（机械设计及理论专业论文）热压焊制程研究.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 !iifiil l f i l lfi f i l lj ififj y 17 317 l l | j l | 6 rj i s 。2 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在 年一月解密后适用本规定。 非涉密论文d 论文作者签名：玺重运 日 导师签名：；毯日 ，7 期：夕：垆 ， ， 热压焊制程研究摘要 热压焊制程研究 摘要 t f t o l c d 制造行业近年在中国迅猛发展。特别是l c d 模组组装在珠三角及长三 角的发展已经形成规模产业。其中中小尺寸l c d 模组的需求也持续增长，广泛应用 在数码相机、手机、便携式d v 、车载导航系统、电子相框、口袋笔记本等消费性电 子产品上。由于l e d 在光学上的表现日趋完美，并且具有优异的节能特性和更长的 使用寿命，使得l e d 逐步取代了冷阴极灯管，作为最普遍的中小尺寸l c d 模组背光 源。 本文阐述的热压焊即是作为连接l e d 背光源讯号与中小尺寸l c d 液晶显示屏信 号的常用制程。稳定高效的热压焊制程无疑是提升l c d 模组良率和保证l c d 产品良 好品质的重要环节。 本文首先从介绍焊接( 回流焊) 的基本理论开始，进一步说明热压焊的制程的原 理。接着通过田口实验方法，来设定温度、时间、压力几个主要热压焊制程参数的最 佳值。最后针对日常发生的热压焊前三大不良现象如虚焊、焊锡外溢、焊点边缘断裂 等加以解析，并找出解决的方法。 总结本文得出，要提升热压焊的品质，必须从机台、制程参数、治具、产品设计 等众多方面来共同改善，才能取得好的成效。 本课题除了在解决制程品质问题上取得一定的成绩，并针对焊点线路设计提出了 一项专利，已通过公司内部审核。 关键词：热压焊、田口实验、虚焊 作者：熊百灵 指导老师：卫瑞元 a b s t r a c t s t u d yo f h o tp r e s ss o l d e r i n gp r o c e s s s t u d yo f h o tp r e s ss o l d e r i n gp r o c e s s a b s t r a c t r e c e n t l yt f t - l c di n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e dv e r yq u i c k l yi nc h i n a a m o n gt h e m ， l c dm o d u l em a n u f a c t u r i n gh a sf o r m e ds c a l ei n d u s t r yi ny a n g t z er i v e r d e l t aa n dp e a r l r i v e rd e l t a a n dc u s t o m e rd e m a n do fm i d d l e s i z ea n ds m a l l s i z el c dh a sb e e n c o n t i n u e dt og r o w t h ep r o d u c t sa r ew i d e l ya p p l i e di nc o n s u m e re l e c t r o n i c sm a r k e t i n g i n c l u d i n gd i g i t a lc a m e r a ，m o b i l ep h o n e ，p o r t a b l ed v ，c a r - c a r r y i n gg p s ，d i g i t a lp h o t o f r a m e ，p o c k e tn o t e b o o k c o m p u t e r b e c a u s el e d i sg e t t i n gb e t t e ri no p t i c a lp e r f o r m a n c e ， e x c e l l e n ti ne n e r g ys a v i n ga n du s e f u lt i m e ，l e dh a st a k e nt h ep l a c eo fc c f la st h e b a c k l i g h ts o u r c ei nm a n ym i d d l e s i z ea n ds m a l l s i z el c dm o d u l e h o t p r e s ss o l d e r i n gi nt h i sp a p e r i sau s e f u lp r o c e s st oc o n n e c tl e d b a c k l i g h tc i r c u i t a n dl c d s i g n a lc i r c u i t s t a b l ea n dh i g he f f i c i e n th o tp r e s ss o l d e r i n gp r o c e s si sn e c e s s a r y f o rr a i s i n gm o d u l ey i e l da n da s s u r i n gp r o d u c tq u a l i t y 。 