂直烘爐已經被證明可以成功地進行固化過程，并且其溫度曲線比普通回流爐更為簡單，垂直烘爐使用一個PCB傳輸系統來扮演緩沖區/堆積區的作用，這樣就延長了PCB板在一個小占地面積的烘爐中駐留的時間。
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　　以上我們介紹了圍繞著設備改進、回流焊裝備的發展沿革。實事上回流焊工藝的發展收到以下兩方面的推動：
1． 電子產品向短、小、輕、薄化發展。組裝高密度化，SMC/SMD微細間距化，SMC/SMD品種規格系列化，特別是異型元件與機電元件日益增多，這諸多的新發展迫使作為SMT中的重要工藝——回流焊工藝亦面臨著挑戰，需要不斷地發展和完善以提高焊接質量和成品率。
2． 人類文明發展到今天，控制三廢（廢氣、廢料、廢水）保護環境已成為共識。傳統的錫膏中含有助焊劑，其焊接后的殘留物需要用氟里昂（CFC）及丙酮等溶劑來清洗，而這些溶劑都會對環境造成污染，為了避免污染相應出現了水清洗工藝和免清洗工藝還有新型焊錫膏。