无铅化组装对再流焊设备的挑战TheLead-freeAs

SMT论文集工艺篇作者介绍：史建卫，哈尔滨工业大学硕士研究生联系方式：13760160106，[e-mail]无铅化组装对再流焊设备的挑战史建卫1,2，何鹏1，钱乙余1，袁和平2(1.哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室，黑龙江，哈尔滨1500012.日东电子科技(深圳)有限公司，广东，深圳，518103)摘要：无铅钎料的高熔点、低润湿性给再流焊设备带来了新的挑战。本文从无铅焊接工艺角度出发，论述了加热系统，制程控制，助焊剂管理系统，冷却系统和氮气保护等五个方面对焊接设备提出的要求。关键词：再流焊，无铅化组装，强制热风对流，氮气保护，助焊剂管理TheLead-freeAssembly’sChallengetoReflowSolderingEquipmentShiJian-Wei1.2,HePeng1,QianYi-Yu1,YuanHe-Ping2(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150001,China2.SunEastElectronictechnology(ShenZhen)companyLt.d,Shenzhen,518103China)Abstract:Highermeltingpointandpoorwettabilityoffree-leadsolderchallengethetraditionalreflowsolderingequipments.Takingintoaccountofpracticalsolderingprocess,thisarticleanalyzesandillustratesthedemandsofreflowsolderingequipmentsinfiveaspects:heatingsystem,processcontrolsystem,fluxmanagementsystem,coolingsystemandN2protection.Keywords:Reflowsoldering,Free-leadassembly,Forced-AirConvection,N2Protection,Fluxmanagement1.引言电子整机行业的无铅化技术发展是国际信息产业工业发展的必然趋势，我国信息产业部也要求在2006年7月1日前，全国实现电子信息产品的无铅化[1,2]。当世界电子组装逐渐实现无铅化后，无铅钎料的高熔点、低润湿性给实际的焊接生产工艺带来了很大变化，其主要特点如下：1.目前可用的无铅钎料(Sn-Ag,Sn-Ag-Cu等)的熔点比传统的Sn-Pb钎料熔点高出30～40℃左右，因此无铅焊接需要较高的焊接温度[3]。2.无铅钎料的润湿性弱于传统的Sn-Pb钎料，同时从残渣腐蚀性的角度考虑,不能使用活性太强的助焊剂，因此无铅焊接可能需要较大的助焊剂使用量[3]。3.无铅焊接温度曲线与传统共晶温度曲线相比较，预热区坡度变缓，焊接区温度升高[4]。4.再流焊过程中，采用的元器件和PCB板并没有随着无铅化而发生改变，其焊接可承受温度最大不能超过240℃，如果超过这个温度，就进入危险区，导致缺陷的出现和元器件的损坏。无铅焊接温度的提高，造成焊接工艺窗口变窄，只有8～10℃[5]。2.无铅化对焊接设备提出的新要求无铅化组装给再流焊生产设备带来了新的挑战，面对无铅钎料的高熔点、低润湿，设备生产厂商应该对炉子结构和性能进行新的设计和改进，满足无铅化焊接的要求。作者介绍：史建卫（1979-），男，哈尔滨工业大学硕士研究生，主要从事SMT工艺与设备方面的研究SMT论文集工艺篇作者介绍：史建卫，哈尔滨工业大学硕士研究生联系方式：13760160106，[e-mail]2.1加热系统（1）上下两面同时加热，提高热效率随着SMT的发展，汽相技术和红外技术逐渐退出组装工艺，热风强制对流技术以其独特的优势开始占取市场。