i nt h i sp a p e r , f i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e st h es o l d e r i n gb a s i ct h e o r y ( r e f l o ws o l d e r i n g ) ， a n dt h e ni l l u s t r a t e st h et e c h n i q u eo fh o tp r e s ss o l d e r i n gp r o c e s s i nt h ef o l l o w i n gs e c t i o n w ea c h i e v et h eb e s tr e c i p eo fp r o c e s sp a r a m e t e r s ( t e m p e r a t u r e ，t i m e ，p r e s s u r e ) t h r o u g h t a g u c h im e t h o d s i nt h ee n do ft h ep a p e rw es t u d yt h et o p 3d e f e c t s ( w e a k - s o l d e r i n g ， s o l d e ro v e r f l o w , s o l d e rp a db r o k e n ) ，a n df u n do u tt h es o l u t i o n sf o rt h e s ep r o b l e m s i nc o n c l u s i o n ，w ek n o wf o rg e t t i n gg o o dq u a l i t yi ns o l d e r i n g ，w eh a v et od e a l 谢t l l e v e r ys t e pw e l li n c l u d i n gi m p r o v i n ga l l r e l a t i v em a c h i n e ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，j i ga n d p r o d u c td e s i g n d e s p i t ea c h i e v i n gg o o dp e r f o r m a n c e ，t h i ss u b j e c ta p p l i e df o rap a t e n ta b o u ts o l d e rp a d c i r c u i td e s i g n ，a n dt h i sp a t e n th a sp a s s e dt h ec o m p a n yv e r i f i c a t i o n k e y w o r d sh o tp r e s ss o l d e r i n g ，t a g u c h im e t h o d s ，w e a k - s o l d e r i n g w r i t t e nb y - x i o n gb a i l i n g s u p e r v i s e db y - w e ir u i y u a n 目录 第1 章引言1 1 1 课题背景及意义1 1 2 产业的现况2 1 3 本文组织结构。2 1 4 本课题的成绩和创新3 第2 章压焊技术4 2 1 回流焊技术4 2 1 1 锡膏的回流过程4 2 1 2 回流焊接要求总结6 2 1 3 回流曲线测试方法6 2 2 4 测试结果分析9 2 2 热压焊原理1 4 2 2 1 材料介绍1 4 2 2 2 热压焊过程1 4 2 2 3 温度曲线和主要参数说明1 5 2 3 4 压焊后的检测1 6 2 - 3 无铅压焊1 7 2 3 1 无铅合金的选择1 7 2 3 2 印刷性1 8 2 3 4 空洞水平1 9 2 3 5 无铅小结2 0 第3 章热压焊参数的设定2 1 3 1 实验设计2 1 3 1 1 实验目的及判定标准2 l 3 1 2 制程控制因子选定2 l 3 2 实验数据及分析2 2 3 2 1 以焊点拉力值作为标准选择参数2 2 3 2 2 以控制焊锡外溢作为标准选择参数2 7 3 3 助焊剂的使用2 8 第4 章压焊制程常见问题及对策3 0 4 1 虚焊。