回流焊接工藝

    無鉛技術(shù)在焊接工藝上造成的變化最大，也是整個工藝技術(shù)中最難處理的部分。這方面的變化，是來自取出鉛金屬后的焊接金屬在熔點和表面張力上的變化。這兩方面的特性變化，使原先使用在錫鉛中的焊劑配方必須重新設(shè)計或調(diào)整。熔點溫度的改變和焊劑成分的不同也對焊接工藝造成工藝參數(shù)上的改變。從目前的研究結(jié)果中，所有較可替代的合金中，熔點溫度都高于現(xiàn)有的錫鉛合金。例如從目前較可能被業(yè)界廣泛接受的‘錫-銀-銅’合金看來，其熔點是在217oC。以此作為例子來看，無鉛技術(shù)的采用將在焊接工藝中造成工藝窗口的大大縮小。理論上在工藝窗口的萎縮從錫鉛焊料的37oC降到只有23oC，約38%的萎縮（見圖一）。實際上，工藝窗口的萎縮還比以上的理論值還大。原因是在實際工作上，我們的測溫（Profiling）做法含有一定的不確定性，加上DFM的限制，以及要很好的照顧到焊點‘外觀’（不少工廠還是以外觀做為主要的質(zhì)量檢查依據(jù)）等等，這個回流焊接工藝的窗口其實只約有14oC（約53%的萎縮）。這只有14oC的工藝窗口，事實上在工藝調(diào)制上是有很大的挑戰(zhàn)性的。而對設(shè)備（回流爐）和DFM的要求也比錫鉛技術(shù)的應(yīng)用要求高出許多。
    理論上在焊接過程時，焊點的溫度只要達到焊料合金的熔點溫度就行了。但在實際情況下，剛達到熔點溫度的焊料，其潤濕性特差。所以我們必須提高實際焊點的溫度以增加潤濕能力。由于無鉛合金的潤濕性比起錫鉛合金還差，這做法在無鉛技術(shù)上更是必要。PCBA上的器件和板材都有承受溫度的極限，目前在無鉛技術(shù)中對這承受溫度提出的要求是260oC。雖然這溫度和含鉛技術(shù)的240oC比較下有所提高，但因為焊點溫度受到熔點溫度和潤濕性考慮的影響提高的幅度更大，這就造成了容許的工藝窗口（溫度的上下限）在無鉛技術(shù)中小了許多。
    事實上，如果器件供應(yīng)商在器件設(shè)計上只滿足國際建議的260oC為上限，用戶所面對的問題還更大。所擁有的焊接溫度工藝窗口就可能連上面所說的14oC都不到了。這是因為有些器件如BGA之類的封裝設(shè)計，在對流加熱的應(yīng)用中，封裝本體的溫度是常常高于底部的焊點溫度的。這原本還不算是個大問題，使問題惡化的是，這些器件一般也都是熱容量較大的器件，封裝導(dǎo)熱性不是十分優(yōu)良。而由于同一PCBA上總有些熱容量小很多的器件（注三），所以就造成了實際溫差十分難通過工藝調(diào)整來縮小和確保都在工藝窗口內(nèi)。
    不只是工藝窗口的縮小給工藝人員帶來巨大的挑戰(zhàn)，焊接溫度的提高也使焊接工作更加困難。其中一項就是高溫焊接過程中的氧化現(xiàn)象。我們都知道，氧化層會使焊接困難、潤濕不良以及造成影響焊點壽命的虛焊。而氧化的程度，除了器件來料本身要有足夠的控制外，用戶的庫存條件和時間、加工前的處理（例如除濕烘烤）、以及焊接中預(yù)熱（或恒溫）階段所承受的熱能（溫度和時間）等等都是決定因素。無鉛技術(shù)的溫度提高，正使焊端在預(yù)熱段造成更多的氧化。如果錫膏的助焊劑能力不足，或是回流溫度曲線在‘清潔/除氧化’段的工藝設(shè)置不當?shù)脑�，回流時就可能出現(xiàn)焊接不良的問題。
    ‘爆米花’現(xiàn)象是另外一項在無鉛技術(shù)中會加重的問題。業(yè)界有一些研究報告指出，由于溫度的升高，在無鉛焊接中許多IC的防潮敏感性都會提高了一到兩個等級。也就是說，用戶的防潮控制或處理必須也給于加強。這對于那些很小批量生產(chǎn)的用戶將有較嚴重的影響。因為許多很小批量生產(chǎn)的用戶都有較長時間的來料庫存時間。如果庫存的防潮設(shè)施不理想，就必須通過組裝前烘烤除濕的做法來防止‘爆米花’問題。這做法在進入無鉛時代后由于其對吸潮的更加敏感而更頻繁。烘烤雖然能夠解決‘爆米花’問題，但烘烤過程會加劇器件焊端的氧化，帶來了焊接的難度。一個可行的做法是使用惰
    ‘立碑’是另外一個在無鉛技術(shù)中較在含鉛技術(shù)嚴重的問題。這是因為無鉛合金的表面張力較強的原因。解決的原理和含鉛技術(shù)一樣，其中通過DFM控制器件焊端和焊盤尺寸，以及兩端熱容量最為有效。其次可通過工藝調(diào)整減少器件兩端的溫差。該注意的是，雖然原理不變，但無鉛的工藝窗口會小一些，所以用戶必須首先確保本身使用的爐子有足夠的能力。即有良好的加熱效率以及穩(wěn)定的氣流。