对于传统共晶钎料，由于焊接温度不高，常采取单面加热或局部双面加热。无铅化后，焊接温度升高，常用SnAgCu合金的熔点为217℃～219℃，SnAg合金的熔点为221℃，如果焊接温度为240℃，考虑到实际生产中PCB板上温度一般要低于模块温度10℃左右，固应该具有250℃以上的再流区加热能力。另外无铅化后工艺窗口变窄，加上无铅钎料的非共晶特性，PCB板面横向温差∆T对焊接质量会造成很大的影响，重负荷与轻负荷在同一位置温度差别一般控制在5℃之内。考虑到以上原因，无铅化后应该采用上下两面同时加热方式，增强加热能力，提高加热效率。（2）提高温区之间绝缘性温度爬升能力是决定预热温度的关键因素，温度爬升能力越大，预热温度可以越低。当再流区温度为230℃时，预热温度设为180℃，接近有铅钎料的熔点，已经是相当高的温度了，50℃的温度爬升能力是最起码的要求，70℃的温度爬升能力较好，目前，一些再流焊温度爬升能力可达100℃。爬升能力低，各温区之间容易串温，会给工艺曲线的调整带来不便。高预热温度对焊接质量会造成不良的影响，而且功率消耗量也大，良好的温区绝缘是提高温度爬升能力的最好方法，这样热量就不会通过金属和气体传递，而只通过导轨，PCB和链条传递，可以实现大爬升能力。（3）炉体加长，减小导轨的热膨胀率由于无铅合金比热增大，需要更长的预热时间（或提高加热效率）来提高预热温度，减小快速升温对树脂基板和元器件的影响，导致工艺时间变长；另外由于无铅化后工艺窗口变窄,要求平顶温度曲线，而预热区到焊接区温差又接近50～60℃，单个再流区难以做到平顶的焊接温度曲线，因此双再流温区的设备优于单回流温区的设备。另外，由于无铅钎料产品的多样性，为了适应不同生产厂商的温度曲线要求，应该增加温度曲线的柔性，其中办法之一就是增加加热模块数。这样一来，炉体加长，对于运输导轨来说不得不考虑热膨胀的影响。假设导轨长度为5000mm左右，导轨用材为铝型材，取热膨胀系数取235×10－5mm/℃，那么在240℃焊接时的膨胀量将达几个毫米，这样会导致导轨发生变形，出现夹板或漏板现象，因此无铅化后应采用CET更小的导轨材料，或采取其它方式来防止热膨胀，比如炉子中不同温区的轨道之间用不锈钢栓连接，这样既可以防止导轨变形，也可以减小横截面，减小不同温区之间的热传递。（4）双再流焊区设备极限加热模块数对于双再流焊区设备，结合日本电子信息技术工业协会(JEITA)和相关资料推荐的温度曲线参数，我们取极限参数计算炉区的最少模块数，结果为7.78个，取整数为8个模块数，炉区最少模块计算原理图见图1。模块数越多，曲线柔性越大越易调整温度曲线。由于焊膏的种类不同，参考标准的差异，设备生产商应该根据实际的技术要求对加热模块数进行调整。SMT论文集工艺篇作者介绍：史建卫，哈尔滨工业大学硕士研究生联系方式：13760160106，[e-mail]图1炉区最少模块计算原理图（5）采用高性能热风马达对流炉最大的问题就是热传导的低效率，最大不超过19％[6]。为了得到高的热传导效率，除了上述采用上下两面同时加热外，循环气体的流速要求很快，PCB表面的速度达到1-1.3m/s左右或更高[7]。但是速度不能太高，否则就容易吹走元器件，所以对于不同的厂商、不同的模块大小和喷嘴尺寸，都不一样，要经过严格的试验来设计和测量。总体目标是低流量，高风压，高热效率。大量气体被加热后快速流出加热模块，对焊接材料进行加热。对于设备而言就需要大功率、高速旋转的风扇马达，最高耐热温度一般应达350℃[8]。2.2制程控制系统伴随电子产品朝着轻小型、便携式方向发展，BGA器件、细间距QFP、微型阻容器件得到了大量使用，随之带动了高密度电子组装技术的发展。一块PCB板上的元器件越来越多，焊点也越来越多，成本也越来越贵，如果一个焊点出现问题，就会导致整个电路板报废。无铅化后工艺窗口变窄，焊接质量对于温度曲线依赖性很大，所以在一个很窄的窗口中控制气体温度是非常重要的。