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回流焊机技术

无铅回流焊机焊接的主要特点及对策

  • 更新时间2015-06-24 16:31:00
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详细描述

无铅回流焊机的焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形,与有铅焊点有较明显的不同,如果用原来有铅的检验标准衡量,甚至可以认为是不合格的,但对于一般要求的民用电子产品这些不影响使用质量。因此要说服客户理解,这是因为无铅焊接润湿性差造成的。随着无铅技术的深入和发展,由于助焊剂的改进以及工艺的进步,无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观,相信以后会有更好的进步。

 

 

 
一、无铅回流焊机接的主要特点:
 
1、高温、熔点比传统有铅共晶焊料高34℃左右。
2、表面张力大、润湿性差。
3、工艺窗口小,质量控制难度大。
 
二、无铅回流焊点的特点:
 
1、浸润性差,扩展性差。
2、无铅焊点外观粗糙,传统的检验标准与AOI需要升级。
3、无铅焊点中气孔较多,尤其有铅焊端与无铅焊料混用时,焊端(球)上的有铅焊料先熔,覆盖焊盘,助焊剂排不出去,造成气孔。
4、缺陷多,由于浸润性差,使自定位效应减弱。
 
三、 从回流焊温度曲线分析无铅焊接的特点与对策,通过对有铅和无铅温度曲线的比较分析无铅焊接的特点及对策:
 
1、在升温区,有铅焊接从25℃升到100℃sec只需要60-90sec;而无铅焊接从25℃升到110℃需要100-200 sec,其升温时间比有铅要延长一倍,当多层板、大板以及有大热容量元器件的复杂印制电路板时,为了使整个PCB温度均匀,减小PCB及大小元器件的温差,无铅焊接需要缓慢升温。由此可以看出无铅焊接要求焊接设备升温、预热区长度要加长。
 
2、在快速升温区,(助焊剂浸润区),有铅焊接从150℃升到183℃,升温33℃,可允许在30-60sec之间完成,其升温速率为0.55-1℃/sec;而无铅焊接从150℃升到217℃,升温67℃,只允许在50-70sec之间完成,其升温速率为0.96-1.34℃/sec,要求升温速率比有铅高30%左右,温度越高升温越困难,如果升温速率提不上去,长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应,严重时会PCB焊盘,元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良。为了提高助焊剂浸润区的升温斜率,应增加回流区的数目或提高加热功率。由于高温和浸润性差,要求提高焊膏中助焊剂的活动化温度和活性。
 
3、再看回流区,有铅的峰值温度为210-230℃,无铅的峰值温度为235-245℃,由于FR-4基材PCB的极限温度为240℃,由此可以看出有铅焊接时,允许有30℃的波动范围,工艺窗口比较宽松;而无铅焊接时,只允许有5℃的波动范围,工艺窗口非常窄。如果PCB表面温度是均匀的,那么实际工艺允许有5℃的误差。假若PCB表面有温度误差Δt>5℃,那么PCB某处已超过FR-4基材PCB的极限温度240℃,会损坏PCB。这个例孖仅仅适合简单产品,对于有大热容量的复杂产品。可能需要260℃才能焊好。因此FR-4基材PCB就不能满足要求了。
 
 在实际回流焊中,在同一块PCB上,由于不同位置铜的分布面积不同,不同位置上元器件的大小、元器件密集程度不同,因此PCB表面的温度是不均匀的。回流焊时如果最小峰值温度为235℃,最大峰值温度取决于板面的温差Δt,它取决于板的尺寸、厚度、层数、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和热容量。拥有大而复杂元件(如CBGA、CCGA等)的大、厚印制板,典型Δt高达20-25℃。为了减小PCB表面的Δt,满足微小的无铅工艺窗口。再流焊炉的热容量和横向温差也是保证无铅焊接质量很重要的因素。一般要求再流焊炉横向温差<2℃,为了减小炉子横向温差Δt,除了采取更好的炉体保温措施,还可采用对导轨加热的方法。因为导轨容易散热,一般在靠近导轨处的温度箭微低一些。由于无铅比有铅的熔点高34℃,因此要求无铅焊接设备耐高温,抗腐蚀。对于大尺寸的PCB要求设备的导轨增加中间支撑。
 
在冷却区,由于回流区的峰值温度高,为了防止由于焊点冷却凝固时间长,造成焊点结晶颗粒长大;另外,加速冷却可以防止产生偏析,避免枝状结晶的形成,因此要求焊接设备增加冷却装置,使焊点快速降温。
 
四、无铅焊膏印刷和贴装工艺对策:
 
1、无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别
 
(1)铅焊膏的浸润性和铺展性远远低于有铅焊膏,在焊盘上没有印刷焊膏的地方,熔融的焊料是铺展不到那些地方的,那么,焊后就会使没有被焊料覆盖的裸铜焊盘长期暴露在空气中,在潮气、高温、腐蚀气体等恶劣环境下,造成焊点被腐蚀而失效。影响产品的寿命和可靠性。
(2)为了改善浸润性,无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏;
(3)由于缺少铅的润滑作用,焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。
 
2、无铅模板开口设计
 
 针对无铅焊膏的浸润性和铺展性差等特点,无铅模板开口设计应比有铅大一些,使焊膏尽可以完全覆盖焊盘。具体可以采取以下措施。
 
(1)对于Pitch>0.5mm的器件,一般采取1:1.02-1:1.1的开口。
(2)对于Pitch≤0.5mm的器件,通常采用1:1开口,原则上至少不用缩小。
(3)对于0402的Chip元件,通常采用1:1开口,为防止竖碑、回流时元件移位等现象,可将焊盘开口内侧修改成尖角形或弓形。
(4)原则上模板厚度与有铅模板相同,由于无铅焊膏中的助焊剂含量高一些,也就是说合金含量少一些,因此也可以适当增加模板厚度。
(5)无铅模板宽厚比和面积比。
 
为了正确控制焊膏的印刷量和焊膏图形的质量,必须保证模板上最小的开口宽度与模板厚度的比率大于1.5,模板开口面积与开口四周内壁面积的比率大于0.66,,这是IPC7525标准,也是有铅模板开口设计最基本的要求。
 
由于无铅焊膏填充和脱膜能力较差,对模板开口宽厚比,面积比的要求更高一些:
 
无铅宽厚比:开口宽度(W)/模板厚度(T)>1.6
无铅面积比:开口面积(W×L)/孔壁面积[2×(L+W)×T] >0.71
 
五、无铅模板制造方法的选择:
 
 对于一般密度的产品采用传统的激光、腐蚀等方法均可以。对于0201等高密度的元器件应采用激光+电抛光、或电铸,更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。
 
六、无铅对印刷精度和贴装精度的要求:
 
因为无铅浸润力小。回流时自校正(Selfalign)作用比较小,因此,印刷精度和贴片精度比有铅时要求更高。
 
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