5G萬物互聯(lián)時代，保證PCBA高可靠焊接的各種類型回流焊接工藝解析!
隨著SMT電子元器件不斷向小型化發(fā)展，芯片集成度越來越高，無論是筆記本、智能手機(jī)還是醫(yī)療器械、汽車電子，軍工和航天產(chǎn)品，產(chǎn)品中的陣列封裝的BGA、CSP等器件應(yīng)用越來越多，對產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越多。
5G是2019年火熱的詞匯，而今5G時代揭開序幕，從手機(jī)PCBA電路板內(nèi)部來看，相比4G手機(jī)，5G手機(jī)的設(shè)計難點除了基帶芯片之外，主要集中在射頻、天線等處。由于5G比4G頻率至少高1倍、頻帶寬5倍、頻段高達(dá)29個、功率高5倍、速率高10倍、天線多幾十倍。這都需要我們不斷的提高工藝能力 ，增加高端設(shè)備，通過高質(zhì)量焊接保證高可靠性產(chǎn)品。
PCBA高可靠焊接的各種工藝解析
在高精密的電子制造工序中SMT生產(chǎn)設(shè)備有不少，主要自動化設(shè)備有SMT自動X-RAY點料機(jī)、SMT首件檢測儀、全自動錫膏印刷機(jī)、在線3D-SPI錫膏印刷檢測儀、貼片機(jī)、回流焊、在線AOI光學(xué)檢測儀、在線PCBA全自動銑刀分板機(jī)等。
每種設(shè)備都有特定的功用和用途，回流焊爐是SMT生產(chǎn)線后道工序，負(fù)責(zé)將已經(jīng)貼裝好的PCB電路板和元器件的焊料融化后與主板粘結(jié)。
回流焊已成為SMT的主流工藝，我們常用的智能手機(jī)板卡上的元件大都是通過這種工藝焊接到線路板上的 , 是靠熱氣流對焊點的作用，膠狀的焊劑在一定的高溫氣流下進(jìn)行物理反應(yīng)達(dá)到SMD的焊接；之所以叫"回流焊"是因為氣體在焊機(jī)內(nèi)循環(huán)流動產(chǎn)生高溫達(dá)到焊接目的；回流焊爐同樣有很多品種，比如熱風(fēng)回流焊、氮氣回流焊、氣相回流焊、真空回流焊等。
SMT回流焊接，是電子板組裝作業(yè)中的重要工序，如果沒有較好的掌握它，不但會出現(xiàn)許多“臨時故障”還會直接影響焊點的壽命；下面SMT行業(yè)頭條小編收集了電子制造業(yè)當(dāng)下流行的各類SMT回流焊接工藝和大家分享，希望對SMT行業(yè)的精英小伙伴們工作有幫助 !
SMT回流焊是SMT組裝過程的關(guān)鍵設(shè)備，PCBA焊接的焊點質(zhì)量完全取決于回流焊接設(shè)備的性能和溫度曲線的設(shè)置。
回流焊接技術(shù)經(jīng)歷了板式輻射加熱、石英紅外管加熱、紅外熱風(fēng)加熱、強(qiáng)制熱風(fēng)加熱、強(qiáng)制熱風(fēng)加熱加氮氣保護(hù)等不同形式的發(fā)展過程。
01
熱板、推板式傳導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。我國的一些厚膜電路廠在80年代初曾引進(jìn)過此類設(shè)備。
02
紅外輻射回流焊
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(nèi)的溫度比前一種方式均勻，網(wǎng)孔較大，適于對雙面組裝的基板進(jìn)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。
03
紅外加熱風(fēng)回流焊
這類回流焊爐是在IR爐的基礎(chǔ)上加上熱風(fēng)使?fàn)t內(nèi)溫度較均勻，單純使用紅外輻射加熱時，人們發(fā)現(xiàn)在同樣的加熱環(huán)境內(nèi)，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(huán)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(fēng)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較普遍。
04
氮氣回流焊
隨著組裝密度的提高，精細(xì)間距（Fine pitch）組裝技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了充氮回流焊工藝和設(shè)備，改善了回流焊的質(zhì)量和成品率，已成為回流焊的發(fā)展方向。
氮氣回流焊有以下優(yōu)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(chǎn)生，避免橋接，得到列好的焊接質(zhì)量