3 0 4 1 1 现象描述和初步分析3 0 4 1 2 对策探讨3 0 4 2 焊锡外溢3 6 4 2 1 现象描述和初步分析3 6 4 2 2 对策探讨3 6 4 3 焊点断裂。3 9 4 3 1 现象描述和初步分析3 9 4 3 2 对策探讨4 0 第5 章总结和展望，。4 2 5 1 工作总结：4 2 5 2 展望4 2 参考文献。4 3 工程硕士就读期间发表的论文4 4 致 射4 5 热压焊制程研究 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题背景及意义 2 0 世纪8 0 年代末日本工业界组织9 0 多位企业专家和研究人员考察了欧美工业 技术，得出了平板显示将成为2 1 世纪信息技术的主要载体的重要结论。日本率先对 平板显示技术研发与产业化进行了大规模的投资。国际上光电子技术的高速发展，信 息技术的竞争成为国际政治与经济竞争的主战场，印证了日本工业界的战略预言。 平板显示继半导体大规模集成电路和汽车产业之后正在迅速崛起成为第三个具 有全球影响力的新兴产业，成为国际上新的经济增长点。也是人类发展史上的亚洲世 纪的第一个精彩亮点。 生产技术是平板显示产业的基础，国际上生产线已经由一代发展到1o 代，玻璃 基板尺寸由3 0 0 衄4 0 0 衄发展到了2 8 5 0 衄3 0 5 0 衄。 生产规模由原来一个公司一条生产线，发展为集团化、集群式经营。 当前的液晶面板产业，韩国、日本、台湾三足鼎立，形成了以夏普、三星、l g 、 奇美和友达为代表的行业巨头，几乎垄断了液晶面板产业所有的核心技术和绝大部分 出货量。 近年来国内的面板产业也飞速发展，国家将t f t l c d 等平板显示器产业列为“十 一五 和2 0 2 0 年中长期重点发展的产业。上广电和京东方以不同模式建立起了t f t l c d 第五代生产线，昆山龙腾5 代线，上海天马的4 5 代线t f t l c d 项目也相继 投产。深超t f t l c d5 代线、上广电六代线、京东方六代线、彩虹六代线也都在酝 酿上马，武汉4 5 代线、成都两条4 5 代线、合肥六代线也在规划中。一个新的产业 在国内已经起步。 本文介绍的热压焊制程广泛应用于中小尺寸面板制造的后段。 目前由于l e d 在体积、稳定性、使用寿命、节能上明显优势和不断提高的光学 表现，作为t f t l c d 的背光源已经逐步取代了c c f l 。 中小尺寸l c d 模组用以连接主屏幕输入讯号和l e d 背光讯号的方式分为三种： 热压焊连接、手工拉焊连接、c o n n e c t o r 插入式连接。其中热压焊的优势在于f p c 设 第1 章引言 热压焊制程研究 计简单、生产自动化程度高、焊点厚度小、f p c 弯曲度好( 对于后续组装制程影响度 小) ，使得热压焊制程广泛应用于模组生产。 然而热压焊在生产中也存在一些长期需要改善的不良，例如虚焊、焊锡外溢、焊 点边缘断裂。由于可靠性的问题，这些不良甚至可能在终端客户才能显露出来，影响 产品在客户端的品质表现。故需要工程人员对于热压焊做持续的改善，不仅可以减少 不良，提升客户的满意度，也能够使生产更加稳定顺畅，提升生产力。 本文将基于焊接的基本原理，应用专业的实验设计方法来解决热压焊制程中参数 设定的问题。并结合机台和产品结构来处理制程中常见的不良现象。提高热压焊制程 的稳定性，并积累制程的经验，改善产品的品质。 1 2 产业的现况 中小尺寸l c d 模组用以连接主屏幕输入讯号和l e d 背光讯号的方式分为三种： 热压焊连接、手工拉焊连接、c o n n e c t o r 插入式连接。 优缺点如下表1 1 所示。 表1 13 种l c d 背光连接方式比较 连接方式优点缺点 f p c 设计简单、焊点小且薄、 热压焊设备掼资与管理 绕曲度好、重工性好 f p c 设计简单、焊点小、工具 手工拉焊焊点较厚、绕曲度差 简单廉价、重工性好 f p 徵计复杂、连接点大且厚 c o n n e c te r 作业简易 、绕曲度差、材料贵 三种方式各有优缺点，试客户需求、系统应用面和成本三方面综合考虑来决定每 个产品最终的连接方案。 1 3 本文组织结构 第一章引言，主要说明选题的背景和意义，以及产业的发展情况。 要解决实际问题，必须先要从原理入手。所以本文第二章先以s m t 中最广泛使 用的回流焊为例，说明锡膏的回流过程，从中我们可以了解到最重要的锡膏回流温度 曲线以及回流焊中常见问题的解析。接着我们再来了解压焊制程的原理，锡膏回流仍 然是压焊制程的关键点，不过除此之外我们还应考虑到压合因素。最后，第二章还对 2 热压焊制程研究 第1 章引言 于目前的潮流一无铅焊接作了简单介绍。 接着在第三章，以田口实验方法来详细讲述如何选取最佳的制程参数。并且在最 后对于不同助焊剂对于焊接强度的影响做了实例说明。 在本文的第四章，我们可以了解到目前制程中的主要问题点，以及已经实现的解 决方案。不过由于新的设备和新材料的不断导入，以及各种实验的不断开展，相信会 有更多有效的对策来改善目前的压焊制程。 最后在第五章进行了课题成果的总结，并对后续的研究方向作展望。 