前言

在設(shè)定組裝參數(shù)時，回流焊工藝的溫度曲線是最重要的考慮因素之一。要想得到有效的溫度曲線，需要考慮的因素包括選擇合適的設(shè)備、充分了解結(jié)果并且能夠按需進(jìn)行調(diào)整。針對一些尺寸比較大的多層組件和使用熱質(zhì)量比較大的元件的組件，在考慮時，應(yīng)確保組件的所有區(qū)域都要達(dá)到形成正確焊點的最低推薦溫度，并確保免清洗助焊劑殘留物是良性的。仔細(xì)檢查組件的裝配圖，確定在選定區(qū)域內(nèi)是否存在厚的銅層，這是很有必要的。比較厚的銅層會從組件的表面把熱量吸走。這可能會造成焊點冷脆的缺陷。

溫度曲線的特點

在回流溫度曲線下，需要分析四個不同的階段或區(qū)域（圖1）。首先是預(yù)熱溫度上升斜坡（溫度上升斜率），接著是預(yù)熱溫度駐留階段（浸泡時間），然后是處在包含峰值溫度在內(nèi)的液相線溫度之上的時間，最后階段是冷卻區(qū)。

圖1、無鉛回流溫度曲線四個階段的例子。

對于在本實驗中使用的焊膏助焊劑，需要把預(yù)熱斜坡的斜率控制在2.0℃/秒以內(nèi)，這可以讓助焊劑逐步蒸發(fā)，并得到質(zhì)量更好的焊點，這樣做不會增加與焊料缺陷有關(guān)的風(fēng)險，例如焊球、短路等缺陷。

在預(yù)熱溫度駐留階段，助焊劑活化劑把氧化物去除掉，并且用焊膏來連接金屬表面。這個階段讓有許多元件的整個組件進(jìn)入低于焊料熔點的常用溫度。對于大多數(shù)焊膏類型，該溫度通常需要保持60到90秒。

回流階段是形成金屬間化合物的階段。回流溫度通常要比在焊料熔點高出20-40℃。保持在液相線之上時間為30-90秒，這取決于熱質(zhì)量和其他材料的選擇（圖1）。

冷卻區(qū)有助于確定焊點晶粒結(jié)構(gòu)的完整性。與預(yù)熱階段的溫度上升斜率相比，通常需要溫度下降較快的冷卻斜率，但要注意的是不要超過元件和電路板表面熱膨脹系數(shù)（CTE）。針對冷卻溫度下降速率的常規(guī)建議是不超過4°C/秒。

更詳細(xì)的信息請查閱《IPC-7530：大質(zhì)量焊接（回流焊和波峰焊）工藝的溫度曲線指南》。

溫度分析設(shè)備

根據(jù)不同的要求，有幾種回流溫度分析設(shè)備可供選擇。有的溫度分析儀是用來分析產(chǎn)品的，有的是用來分析回流焊爐的。在本研究中，我只關(guān)注能夠和產(chǎn)品一起移動的產(chǎn)品溫度分析設(shè)備，不需要很長的纜線，只要滿足回流焊爐的長度即可。產(chǎn)品溫度分析儀能夠在組件上測量多個位置的溫度。大多數(shù)商用移動式溫度分析儀使用最多六個獨立熱電偶。一些熱電偶實時測量數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機顯示器上的接收器，另一些熱電偶使用內(nèi)部內(nèi)存來存儲數(shù)據(jù)點，當(dāng)產(chǎn)品離開回流焊爐后再下載到計算機存儲介質(zhì)中。這兩類數(shù)據(jù)都可以得到需要的分析結(jié)果。

實驗設(shè)計

該實驗使用多條溫度曲線來確定溫度對清潔度測量和電阻測量的影響。我們使用離子色譜法（IC）來測量清潔度，在溫度40°C和相對濕度90%的環(huán)境下用五伏特偏壓進(jìn)行表面絕緣電阻（SIR）測試，每十分鐘測量一次。用所有測試電路板判斷兩種資格測試電路板是否合格（圖2）。