得到列好的焊接質(zhì)量特別重要的是，可以使用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(dāng)你需要爐內(nèi)達(dá)到1000ppm含氧量與50ppm含氧量，對氮氣的需求是有天壤之別的?，F(xiàn)在的錫膏制造廠商都在致力于開發(fā)在較高含氧量的氣氛中就能進(jìn)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(jìn)行成本收益分析，它的收益包括產(chǎn)品的良率，品質(zhì)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(shù)爐子都是強(qiáng)制熱風(fēng)循環(huán)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(jìn)出口的開口面積，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(jìn)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(shè)計爐的時候就使得加熱腔比進(jìn)出口都高，這樣加熱腔內(nèi)形成自然氮氣層，減少了氮氣的補(bǔ)償量并維護(hù)在要求的純度上。
05
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(huán)節(jié)，而成為PCB混裝技術(shù)中的一個工藝環(huán)節(jié)。一個好處就是可以在發(fā)揮表面貼裝制造工藝的優(yōu)點的同時使用通孔插件來得到較好的機(jī)械聯(lián)接強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度也往往是不夠大的，容易在產(chǎn)品的使用中脫開而成為故障點。
盡管通孔回流焊可發(fā)取得償還好處，但是在實際應(yīng)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(chǎn)生對機(jī)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(shè)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(fù)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(qiáng)制對流爐子，才有可能實現(xiàn)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(dāng)?shù)幕亓骱笢囟惹€。隨著工藝與元件的改進(jìn)，通孔回流焊也會越來越多被應(yīng)用。
在傳統(tǒng)的電子組裝工藝中，對于安裝有過孔插裝元件(THD)印制板組件的焊接一般采用波峰焊接技術(shù)。但波峰焊接有許多不足之處：不適合高密度、細(xì)間距元件焊接；橋接、漏焊較多；需噴涂助焊劑；印制板受到較大熱沖擊翹曲變形。因此波峰焊接在許多方面不能適應(yīng)電子組裝技術(shù)的發(fā)展。
為了適應(yīng)表面組裝技術(shù)的發(fā)展，解決以上焊接難點的措施是采用通孔回流焊接技術(shù)(THR，Through-hole Reflow)，又稱為穿孔回流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。該技術(shù)原理是在印制板完成貼片后，使用一種安裝有許多針管的特殊模板，調(diào)整模板位置使針管與插裝元件的過孔焊盤對齊，使用刮刀將模板上的錫膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件同時通過回流焊完成焊接。
從中可以看出穿孔回流焊相對于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)越性：首先是減少了工序，省去了波峰焊這道工序，節(jié)省了費用，同時也減少了所需的工作人員，在效率上也得到了提高；其次回流焊相對于波峰焊，產(chǎn)生橋接的可能性要小的多，這樣就提高了一次通過率。穿孔回流焊相對傳統(tǒng)工藝在經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性上都有較大優(yōu)勢。
通孔回流焊接技術(shù)起源于日本SONY公司，20世紀(jì)90年代初已開始應(yīng)用，但它主要應(yīng)用于SONY自己的產(chǎn)品上，如電視調(diào)諧器及CD Walkman。我國在20世紀(jì)90年代中期從日本引進(jìn)這種技術(shù)，當(dāng)時國內(nèi)無錫無線電六廠、上海金陵無線電廠、成都8800廠、重慶測試儀器廠、深圳東莞調(diào)諧器廠等幾個調(diào)諧器生產(chǎn)廠應(yīng)用了此技術(shù)，獲得了較好的收益，目前在CD、DVD激光機(jī)芯伺服板及DVD-ROM伺服板、筆記本電腦主板等領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。