1 4 本课题的成绩和创新 本课题的成绩体现在以下几个方面。 1 ) 依据回流焊的基本原理确立了热压焊制程的核心理论一温度曲线。 2 ) 提供用田口方法找出最佳参数的实例，可供后来者参照。 3 ) 研究了压焊机台的关键部件：热压头、定位治具、b a c ku p 对于产品品质的影 响，并加以改进。 4 ) 对于焊点大小的设计提出明确的计算方法，并辅以实际验证案例来说明合理 的焊点大小将大大减少溢锡。 5 ) 提出合理定位孔的位置和大小。 6 ) 下加热方案的提出改善虚焊。 7 ) 焊点形状的改进减少应力集中造成的焊点断裂。 8 ) “双保险”回路的设计来减少线路断裂造成的失效。 其中焊点大小的计算、下加热方案的提出、焊点形状的改变( 改善应力集中) 、 “双保险”回路设计对于公司来说，都是此项制程上的创新。 其中“双保险 回路评为公司内设计专利。 第2 章压焊技术 热压焊制程研究 第2 章压焊技术 2 1 回流焊技术 也称为“再流焊 ( r e f l o ws o l d e r i n g ) ，是近十几年来受到重视而飞速发展的新 型焊接技术。虽然其原理与方法已问世几十年，但仅在厚膜电路生产中使用，不甚引 人注目。由于表面贴装技术的崛起与发展，再流焊接技术应用日益扩大，并已成为 s m t 焊接技术的主流。相应的设备也不断得到开发与完善。 再流焊接与流动焊接有较大差别。它所用的焊料呈膏状，是由焊料合金粉末与助 焊剂、添加剂组成。通过模板漏印或点滴涂布的方法施敷在p c b 的焊盘上，贴上元 器件后经过加热，焊料熔化再次流动，湿润待焊接处，冷却后形成焊点，完成焊接作 业。 。 再流焊接的方法与设备经过差不多三十多年的发展，主要有汽相焊、热板传导、 红外辐射、全热风等几种。近年来新开发的激光束逐点式再流焊机，可实现极其精密 刷 升 对 锡 性 剂 结 的 活 间 热压焊制程研究 第2 章压焊技术 一些温度的增加，但是理想的曲线要求相当平稳的温度，这样使得p c b 的温度在活 性区开始和结束时是相等的。市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线，选择能 维持平坦的活性温度曲线的炉子，将提高可焊接性能，使用者有一个较大的处理窗口。 另外一个功用，是将p c b 在相当稳定的温度下感温，允许不同质量的元件在温度上 同质，减少它们的相当温差。也叫做干燥或浸湿区，这个区一般占加热通道的3 3 - 5 0 。 ( 3 ) 最后升温区当温度继续上升，这个区的作用是将p c b 装配的温度从活性 温度提高到所推荐的峰值温度。焊锡颗粒首先单独熔化，并开始液化和表面吸锡的 “灯草”过程。这样在所有可能的表面上覆盖，并开始形成锡焊点。 ( 4 ) 回流区这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，结合一起形 成液态锡，这时表面张力作用开始形成焊脚表面，如果元件引脚与p c b 焊盘的间隙 超过4 m i l ，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成锡点开路。活性温度总 是比合金的熔点温度低一点，而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是 2 0 5 , - , 2 3 0 0 c ，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2 5 0 c ，或达到回流峰 值温度比推荐的高。这种情况可能引起p c b 的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件 的完整性。 今天，最普遍使用的合金是s n 6 3 p b 3 7 ，这种比例的锡和铅使得该合金共晶。共 晶合金是在一个特定温度下熔化的合金，非共晶合金有一个熔化的范围，而不是熔点， 有时叫做塑性装态。本文所述的所有例子都是指共晶锡铅，因为其使用广泛，该合 金的熔点为1 8 3 。c 。 ( 5 ) 冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快而引起元 件内部的温度应力。理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。越是靠近这 种镜像关系，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。 第2 章压焊技术热压焊制程研究 2 1 2 回流焊接要求总结 重要的是有充分的缓慢加热来安全地蒸发溶剂，防止锡珠形成和限制由于温度膨 胀引起的元件内部应力，造成断裂痕可靠性问题。 其次，助焊剂活跃阶段必须有适当的时间和温度，允许清洁阶段在焊锡颗粒刚刚 开始熔化时完成。 时间温度曲线中焊锡熔化的阶段是最重要的，必须充分地让焊锡颗粒完全熔化， 液化形成冶金焊接，剩余溶剂和助焊剂残余的蒸发，形成焊脚表面。