下一代的回流焊接技术
本文介绍，世界范围内无铅锡膏的实施出现加快，随着元件变得更加形形色色，从大的球栅阵列(BGA)到不断更密间距的零件，要求新的回流焊接炉来提供更精确控制的热传导。
表一、典型的无铅焊锡特性 合金 Sn/3.5Ag Sn/3.5Ag/0.7Cu Sn/3.5Ag/4.8Bi Sn/5.8Bi
Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5Cu Sn/0.7Cu Sn/9.0Zn Sn/8.0Zn/3.0Bi
熔点 216~221°C 共晶 139~200°C
227°C 190~199°C 共晶
蠕变强度 良好 一般 一般 良好
熔湿 一般 一般 ？ 一般
热阻 良好 良好 ？ 良好
表一与表二列出了典型的无铅(lead-free)锡膏(solder paste)的特性和熔
湿(wetting)参数。显示各种无铅材料(不包括那些含铋)的主要金属成分和特性的表一，揭示它们具有比传统的Sn/Pb锡膏更高的熔化温度。从表二中在铜上的熔湿参数可以清楚地看到，它们也不如Sn63/Pb37锡膏熔湿得那么好。更进一步，其它的试验已经证明当Sn63/Pb37锡膏的可扩散能力为93%时，无铅锡膏的扩散范围为73~77%。
Sn63/Pb37锡膏的回流条件是熔点温度为183°C，在小元件上引脚的峰值温度达到240°C，而大元件上得到210°C。可是，大小元件之间这30°C的差别不影响其寿命。这是因为焊接点是在高于锡膏熔化温度的27~57°C时形成的。鱿鱼金属可溶湿性通常在较高温度时提高，所以这些条件对生产是有利的。 可是，对于无铅锡膏，比如Sn/Ag成分的熔点变成216~221°C。这造成加热的大元件引脚要高于230°C以保证熔湿。如果小元件上引脚的峰值温度保持在240°C，那么大小元件之间的温度差别减少到小于10°C。这也戏剧性地减少锡膏熔点与峰值回流焊接温度之间的差别，如图一所示。这里，回流焊接炉必须减少大小元件之间的峰值温度差别，和维持稳定的温度曲线在整个印刷电路板(PCB)在线通过的过程中，以得到高生产率水平。
表二、铜上的熔湿参数* 合金 63Sn/37Pb 96.5Sn/3.5Ag
温度°C 260 260
接触角度 17 36
时间(s) 3.8 2.0
95.0Sn/5.0Sb 42.0Sn/58.0Bi 50.0Sn/50.0In
280 195 215
43 43 63
3.3 9.3 14.2
*From IPC Works'99, \
峰值温度维护
也必须考虑要加热的零件的热容量和传导时间。这对BGA特别如此，其身体(和PCB)首先加热。然后热传导到焊盘和BGA锡球，以形成焊点。例如，如果230°C的空气作用在包装表面 - 焊盘与BGA锡球将逐渐加热而不是立即加热。因此，为了防止温度冲击，包装元件一定不要在回流区过热，在焊盘与BGA锡球被加热形成焊接点的时候。
回流炉加热系统
两种最常见的回流加热方法是对流空气与红外辐射(IR, infrared
radiation)。对流使用空气作传导热量的媒介，对加热那些从板上“凸出”的元件，比如引脚与小零件，是理想的。可是，在该过程中，在对流空气与PCB之间的一个“边界层”形成了，使得热传导到后者效率不高，如图二所示。
用IR方法，红外加热器通过电磁波传导能量，如果控制适当，它将均匀地加热元件。可是，如果没有控制，PCB和元件过热可能发生。IR机制，如灯管和加热棒，局限于表面区域，大多数热传导集中在PCB的直接下方，妨碍均匀覆盖。因为这个理由，IR加热器必须大于所要加热的板，以保证均衡的热传导和有足够的热量防止PCB冷却。
三种热传导机制中 - 传导、辐射和对流 - 只有后两者可通过回流炉控制。通过辐射的热传导是高效和大功率的，如下面的方程式所表示：
T(K) e = bT4
这里热能或辐射的发射功率 e 是与其绝对温度的四次方成比例的，b 是
Stefan-Boltzman常数。