(1)可靠性高，焊接質(zhì)量好，不良比率DPPM可低于20。
(2)虛焊、橋接等焊接缺陷少，修板的工作量減少。
(3)PCB面干凈，外觀明顯比波峰焊好。
(4)簡化了工序。由于省去了點（或印刷）貼片膠工序、波峰焊工序、清洗工序，使操作和管理都簡單化。因同一產(chǎn)品中使用的材料和設(shè)備越少越容易管理。而且再流焊爐的操作比波峰焊機(jī)的操作簡便得多，無錫渣的問題，勞動強(qiáng)度低。
(5)降低成本，增加效益。采用此工藝后，免去了波峰焊設(shè)備和清洗設(shè)備、波峰焊和清洗廠房、波峰焊和清洗工作人員，以及大量的波峰焊材料和清洗劑材料。雖然免清洗焊膏的價格略高于非免清洗焊膏的價格，但總體來看可大大降低成本，增加效益。
通孔回流焊接生產(chǎn)工藝流程 :
生產(chǎn)工藝流程與SMT流程極其相似，即印刷焊膏一插入元件一回流焊接，無論對于單面混裝板還是雙面混裝板，流程相同。
錫膏印刷工藝 :
焊膏的選擇 , 通孔回流所用的焊膏黏度較低，流動性好，便于流入通孔內(nèi)。一般在SMT工藝以后進(jìn)行通孔回流，若SMT采用的焊膏合金成分為63Sn37Pb，那么為了保證通孔回流時SMT元件不會再次熔化而掉落，焊膏中焊錫合金的成分可采用熔點稍低的46Sn46Pb8Bi(178℃)，焊料顆粒尺寸25μm以下＜10％，25～50μm＞89％，50μm以上＜1％。
由于電子產(chǎn)品越來越重視小型化、多功能，使電路板上的元件密度越來越高，許多單面和雙面板都以表面貼裝元器件為主。但是，由于連接強(qiáng)度、可靠性和適用性等因素，某些通孔元件仍無法片式化，特別是周邊連接器。在傳統(tǒng)SMT混裝工藝中，通孔插裝元件大多采用波峰焊、選擇性波峰焊、焊錫機(jī)器人、手工焊，這些傳統(tǒng)方法，尤其是波峰焊和手工焊接質(zhì)量遠(yuǎn)不如再流焊的質(zhì)量；目前許多電子產(chǎn)品通孔元件的比例只占元件總數(shù)的10%-5%甚至更少，采用波峰焊、選擇性波峰焊、自動焊錫機(jī)器人、手工焊及壓接等方法的組裝費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該比例，單個焊點的費用很高。因此，通孔元件再流焊技術(shù)日漸流行，通孔插裝元件采用再流焊替代波峰焊（即純再流焊工藝）已成為當(dāng)前SMT工藝技術(shù)發(fā)展動態(tài)之一。
06
垂直固化回流焊
5G 的普及，高可靠性高質(zhì)量終端產(chǎn)品的點膠固化工藝首選垂直加固化爐! 幾乎所有點膠封裝材料都需要較長的固化時間，所以用在線式連續(xù)生產(chǎn)的固化爐是不實際的，平時大家經(jīng)常使用“批次烘爐”，但垂直烘爐的技術(shù)也趨于完善，尤其在加熱曲線比回流爐簡單時，垂直烘爐完全能夠勝任。
芯片底部填充&元件精密包封點膠工藝
垂直烘爐使用一個垂直升降的傳送系統(tǒng)作為“緩沖與累加器”，每一塊PCB都必須通過這一道工序循環(huán)。這樣的結(jié)果就是得到了足夠長的固化時間，而同時減少了占地面積。
市場對于縮小體積的需求，使CSP（如FLIP CHIP）得到較多應(yīng)用，這樣元件貼裝后具有較小的占地面積和較高的信號傳遞速率。填充或灌膠被用來加強(qiáng)焊點結(jié)構(gòu)使其能抵受住由于硅片與PCB材料的熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生的應(yīng)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較長的固化時間，對于在線生產(chǎn)的爐子來講是不現(xiàn)實的，通常會使用成批處理的烘爐，但是垂直烘爐已經(jīng)被證明可以成功地進(jìn)行固化過程，并且其溫度曲線比普通回流爐較簡單，垂直烘爐使用一個PCB傳輸系統(tǒng)來扮演緩沖區(qū)/堆積區(qū)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。
垂直固化爐工作原理簡圖
全自動垂直回流爐主要用于高端制造業(yè)中的汽車電子，5G通訊產(chǎn)品制造業(yè)的芯片粘接，底部填充，元件封裝，點膠密封，精密包封，底部填充+銀漿/散熱膠，高精密非接觸噴射底部填充點膠等組裝作業(yè)需要熱固化的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。應(yīng)用行業(yè)遍布 SMT/EMS、家電、太陽能、汽車電子、軍工、半導(dǎo)體、醫(yī)療器械等。
07
真空回流焊