此阶段如果太热 或太长，可能对元件和p c b 造成伤害。 锡膏回流温度曲线的设定，最好是根据锡膏供应商提供的数据进行，同时把握元 件内部温度应力变化原则，即加热温升速度小于每秒3 0 c ，和冷却温降速度小于5 0c 。 p c b 装配如果尺寸和重量很相似的话，可用同一个温度曲线。 重要的是要经常甚至每天检测温度曲线是否正确。 正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。 2 1 3 回流曲线测试方法 在使用表面贴装元件的印刷电路板( p c b ) 装配中，要得到优质的焊点，一条优 化的回流温度曲线是最重要的因素之一。温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间 6 热压焊制程研究 第2 章压焊技术 的函数，当在笛卡尔平面作图时，回流过程中在任何给定的时间上，代表p c b 上一 个特定点上的温度形成一条曲线。 在开始作曲线步骤之前，需要下列设备和辅助工具：温度曲线仪、热电偶、将热 电偶附着于p c b 的工具和锡膏参数表。可从大多数主要的电子工具供应商买到温度 曲线附件工具箱，这工具箱使得作曲线方便，因为它包含全部所需的附件( 除了曲线 仪本身) 。 豳囝 图2 - 2 将热电偶尖附着在p c b 焊盘和相应的元件引脚或金属端之间 接下来必须决定各个区的温度设定，重要的是要了解实际的区间温度不一定就是 该区的显示温度。显示温度只是代表区内热敏电偶的温度，如果热电偶越靠近加热源， 显示的温度将相对比区间温度较高，热电偶越靠近p c b 的直接通道，显示的温度将 越能反应区间温度。明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的 关系。本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。表一列出的是用于典型p c b 装 配回流的区间温度设定。 表2 1 典型p c b 回流区间温度设定 区间区间温度设定区间末实际板温 预热 2 1 0 0 c ( 4 1 0 0 f )1 4 0 0 c ( 2 8 4 0 f ) 活性 1 7 7 0 c ( 3 5 0 0 f )1 5 0 0 c ( 3 0 2 0 f ) 司流2 5 0 0 c ( 4 8 2 0 c ) 2 1 0 0 c ( 4 8 2 0 f ) 速度和温度确定后，必须输入到炉的控制器。看看手册上其它需要调整的参数， 这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。一旦所有参数输入后， 启动机器，炉子稳定后( 即，所有实际显示温度接近符合设定参数) 可以开始作曲线。 下一部将p c b 放入传送带，触发测温仪开始记录数据。为了方便，有些测温仪包括 触发功能，在一个相对低的温度自动启动测温仪，典型的这个温度比人体温度3 7 0 c ( 9 8 6 0 f ) 稍微高一点。例如，3 8 0 c ( 1 0 0 0 f ) 的自动触发器，允许测温仪几乎在p c b 刚放入传送带进入炉时开始工作，不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。 7 第2 章压焊技术 热压焊制程研究 一旦最初的温度曲线图产生，可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所示的曲线进 行比较。 首先，必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时 间相协调，如果太长，按比例地增加传送带速度，如果太短，则相反。 下一步，图形曲线的形状必须和所希望的相比较，如果形状不协调，则同下面的 图形( 图2 3 6 ) 进行比较。选择与实际图形形状最相协调的曲线。应该考虑从左道 右( 流程顺序) 的偏差，一般最好每次调一个参数，在作进一步调整之前运行这个曲 线设定。 图2 3 预热不足或过多的回流曲线 荔 时问讴度的函麴一 秀 锄i 山刍渤蠹；锄丸、。邑；乩矗沁，声机m i ? 舷n ；钰缘巍t 施磁j 毓t t 魄妃晚魄i 赫；镕出；* 数m 乱口。? 缘j 幺纯珈砒而魄缀 图2 - 4 活性区温度太高或太低 8 度度勰临 妨h b 暖，抽，0；温 热压焊制程研究第2 章压焊技术 e ) 篙 乏3 ；预热区l 活性区l 回流区i冷却区| ； 。一时问黻的函弱_ _ _ _ - 哆，差 图2 - 5 回流太多或不够 、“4 | “， 。+ 豫? ”皆_ 一j 。j ：| # “0 、 ，_ j ， 时问( 黻的函麴一 ； 毪锄。4 o ? 一 ? 一? ，一| 如一：f “施t ：锄一；t ，| ，r一，i 。? 瓣? 图2 - 6 冷却过快或不够 当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合，应该把炉的参数记录或储存以 备后用。