生产中可通过PID控制模块上的热电偶来实现。无铅焊接中严格控制制程参数成为保证焊接品质的重要手段。如果设备带有独立的制程参数监视统计系统，能对制程参数进行实时监视和统计分析，则可以大幅度提升对焊接工艺的监控能力，有效预防不良品的发生。再流焊设备制造商越来越认识到炉子先进的温度曲线绘制能力与实际炉子控制软件结合的优点。这种曲线绘制软件和控制软件作为一个单元工作使系统具有自我绘制曲线功能。过程控制方式通常有三种：SPC、PWI和能力指数Cp和Cpk[9,10]。SPC即统计过程控制（StatisticalProcessControl），其主要是指应用统计分析技术对生产过程进行实时监控，科学的区分出生产过程中产品质量的随机波动与异常波动，从而对生产过程的异常趋势提出预警，以便生产管理人员及时采取措施，消除异常，恢复过程的稳定，从而达到提高和控制质量的目的。SPC做为一套监控变化的工具，是适于3-sigma（标准差）能力或管理目标的工具。使用“能力指标”Cp和Cpk指数来预测不良生产，较SPC技术更科学、准确和有效。通过对设备能力Cp和工艺能力Cpk的测量和计算，就可以清楚的预测生产的品质水平；只要对其监SMT论文集工艺篇作者介绍：史建卫，哈尔滨工业大学硕士研究生联系方式：13760160106，[e-mail]控，就可以检查作业和预防不良品。但是由于其十分复杂和难以掌握，不能够广泛的应用于实际生产中。PWI(ProcessWindowIndex)是将工艺窗口的范围按0到+/－100％来划分，然后对所设置的或所测量的某一特性表现根据它和工艺极限的相对数据距离，以百分比的方式表示出来(如图2)。PWI容易理解和使用，而且计算容易、完全符合“瓶颈”理念，它的整体指标(即总PWI值)是按照所有考虑因素中的最弱点来决定的。三种控制方式不是单独使用的，生产中常根据不同的控制要求进行结合与选择。如果对产品要求在4-sigma水平之下，SPC技术可以使用，如果辅以PWI，则更好；如果对产品要求在4-sigma到5-sigma之间，减少对SPC的依赖，以PWI为主辅以Cpk技术；如果对产品要求在5-sigma以上，应该以Cpk为主辅以PWI技术了。自动再流焊管理系统[11-12]基本功能是精确地自动检测和搜集通过炉子的产品数据，这种功能具有下列好处：减小工艺检验曲线地必要；提供实时反馈和报警对于零缺陷；彻底地自动再流工艺数据搜集；提供自动地再流焊工艺SPC框图和基于工艺Cpk变动地能力。管理系统由硬件和软件组成，硬件包含两组固定在炉膛内的热电偶组，每组包含15个传感器（如图3），这两组热电偶沿着传送轨道均匀安装，外面是不锈钢保护套管，然后连接到热电偶处理器（TPU），TPU再和控制电脑连接。热电偶有很高的可靠性和灵敏度，当板子在炉子中通过时，气流温度的变化都会被传感器侦测到，然后通过TPU传送到电脑中进行数据处理分析。在制程的开发中首先要定义的是规格，即制程窗口。对再流焊制程来说，焊膏和零件厂商都有自己的规格，而制程窗口指数PWI是一个统计工具来定义的制程规格，并可以评估实际的规格的符合程度。SPC系统可以设置从KIC系统中读取数据。对于影响焊接质量的众多因素，利用参数搜索引擎或KIC自动预测功能，可以判别种种设定，分析产品和温度曲线及PWI，然后自动优化，在几十秒内就可以找出落在制程窗口中心的参数设定，也即PWI最小值。如图4示，绿色代表可允许范围之内，黄色代表允许范围之外。实际生产中，可以选取绿色表示的数值，如图中选取最小的PWI值95.94％。图2PWI值定义图3左右两组热电偶每组15个传感器炉子参数设定后，通过自动再流焊制程管理系统可以计算出炉子制造的每一片板的温度曲线及相应的PWI值，也可以计算出每一产品的实时Cpk值。这样，当Cpk不在预设水平时，系统就会发出警报。警报可以打开一个报警灯或停掉前段的输送带。SMT论文集工艺篇作者介绍：史建卫，哈尔滨工业大学硕士研究生联系方式：1376016