圖2、用來鑒定兩種測試測試結(jié)果的兩種測試鑒定板。

第一組溫度曲線的溫度比推薦的溫度限制低20°C。第二組溫度曲線比推薦的溫度限制低10°C的溫度。第三組溫度曲線是制造商針對這種焊膏推薦的溫度曲線。這條溫度曲線的溫度被視為是形成正確的焊點和活化劑全部被激活的最低容許溫度。第四組溫度曲線比推薦的溫度限制高10°C。

在每組溫度曲線下，分別處置十塊電路板，在這十塊電路板中，其中五塊做IC測試；另五塊進(jìn)行SIR測試。測量每塊電路板的四個不同位置，包括LCC、TQFP、BGA和作參考使用的沒有安裝成行連接器。

分析技術(shù)

正如前面所提到的，這些實驗使用了兩種分析技術(shù)：離子色譜（IC）測試和表面絕緣電阻（SIR）測試。

使用Chromeleon軟件的Dionex ICS 3000色譜系統(tǒng)做所有的IC測試。使用自動化局部提取技術(shù)來提取樣本。用機械方法把所有零部件移走，然后從電路板層提取樣本。因為局部提取并不像其他提取方法和測試方法那樣，把整個組件表面區(qū)域上的污染正?；跃植刻崛O為重要。用IC測試選定的焊膏的原始樣本，確定焊膏中活化劑的主要成分。在確定電路板平面的離子清潔度水平時，要把所有樣本的測量數(shù)據(jù)和原始焊膏的IC數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

SIR測試在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境倉中進(jìn)行，能夠?qū)囟茸兓刂圃凇?°C之間，相對濕度變化控制在3%以內(nèi)。用經(jīng)過校準(zhǔn)的自動開關(guān)測量系統(tǒng)進(jìn)行電氣測量，每10分鐘測一次。

第一組溫度曲線

第一組溫度曲線是在比焊膏制造商推薦的溫度低20°C的最糟糕情況下回流。用這組溫度曲線回流時，焊膏勉強達(dá)到液相狀態(tài)，這可能是多個失敗的加熱源的結(jié)果，使用不正確的方法（可能是標(biāo)準(zhǔn)的含鉛溫度曲線），或者是由其他的未知原因造成的（圖3）。

圖3、第一組溫度曲線。

第一組溫度曲線的IC結(jié)果

原始的焊膏IC樣品表明醋酸鹽、氯化物、鋰、鈉、銨和鉀是濃度最高的離子，也是在每次改變回流溫度曲線后最受關(guān)注的離子。這種最糟糕的溫度曲線表明在回流后醋酸鹽、氯化物、鋰和鈉等離子的水平大幅度提高。使用這一曲線，銨和鉀的含量大幅度下降（表1）。

表1、第一組溫度曲線的IC數(shù)據(jù)。

第一組溫度曲線的SIR結(jié)果

第一組溫度曲線的SIR結(jié)果說明，所有的樣本的表面電阻都沒有達(dá)到IPC 1.0e8歐姆的限制值（圖4）。

圖4、第一組溫度曲線的SIR結(jié)果。

第二組溫度曲線

第二組溫度曲線比第一組更接近實際情況，說明在溫度曲線的溫度只比推薦的溫度限制低10°C時，在回流后助焊劑殘留物對IC分析和SIR分析的影響。不過，對于熱質(zhì)量比較大的電路板和元件，出現(xiàn)10C°的溫度變化不無可能，這組溫度曲線的測試結(jié)果強調(diào)回流時組件和設(shè)備的溫度分布的重要性。因此，還必須對設(shè)備做測試，保證所有的加熱器都正常工作。這組溫度曲線見圖5，IC數(shù)據(jù)見表2，SIR數(shù)據(jù)見圖6。

圖5、第二組溫度曲線。

表2、第二組溫度曲線的IC數(shù)據(jù)。

圖6、第二組溫度曲線的SIR結(jié)果。

第二組溫度曲線的IC結(jié)果

第二組溫度曲線的IC結(jié)果說明，盡管大多數(shù)離子水平比較低，但是大多數(shù)離子仍高于建議的限制值。特別是醋酸鹽、鋰離子和鈉離子，這些離子的水平在正常的現(xiàn)場服務(wù)環(huán)境中可能會提高故障風(fēng)險。