因为红外加热的热传导功率对热源的温度非常敏感，所以要求准确控制。而对流加热没有辐射那么大的功率，它可以提供良好的、均匀的加热。 IR + 强制对流加热
今天的最先进的回流炉技术结合了对流与红外辐射加热两者的优点。元件之间的峰值温度差别可以保持在8°C，同时在连续大量
生产期间PCB之间的温度差别可稳定在大约1°C。
IR + 强制对流的基本概念是，使用红外作为主要的加热源达到最佳的热传导，并且抓住对流的均衡加热特性以减少元件与PCB之间的温度差别。对流在加热大热容量的元件时有帮助，诸如BGA，同时对较小热容量元件的冷却有帮助。 在图三中，(1)代表具有大热容量的元件的加热曲线，(2)是小热容量的元件。如果只使用一个热源，不管是IR或者对流，将发生所示的加热不一致。当只有
IR用作主热源时，将得到实线所示的曲线结果。可是，虚线所描述的加热曲线显示了IR/强制对流系统相结合的优点，这里增加强制对流的作用是，加热低于设定温度的元件，而冷却已经升高到热空气温度之上的那些零件。 先进回流焊接炉的第二个特点是其更有效地传导对流热量给PCB的能力。图四比较传统喷嘴对流加热与强制对流加热的热传导特性。后面的技术可均匀地将热传导给PCB和元件，效率是喷嘴对流的三倍。
最后，不象用于较旧的回流焊接炉中的加热棒和灯管型IR加热器，这个较新一代的系统使用一个比PCB大许多的IR盘式加热器，以保证均匀加热(图五)。 PCB加热偏差
一个试验设法比较QFP140P与PCB之间的、45mm的BGA与PCB之间在三种
条件下的温度差别：当只有IR盘式加热器的回流时、只有对流加热和使用结合IR/强制对流加热的系统。
对流回流产生在QFP140P与PCB之间22°C的温度差(在预热期间PCB插入后的70秒)。相反，通过结合式系统加热结果只有7°C的温度不一致，而45mm的BGA对流加热结果是9°C的温度差别，结合式系统将这个温度差减少到3°C。另外，在PCB与45mm的BGA之
间的峰值温度差别当用结合式系统回流时只有12°C，使用的是传统的温度曲线设定。这个差别使用梯形曲线可减少到8°C，如后面所述。(在连续大生产中，回流炉中的温度不稳定在使用无铅锡膏时将有重大影响。试验已经显示尺寸为250x330x1.6mm的PCB、分开5cm插入，其峰值温度在大约1°C之内。) 最佳回流温度曲线 对于无铅锡膏，元件之间的温度差别必须尽可能地小。这也可通过调节回流曲线达到。用传统的温度曲线，虽然当板形成峰值温度时元件之间的温度差别是不可避免的，但可以通过几个方法来减少： 延长预热时间。这大大减少在形成峰值回流温度之前元件之间的温度差。大多数对流回流炉使用这个方法。可是，因为助焊剂可能通过这个方法蒸发太快，它可能造成熔湿(wetting)差，由于引脚与焊盘的氧化。
提高预热温度。传统的预热温度一般在140~160°C，可能要对无铅焊锡提高到170~190°C。提高预热温度减少所要求的形成峰值温度，这反过来减少元件(焊盘)之间的温度差别。可是，如果助焊剂不能接纳较高的温度水平，它又将蒸发，造成熔湿差，因为焊盘引脚氧化。 梯形温度曲线(延长的峰值温度)。延长小热容量元件的峰值温度时间，将允许元件与大热容量的元件达到所要求的回流温度，避免较小元件的过热。使用梯形温度曲线，如图六所示，一个现代结合式回流系统可减少45mm的BGA与小型引脚包装(SOP, small outline package)身体的之间的温度差到8°C。 氮气回流炉
无铅锡膏可能出现熔湿的困难，因为其熔化温度通常高，而在峰值回流温度之间的温度差不是很大。另外，无铅锡膏的金属成分一般特性是可扩散性差。而且，高熔点的无铅锡膏在贴装顶面和底面PCB时将产生问题。在A面回流焊接期间，越高的温度B面焊盘氧化越严重。在200°C之上，氧化膜的厚度迅速增加，这可能导致在回流B面时熔湿性差。
具有Sn/Zn成分的锡膏也可能出现问题(Zn容易氧化)。如果氧化发生，焊
SMT制程资料3