虽然这个过程开始很慢和费力，但最终可以取得熟练和速度，结果得到高品 质的p c b 的高效率的生产【1 1 。 2 2 4 测试结果分析 未焊满未焊满是在相邻的引线之间形成焊桥。通常，所有能引起焊膏坍落的因 素都会导致未焊满，这些因素包括：1 ，升温速度太快；2 ，焊膏的触变性能太差或是 9 度度温温滩龃 圆 活度温 第2 章压焊技术热压焊制程研究 焊膏的粘度在剪切后恢复太慢；3 ，金属负荷或固体含量太低；4 ，粉料粒度分布太广； 5 ；焊剂表面张力太小。但是，坍落并非必然引起未焊满，在软熔时，熔化了的未焊 满焊料在表面张力的推动下有断开的可能，焊料流失现象将使未焊满问题变得更加严 重。在此情况下，由于焊料流失而聚集在某一区域的过量的焊料将会使熔融焊料变得 过多而不易断开。除了引起焊膏坍落的因素而外，下面的因素也引起未满焊的常见原 因：1 ，相对于焊点之间的空间而言，焊膏熔敷太多；2 ，加热温度过高；3 ，焊膏受 热压焊制程研究 第2 章压焊技术 模型预示，随着氧含量的降低，焊接性能会迅速地改进，然后逐渐趋于平稳，实验结 果表明，随着氧浓度的降低，焊接强度和焊膏的润湿能力会有所增加，此外，焊接强 度也随焊剂中固体含量的增加而增加。实验数据所提出的模型是可比较的，并强有力 地证明了模型是有效的，能够用以预测焊膏与材料的焊接性能，因此，可以断言，为 了在焊接工艺中成功地采用不用清理的低残留物焊料，应当使用惰性的软熔气氛。 间隙间隙是指在元件引线与电路板焊点之间没有形成焊接点。一般来说，这可 归因于以下四方面的原因：l ，焊料熔敷不足；2 ，引线共面性差；3 ，润湿不够；4 ， 焊料损耗秦这是由预镀锡的印刷电路板上焊膏坍落，引线的芯吸作用或焊点附近的通 孔引起的，引线共面性问题是新的重量较轻的1 2 密耳( 岬) 间距的四芯线扁平集成电 路( q f p 秦q u a dt i m p a c k s ) 的一个特别令人关注的问题，为了解决这个问题，提出了在 装配之前用焊料来预涂覆焊点的方法，此法是扩大局部焊点的尺寸并沿着鼓起的焊料 预覆盖区形成一个可控制的局部焊接区，并由此来抵偿引线共面性的变化和防止间隙， 引线的芯吸作用可以通过减慢加热速度以及让底面比顶面受热更多来加以解决，此外， 使用润湿速度较慢的焊剂，较高的活化温度或能延缓熔化的焊膏( 如混有锡粉和铅粉 的焊膏) 也能最大限度地减少芯吸作用在用锡铅覆盖层光整电路板之前，用焊料掩膜 来覆盖连接路径也能防止由附近的通孔引起的芯吸作用。 焊料成球焊料成球是最常见的也是最棘手的问题，这指软熔工序中焊料在离主 焊料熔池不远的地方凝固成大小不等的球粒；大多数的情况下，这些球粒是由焊膏中 的焊料粉组成的，焊料成球使人们耽心会有电路短路、漏电和焊接点上焊料不足等问 题发生，随着细微间距技术和不用清理的焊接方法的进展，人们越来越迫切地要求使 用无焊料成球现象的s m t 工艺。引起焊料成球的原因包括：l ，由于电路印制工艺不 当而造成的油渍；2 ，焊膏过多地暴露在具有氧化作用的环境中；3 ，焊膏过多地暴露在潮 湿环境中；4 ，不适当的加热方法；5 ，加热速度太快；6 ，预热断面太长；7 ，焊料掩膜和焊膏间 的相互作用；8 ，焊剂活性不够；9 ，焊粉氧化物或污染过多；1 0 ，尘粒太多；1 1 ，在特定的软熔 处理中，焊剂里混入了不适当的挥发物；1 2 ，由于焊膏配方不当而引起的焊料坍落；1 3 、 焊膏使用前没有充分恢复至室温就打开包装使用；1 4 、印刷厚度过厚导致“塌落”形成 锡球；1 5 、焊膏中金属含量偏低。 焊料结珠焊料结珠是在使用焊膏和s m t 工艺时焊料成球的一个特殊现象，简 单地说，焊珠是指那些非常大的焊球，其上粘带有( 或没有) 细小的焊料球它们形成在 第2 章压焊技术 热压焊制程研究 具有极低的托脚的元件如芯片电容器的周围。焊料结珠是由焊剂排气而引起，在预热 阶段这种排气作用超过了焊膏的内聚力，排气促进了焊膏在低间隙元件下形成孤立的 团粒，在软熔时，熔化了的孤立焊膏再次从元件下冒出来，并聚结起。焊接结珠的原因 包括：1 ，印刷电路的厚度太高；2 ，焊点和元件重叠太多；3 ，在元件下涂了过多的锡膏；4 ， 安置元件的压力太大；5 ，预热时温度上升速度太快；6 ，预热温度太高；7 ，在湿气从元件和 阻焊料中释放出来；8 ，焊剂的活性太高；9 ，所用的粉料太细；1 0 ，金属负荷太低；1 l ，焊膏坍 落太多；1 2 ，焊粉氧化物太多；1 3 ，溶剂蒸气压不足。消除焊料结珠的最简易的方法也许是 改变模版孔隙形状，以使在低托脚元件和焊点之间夹有较少的焊膏。焊接角焊接抬起 焊接角缝抬起指在波峰焊接后引线和焊接角焊缝从具有细微电路间距的四芯线组扁 平集成电路( q f p ) 的焊点上完全抬起来，特别是在元件棱角附近的地方，一个可能的 原因是在波峰焊前抽样检测时加在引线上的机械应力，或者是在处理电路板时所受到 的机械损坏，在波峰焊前抽样检测时，用一个镊子划过q f p 元件的引线，以确定是否所 有的引线在软溶烘烤时都焊上了；其结果是产生了没有对准的焊趾，这可在从上向下 观察看到，如果板的下面加热在焊接区角焊缝的间界面上引起了部分二次软熔，那么， 从电路板抬起引线和角焊缝能够减轻内在的应力，防止这个问题的一个办法是在波峰 焊之后( 而不是在波峰焊之前) 进行抽样检查。 