第二組溫度曲線的SIR結(jié)果

所有元件的位置都不符合SIR標(biāo)準(zhǔn)，也不符合推薦的IC限制值。鑒于熱質(zhì)量非常小，連接器（沒有安裝元件）區(qū)域都通過了SIR測試和IC測試。

第三組溫度曲線

制造商推薦的斜率最大且上升速率小于每秒2°C的溫度曲線，在峰值溫度駐留30到90秒。本文研究選擇的峰值溫度是250°C，選擇的駐留時間約60秒。這條溫度曲線如圖7所示，IC結(jié)果見表3，SIR結(jié)果見圖8。

圖7、第三組溫度曲線。

表3、第三組溫度曲線的IC數(shù)據(jù)。

圖8、第三組溫度曲線的SIR結(jié)果。

第三組溫度曲線的IC結(jié)果

使用這個制造商推薦的溫度曲線，所有助焊劑活化劑在測試的區(qū)域上，不管有沒有元件，都開始起作用。觀察第三組溫度曲線，所有區(qū)域至少都達(dá)到246°C，這正好落在焊料熔點之上25-45°C的推薦溫度范圍內(nèi)。

第三組溫度曲線的SIR結(jié)果

不管有沒有元件，所有位置都通過可接受標(biāo)準(zhǔn)。圖8中數(shù)據(jù)說明，電阻測量始終沒有出現(xiàn)低于1.0e8歐姆的電阻值。這表示在大氣不是過度潮濕的正常的實際使用環(huán)境中，加電壓不會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

第四組溫度曲線

最后一組溫度曲線以260°C的峰值溫度回流，目的是確定（如果有）額外的熱能對清潔度和SIR性能的影響。這組溫度曲線的預(yù)熱上升斜率和冷卻下降斜率仍然在推薦的范圍內(nèi)（圖9）。

圖9、第四組溫度曲線。

第四組溫度曲線的IC結(jié)果

額外的熱能使峰值溫度超過250°C，沒有明顯降低離子水平。增加熱能實際上可能是有害的，會對某些類型的元件造成損害。表4中的數(shù)據(jù)說明這組測試的IC結(jié)果水平和第三組相似。

表4、第四組溫度曲線的IC數(shù)據(jù)。

第四組溫度曲線的SIR結(jié)果

和第三組溫度曲線一樣，不管有無元件的所有位置都通過了可接受標(biāo)準(zhǔn)。圖10的數(shù)據(jù)說明，電阻測量始終沒有測到小于1.0e8歐姆的電阻。這表示在大氣不是過度潮濕的正常的實際使用環(huán)境中，加電壓不會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

圖10、第四組溫度曲線的SIR結(jié)果。

結(jié)論

組件最終的可靠性在很大程度上依賴在焊接中使用的溫度曲線。溫度曲線的峰值溫度過低時，會在電路板上留下過多有活性的助焊劑殘留物。此外，當(dāng)組件在正常工作期間從大氣中吸收足夠多的水分或者從異常出現(xiàn)的冷凝水中吸收足夠多的水分時，因漏電、電化學(xué)遷移導(dǎo)致故障的風(fēng)險會增加。有活性的免清洗助焊劑殘留物通常具有導(dǎo)電性，而且當(dāng)這些殘留物經(jīng)非公共導(dǎo)體吸入水分時，電壓很容易在兩者間流動。在用水溶性助焊劑處置組件時，或者在清洗免清洗助焊劑時，使用清除導(dǎo)電殘留物的故障防止裝置。使用各種類型的免清洗助焊劑處理時，不允許選定的材料中的污染物超過標(biāo)準(zhǔn)的要求，例如PCB和元件。在努力降低組件的整體清潔度和質(zhì)量時，能夠控制的事情不多，其中就包括了回流工藝。

下一步工作

鑒于有非常多不同的免清洗助焊劑配方，下一步要進(jìn)行一項規(guī)模更大的研究，將納入更多的助焊劑類型，以確定熱能對作為助焊劑活化劑使用的不同類型化學(xué)材料的影響。