    ‘氣孔’在錫鉛技術(shù)中原已經(jīng)是個不容易完全解決的問題。而進入無鉛技術(shù)后，這問題還會隨無鉛合金表面張力的提高而顯得更嚴重。要消除  ‘氣孔’問題，有三個因素必須緊密配合和給于照顧。就是錫膏特性（錫膏的認證選擇）、DFM（器件焊端結(jié)構(gòu)、焊盤和鋼網(wǎng)開口設(shè)計）、以及回流工藝（溫度曲線的設(shè)置）。其控制原理和含鉛技術(shù)中沒有不同，只是窗口小了些。
    由于無鉛焊接工藝窗口比起含鉛焊接工藝窗口有顯著的縮小，業(yè)界有些人認為氮氣焊接環(huán)境的使用也許有必要。氮氣焊接能夠減少熔錫的表面張力，增加其潤濕性。也能防止預(yù)熱期間造成的氧化。但氮氣非萬能，它不能解決所有無鉛帶來的問題。尤其是不可能解決焊接工藝前已經(jīng)造成的問題。例如錫膏、回流爐能力、DFM等問題。而且氮氣的使用增加成本，所以它不應(yīng)該是個首要考慮點。應(yīng)該定位為是一種‘補救手段’。也就是說正確的處理態(tài)度，應(yīng)該是在實施‘技術(shù)整合’中確認其他有效因素?zé)o法改善或控制得當之后，才考慮是否要實施氮氣焊接工藝。國內(nèi)使用氮氣的用戶不多，但在我接觸的兩家企業(yè)中，其實都不需要使用氮氣。其工藝問題都應(yīng)該從其他更經(jīng)濟有效的做法來解決。所以這里提醒用戶們，雖然氮氣會有所幫助，但您不一定要借助于它。不宜在您未掌握其他方面的知識前別匆匆作出使用的決定。
    工藝窗口小不僅對工藝調(diào)制準確性的要求高，還同時要求工藝的穩(wěn)定性也必須非常高。否則即使工藝設(shè)置到最優(yōu)化點，工藝的偏移也會使質(zhì)量很快的偏移出受控區(qū)。要工藝穩(wěn)定，設(shè)備是個關(guān)鍵的因素。在目前的回流焊接設(shè)備中，使用強制熱風(fēng)對流原理的爐子設(shè)計是個主流。熱風(fēng)對流技術(shù)能夠取代早期的氣相和稍后的紅外輻射技術(shù)，在于它的升溫速度的可控性以及恒溫能力較強。但可惜的是，熱風(fēng)對流在加熱效率和加熱均勻性以及重復(fù)性等都是其弱點。這些弱點，在含鉛技術(shù)中體現(xiàn)的并不嚴重，許多情況下還可以被接受。隨著無鉛技術(shù)在工藝窗口上的縮小和對重復(fù)性的更高要求，熱風(fēng)對流技術(shù)將受到挑戰(zhàn)。一些在熱風(fēng)對流技術(shù)上設(shè)計得不太好的中低檔次設(shè)備，將不能夠有效的支持了解工藝和關(guān)心質(zhì)量的用戶。
     熱風(fēng)回流爐的原理是通過熱空氣作為傳熱的媒介�？諝獗旧聿⒉皇莻�良好的熱導(dǎo)體。而必須通過足夠的‘對流’來達到傳熱目的。所以爐子如何控制內(nèi)部氣流的設(shè)計是個關(guān)鍵。而空氣的流動是十分難控制得精準的。即使是設(shè)計優(yōu)良的爐子，其傳熱效益也會因為爐膛內(nèi)氣壓的變化（來自排風(fēng)系統(tǒng)的變化、風(fēng)扇老化、出風(fēng)口的逐漸堵塞等）、負荷的變化（入爐時間或間隔時間）、錫膏揮發(fā)物、設(shè)備的老化等等變數(shù)而產(chǎn)生變化。因此如果要最好的控制住焊接工藝，就必須要有個不斷監(jiān)督的做法。
    目前國內(nèi)的許多用戶還不是很注重焊接的工藝管制。許多用戶其實在整個焊接過程中并沒有任何監(jiān)控手段。一些做得較好的，就會使用測試板定期通過爐子測量爐溫的變化。雖然這也是個可行的辦法，但存在兩個弱點：
1． 成本高 – 測量板必須是產(chǎn)品才有意義。空板并不能真正測出所有的可能變化。模擬板的效果可以令人滿意，但設(shè)計有一定的難度。如果使用實際產(chǎn)品，則成本可能會高。而且測試板并非無限壽命，經(jīng)過一定次數(shù)后必須更換。除了板材成本外，測試認證所需的人員、時間等也是成本的元素。
2． 漏檢 – 以上的做法不可能是持續(xù)不斷的。一般用戶會在班次的開始或交接班時，以及班次中間某段時間進行。所以是屬于一種抽樣檢查技術(shù)。而且抽樣的樣本數(shù)并不高。所以其漏檢誤判率也偏高。