竖碑( t o m b s t o n i n g ) 竖碑( t o m b s t o n i n g ) 是指无引线元件( 如片式电容器或 电阻) 的一端离开了衬底，甚至整个元件都支在它的一端上。t o m b s t o n i n g 也称 为m a n h a t t a n 效应、d r a w b r i d g i n g 效应或s t o n e h e n g e 效应，它是由软熔元件两端不 均匀润湿而引起的；因此，熔融焊料的不够均衡的表面张力拉力就施加在元件的两端 上，随着s m t 小型化的进展，电子元件对这个问题也变得越来越敏感。此种状况形成 的原因：l 、加热不均匀；2 、元件问题：外形差异、重量太轻、可焊性差异；3 、基 板材料导热性差，基板的厚度均匀性差；4 、焊盘的热容量差异较大，焊盘的可焊性 差异较大；5 、锡膏中助焊剂的均匀性差或活性差，两个焊盘上的锡膏厚度差异较大， 锡膏太厚，印刷精度差，错位严重；6 、预热温度太低；7 、贴装精度差，元件偏移严 重。b a l lg r i da r r a y ( b g a ) 成球不良b g a 成球常遇到诸如未焊满，焊球不对准， 焊球漏失以及焊料量不足等缺陷，这通常是由于软熔时对球体的固定力不足或自定心 力不足而引起。固定力不足可能是由低粘稠，高阻挡厚度或高放气速度造成的；而自 定力不足一般由焊剂活性较弱或焊料量过低而引起。b g a 成球作用可通过单独使用 1 2 热压焊制程研究 第2 章压焊技术 焊膏或者将焊料球与焊膏以及焊料球与焊剂一起使用来实现；正确的可行方法是将 整体预成形与焊剂或焊膏一起使用。最通用的方法看来是将焊料球与焊膏一起使用， 利用锡6 2 或锡6 3 球焊的成球工艺产生了极好的效果。在使用焊剂来进行锡6 2 或锡 6 3 球焊的情况下，缺陷率随着焊剂粘度，溶剂的挥发性和间距尺寸的下降而增加，同时 也随着焊剂的熔敷厚度，焊剂的活性以及焊点直径的增加而增加，在用焊膏来进行高 温熔化的球焊系统中，没有观察到有焊球漏失现象出现，并且其对准精确度随焊膏熔 敷厚度与溶剂挥发性，焊剂的活性，焊点的尺寸与可焊性以及金属负载的增加而增加， 在使用锡6 3 焊膏时，焊膏的粘度，间距与软熔截面对高熔化温度下的成球率几乎没 有影响。在要求采用常规的印刷秦释放工艺的情况下，易于释放的焊膏对焊膏的单独 成球是至关重要的。整体预成形的成球工艺也是很的发展的前途的。减少焊料链接的 厚度与宽度对提高成球的成功率也是相当重要的。 形成孔隙形成孔隙通常是一个与焊接接头的相关的问题。尤其是应用s m t 技术 来软熔焊膏的时候，在采用无引线陶瓷芯片的情况下，绝大部分的大孔隙( 0 0 0 0 5 英寸o o l 毫米) 是处于l c c c 焊点和印刷电路板焊点之间，与此同时，在l c c c 城堡 状物附近的角焊缝中，仅有很少量的小孔隙，孔隙的存在会影响焊接接头的机械性能， 并会损害接头的强度，延展性和疲劳寿命，这是因为孔隙的生长会聚结成可延伸的裂纹 并导致疲劳，孔隙也会使焊料的应力和协变增加，这也是引起损坏的原因。此外，焊料 在凝固时会发生收缩，焊接电镀通孔时的分层排气以及夹带焊剂等也是造成孔隙的原 因。在焊接过程中，形成孔隙的械制是比较复杂的，一般而言，孔隙是由软熔时夹层状 结构中的焊料中夹带的焊剂排气而造成的孔隙的形成主要由金属化区的可焊性决定， 并随着焊剂活性的降低，粉末的金属负荷的增加以及引线接头下的覆盖区的增加而变 化，减少焊料颗粒的尺寸仅能销许增加孔隙。此外，孔隙的形成也与焊料粉的聚结和消 除固定金属氧化物之间的时间分配有关。焊膏聚结越早，形成的孔隙也越多。通常， 大孔隙的比例随总孔隙量的增加而增加。与总孔隙量的分析结果所示的情况相比，那些 有启发性的引起孔隙形成因素将对焊接接头的可靠性产生更大的影响，控制孔隙形成 的方法包括：l ，改进元件衫底的可焊性；2 ，采用具有较高助焊活性的焊剂；3 ，减少焊料粉 状氧化物；4 ，采用惰性加热气氛5 ，减缓软熔前的预热过程与上述情况相比，在b g a 装 配中孔隙的形成遵照一个略有不同的模式( 1 4 ) 一般说来在采用锡6 3 焊料块的b g a 装配中孔隙主要是在板级装配阶段生成的在预镀锡的印刷电路板上，b g a 接头的孔 第2 章压焊技术 热压焊制程研究 隙量随溶剂的挥发性，金属成分和软熔温度的升高而增加，同时也随粉粒尺寸的减少而 增加；这可由决定焊剂排出速度的粘度来加以解释按照这个模型，在软熔温度下有较 高粘度的助焊剂介质会妨碍焊剂从熔融焊料中排出，因此，增加夹带焊剂的数量会增大 放气的可能性，从而导致在b g a 装配中有较大的孑l 隙度在不考虑固定的金属化区的 可焊性的情况下，焊剂的活性和软熔气氛对孔隙生成的影响似乎可以忽略不计大孔隙 的比例会随总孔隙量的增加而增加，这就表明，与总孔隙量分析结果所示的情况相比， 在b g a 中引起孔隙生成的因素对焊接接头的可靠性有更大的影响，这一点与在s m t r ， 1 工艺中空隙生城的情况相似m 。 