在5G的爆發(fā)下，許多行業(yè)正在產(chǎn)生重大技術(shù)改革，如汽車智能駕駛領(lǐng)域，智能家居，醫(yī)療遠(yuǎn)程智能手術(shù)領(lǐng)域……而這些領(lǐng)域都需要高品質(zhì)高可靠性焊接。5G通訊由于數(shù)據(jù)傳輸量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于商業(yè)4G通訊，對焊接的可靠性要求會比較高。由于氣泡空洞不利于散熱和高頻頻率衰減，因此必須有效地控制半導(dǎo)體元器件自身空洞率，5G通訊基站板焊接過程的空洞率，以及5G手機(jī)主板焊接的空洞率等。
SMT貼片PCBA在回流焊接之后，焊點里通常都會殘留有部分空洞，焊點面積越大，空洞的面積也會越大；其原因是由于在熔融的焊料冷卻凝固時，焊料中產(chǎn)生的氣體沒有逃逸出去，而被“凍結(jié)”下來形成空洞。影響空洞產(chǎn)生的因素是多方面的，與焊膏選擇、器件封裝形式、焊盤設(shè)計、 PCB 焊盤表面處理方式、網(wǎng)板開孔方式、回流曲線設(shè)置等都有關(guān)系。
真空回流焊接工藝是在回流焊接過程中引入真空環(huán)境的一種回流焊接技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的回流焊，真空回流焊在產(chǎn)品進(jìn)入回流區(qū)的后段，制造一個真空環(huán)境，大氣壓力可以降到 5mbar（500pa）以下，并保持一定的時間，從而實現(xiàn)真空與回流焊接的結(jié)合，此時焊點仍處于熔融狀態(tài)，而焊點外部環(huán)境則接近真空，由于焊點內(nèi)外壓力差的作用，使得焊點內(nèi)的氣泡容易從中溢出，焊點空洞率大幅降低。
非真空與真空條件下回流焊接空洞形成對比示意圖
業(yè)內(nèi)專業(yè)人士分析，譬如傳統(tǒng)的焊接氣泡空洞率是20%~25%以內(nèi)，空洞率IPC標(biāo)準(zhǔn)也是制定在25%，但功率器件的空洞標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在要求≤5%（有些器件要求在≤3%），PCB&銅基板&鋁基板焊接空洞率要求≤10~15%。
真空爐就是為了解決這個氣泡和空洞問題的武器，通過高品質(zhì)、高穩(wěn)定性和節(jié)能高效的焊接設(shè)備，在幫助電子企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時，減少了其日常電能和氮氣成本，以及企業(yè)的停線和保養(yǎng)成本。
真空回流爐示意圖
真空回流焊，也可稱作真空/可控氣氛共晶爐，它熱容量大，PCB表面溫差小，已廣泛應(yīng)用于歐美航空、航天、軍工電子等領(lǐng)域。它采用紅外輻射加熱原理，具有溫度均勻一致、超低溫安全焊接、無溫差、無過熱、工藝參數(shù)可靠穩(wěn)定、無需復(fù)雜工藝試驗、環(huán)保成本運行低等特點，滿足軍品多品種、小批量、高可靠焊接需要。
BGA焊點非真空和真空焊接氣泡對比
真空回流焊的焊接系統(tǒng)是在相對密閉同時有真空輔助的條件下進(jìn)行焊接的，而這種焊接系統(tǒng)恰恰對產(chǎn)品質(zhì)量有較好的優(yōu)勢，在此條件下真空回流焊能夠通過高效排出焊料中助焊劑揮發(fā)時產(chǎn)生的氣泡，使產(chǎn)品焊接面的空洞率有效降低，從而有效地提高了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。
大面積焊點非真空和真空焊點對比
隨著電子行業(yè)的發(fā)展，越來越多的客戶對產(chǎn)品可靠性的要求越來越高。為了有效的降低空洞率，促使我們使用更新的設(shè)備完成這一要求，但是新設(shè)備的使用必然要對我們現(xiàn)有的模式和工藝窗口進(jìn)行調(diào)整，也會出現(xiàn)許多的新問題，這需要我們?nèi)ド钊氲奶接懞桶l(fā)現(xiàn)。
以上我們介紹了圍繞著設(shè)備改進(jìn)、回流焊裝備的發(fā)展沿革。實事上回流焊工藝的發(fā)展收到以下兩方面的推動：
（1）電子產(chǎn)品向短、小、輕、薄化發(fā)展。組裝高密度化，SMC/SMD微細(xì)間距化，SMC/SMD品種規(guī)格系列化，特別是異型元件與機(jī)電元件日益增多，這諸多的新發(fā)展迫使作為SMT中的重要工藝回流焊工藝亦面臨著挑戰(zhàn)，需要不斷地發(fā)展和完善以提高焊接質(zhì)量和成品率。
（2）人類文明發(fā)展到今天，控制三廢（廢氣、廢料、廢水）保護(hù)環(huán)境已成為共識。傳統(tǒng)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(huán)境造成污染，為了避免污染相應(yīng)出現(xiàn)了水清洗工藝和免清洗工藝還有新型焊錫膏。