2 2 热压焊原理 2 2 1 材料介绍 p a n e l f p cf p c 镀层 锡青 甘批r a 衲c o p 州 - - j p ic o v e fp l a y e f 如上图所示，热压焊焊接的对象为l e df p c 和p a n e lf p c 。l e df p c 上的锡膏 作为焊接时的焊料。 2 2 2 热压焊过程 如图2 - 8 所示，热压头下压时把p a d 上的锡熔融以把两片f p c 上的p a d 互相贴紧， 利用熔锡来将这两者做接合。通过设定压头的温度曲线和压头的下压动作来完成这一 制程。 1 4 热压焊制程研究 第2 章压焊技术 图2 - 8 压焊结构图 图2 - 9 为焊接完成后，焊点的微观结构。焊锡已经受热，并重新回流、凝固，附 着在两个f p c 的焊点处，起到连接的作用。 图2 - 9 焊接点剖面图 2 2 3 温度曲线和主要参数说明 压焊时理想温度曲线如下图2 1 0 ( 产品不同、机台不同、温度曲线就会有所改变) 。 第2 章压焊技术热压焊制程研究 图2 1 0 压焊理想回流温度曲线( 设定) 温度曲线解释 ( 1 ) s t a r t y ：压合使用的起始温度 ( 2 ) r e m pp ：代表着第一段预热的升温时间 ( 3 ) r a m pt ：代表着第一段预压温度 ( 4 ) h o l dp ：代表着第一段预压恒温时间 ( 5 ) r a m pp 2 ：代表着第二段的升温时间 ( 6 ) r a m pt 2 ：代表着第二段的本压温度 ( 7 ) h o l dp 2 ：代表着第二段本压恒温时间 ( 8 ) r e lt ：代表着压合时间完毕后，压头必须降温到设定的温度后才允许升起； 一般考量其升起的温度大致上都要降到锡为固体后：1 5 0 ( 实测低于1 2 0 ) 。 除了以上温度、时间以外，机台的压力也视为重要制程参数。 2 3 4 压焊后的检测 ( 1 ) 拉力测试，如图2 1 1 ( 2 ) 焊点检查，如图2 1 2 ( 3 ) 功能测试，电测 爽莺固定芏鑫劳向 匹熹 b 二後脓 图2 1 1 拉力测试示意图 1 6 热压焊制程研究第2 章压焊技术 图2 1 2 拉力测试示意图 从3 个角度用软胶片挑拨压焊处检查，观察是否有空隙和松动，由此判断压焊点 连接的可靠性 2 3 无铅压焊 众所周知铅是有毒金属，如不加以控制，将会对人体和周围环境造成巨大而深远 的影响。欧洲议会2 0 0 3 年底已经通过立法，要求从2 0 0 6 年7 月开始，在欧洲销售的 电气和电子设备不得含有铅和其它有害物质。中国等国家的相关法律也正在酝酿之 中。由此可见，s m t 的无铅工艺已经成为我们必然的选择p j 。 本文以无铅锡膏的研发为基础，针对无铅工艺带来的几个问题，如合金选择、印 刷性、低温回流、空洞水平等展开讨论，同时，向大家介绍了最新一代无铅锡膏产品 m u l t i c o r e ( 9 6 s cl f 3 2 0a g s 8 8 ) 应特性。 2 3 1 无铅合金的选择 为了找到适合的无铅合金来替代传统的s n p b 合金，人们曾做过许多的尝试。这 是因为无铅合金的选择需要考虑的因素很多，如熔点、机械强度、保质期、成本等。 表2 2 列举了三种主要无铅合金的比较结果。 表2 2 三种无铅合金的比较结果 合金类型熔点( 度)主要问题 t i n r i c h2 0 9 - 2 2 7 熔点稍有升高 t i nz i n c ( b i )1 9 0容易氧化，保质困难 t i i lb i1 3 7 强度很差 人们最终把目标锁定在富含t i n 的合金上，在富含t i n 的合金中，s n a g c u 系 列又成为选择的目标。而s n ，a g ，c u 三种合金成份比例的确定也经历了一段探索的 过程，这主要是考虑到焊点的机电性能，如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、塑性、 导电率等等。最终两种具有相同熔点( 2 1 7 。c ) 且性能相似的合金成分s n a 9 3 c u 0 5 1 7 第2 章压焊技术热压焊制程研究 ( 9 6 5 s n ，3 a g ，0 5 c u ) 和s n a 9 3 8 c u 0 7 ( 9 5 5 s n ，3 8 a g ，0 7 0 o c u ) 成为无铅 合金的主要选择。其中，s n a 9 3 c u 0 5 被日本、韩国厂商广泛采用，欧美企业更多选 r 1 1 择s n a 9 3 8 c u 0 7 合金p 1 。 2 3 2 印刷性 s n a g c u 合金的密度( 7 5g r a m 3 ) 比s n p b 合金的密度( 8 5 9 m m 3 ) 低，使用 该种合金的无铅焊锡膏的印刷性比有铅锡膏差些，如容易粘刮刀等。尽管如此，由 于保证锡膏的良好的印刷性对于提高s m t 的生产效率、降低成本十