液态焊接技术和工艺优化

液态焊接技术和工艺优化DenisBarbini，UrsulaMarquezdeTino，KaustubhKalkundri，Gerjan

Diepstraten—VitronicsSoltec—低缺陷波峰焊和选择焊工艺案例分析[2009.1.1]摘要：在实施液态焊接工艺（liquidsolderingprocess）中，对关键参数的控制对于获得优良的焊点是非常重要的。在本案例中，采用一块特殊的电路板，使用波峰焊和选择性波峰焊这两种工艺进行焊接。前期的研究中比较了波峰焊和选择性波峰焊所形成的焊点，并通过热循环试验显示出它们在焊点强度方面的主要差异，进而分析对产品寿命的影响以及所使用材料的性能。而在观测焊点质量和强度方面，针对镀通孔有引脚元器件推出的新型及改良型液态焊接技术，如选择性波峰焊和组合波波峰焊，要比普通的无铅波峰焊技术更具优势。焊接工艺类型对电子组装质量的影响，可以通过像通孔透锡不良、桥接、漏焊、锡珠等这类的特定的缺陷进行描述。对于波峰焊，这项研究将确定工艺参数包括助焊剂使用量、预热温度、锡缸温度和接触时间等对缺陷形成的影响。对于选择性波峰焊，我们分为单喷嘴工艺的和多喷嘴工艺两类。对于每一类选择性波峰焊工艺，第一步是设计一个试验来确定测试板的特性。元器件的温度曲线将决定焊接的温度区间。与波峰焊试验类似，主要的四项参数包括助焊剂使用量、预热温度锡缸温度和接触时间，这四个参数可以通过拖曳速度（dragspeed）和浸锡时间来定义。通过分析包括通孔透锡不良、顶面不润湿、桥接、锡珠等主要缺陷，来优化每一个元器件的焊接工艺。这项研究的一个关键目标是确定和优化关键参数，以寻找到一个高效稳定的工艺。更进一步，是希望了解通孔透锡率/或孔的润湿程度与焊点所能承受的张力之间的关系特性。在本文中将逐一介绍使用每一种技术将元器件组装到印刷电路板上发生的情况，以及对这些电路板进行不同循环次数的热疲劳试验和针对通孔元器件的引脚进行拉力测试及失效分析的结果。当为这三种液态焊接技术优化的工艺确定之后，为了描述无铅通孔焊点的特性以及特定焊接技术的影响，采用了一种大尺寸的组件分别进行了试验。最后，这项研究让我们了解了可用于焊接印刷电路板的各种方法。虽然在目前的市场上，表面贴装技术（SMT）在元器件组装中居于统治地位，但是在绝大多数电子产品中，通孔技术（THT）应用仍有一定的增长空间，尤其是在需求弹性和特殊组装有要求的领域；其中就包括航空航天，资产类，以及互连密度要求不高，以及一些很难用表贴元器件替代通孔元器件的产品，THT还是大有可为的。这在iNEMI的液态焊接路线图中有所描述1（见表1）。

»1:2007俱巨码1»1:2007俱巨码1壇袋團芷于遊弊爆技术的发展锁也IfkiWEwr-i««.iu-~7T~FimiMH*0Itwn©10MFJD论kiIWMFTHprdiiQwwLiurticn-.iuHbi甲垃【3«[LM]HE申角［12习44[].«4|L旳51脚创比鈕）甲汕wuEJflfpwlr■»Lnlf■代關L—Q科45H,屮<!SK<3%iS.J&SRjwn-s1ECTBiHilENd34>LM-L-MIQ询10t-L»^■jr»rJrtTFkII^H3flRE怙吋1^A'otkdfiArr*-mSiUei*Wj*翱-r>7』」KkJO««1«340S4r3OWJD由于自动控制技术的进步和对传统波峰焊工艺的不断改进，可以使无铅波峰焊（由不同的工艺和材料参数组成）获得与锡铅波峰焊相媲美的工艺窗口，像单喷嘴的和多喷嘴的选择性波峰焊这类液态焊接技术也已经被开发并且被EMS业界所采用，这些技术完全可以满足PCB组装中不断上升的从表面贴装到通孔元器件的互连要求2，3。特定电路板的材料选择、工艺优化、焊点强度和质量，对于评估和分析使用这些技术的利弊是非常必要的。这样一来，不仅对每种技术来说非常重要的焊点强度方面的定性研究得以进行，而且还为在最小缺陷（电路板和元器件得到保护）下更高温度的无铅组装（通过工艺和材料参数选择和验证）建立起了工艺窗口2。液态焊接技术利用传统的波峰焊的导轨系统，在焊接的过程中将被焊接的电路板在液态焊接波上传送3，4。选择波包括单波和组合波，多喷嘴的焊接是另一种选择性焊接技术。选择性焊接是一种焊接电路板正反面通孔元器件的液态焊接技术，它是利用一个机器人系统来拾取夹持和拖曳电路板组件在单个喷嘴上方进行焊接。同样地，这个机器人系统也可以用在一个装有多个喷嘴的特殊加工的喷嘴盘上进行浸焊组装。在无铅焊接工艺中，选择焊很有效地仅使那些需要焊接的元器件和待焊部位暴露在高温中，而其它的元器件和区域则保持在临界温度之下，这归功于这类系统可以局部喷涂助焊剂、预热和灵活地焊接3，4。本文描述了每种液态焊接工艺的优化：单喷嘴，多喷嘴的和传统的波峰焊（基于消除了各种焊接缺陷）。此外，还会进行一个对比实验，来测量经过空气条件下的热循环（AATC）试验后的将引脚从通孔中拔出的拉力。热循环试验情况大致如下：将三种焊接方式的电路板分成三组，每组进行0〜100°C的温度循环，循环次数为0,500, 1000,2000和3000次。0次循环可以被认为组装完成时刻的情况。测量到的拉力可以被用来测量通孔焊点的强度和质量。为了观测三种液态焊接技术下焊点的一些重要和系统性的行为，将会测量金属间化合物（IMC）的厚度。通孔焊点的质量也许会随着各种焊接方式下的测量点的变化，工艺的差异，以及传输机构的改变而不同。因此，此次分析的双重目的是：1.无铅焊点形成的特性；2.通过使用单向拉力测试，分析和比较三种焊接技术下焊点的强度。实验设计在设计实验的过程中会选择许多种材料。材料选择的标准是基于EMS公司的制造经验，设备的使用和设置基于通常制造中的经验，基本的设置和操作方式。材料和组装工艺两个镀金表面的直角通孔器件被组装到标准的62mil厚的FR4材料的测试板上，一个是单排，一个是三排15针。测试板为包含了SMT/TH元器件并且是客户定制的OSP表面处理的双面板。每种焊接方式有四个主要的控制因子，每个因子会选三个水平进行组装测试。基于观察到的缺陷情况，可以计算得到一组最优化的工艺参数。使用这些最优工艺参数在每种焊接方式下组装五块电路板。使用的无铅焊料合金为96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu(SAC305) 。助焊剂为酒精基免清洗助焊剂InterfluxIF2005。助焊剂喷涂量通过喷在玻璃板上测量固体来决定。图1为测试板的顶面图片。设备一台VitronicsSoltec公司的Delta6622波峰焊设备被用来组装部分电路板。波峰焊设备的配置为：一个双头的助焊剂喷涂系统，通过一个泵系统来运作并且有一特殊设计的喷嘴。预热配置为三段式预热，第一和第二段是热风对流区，最后一段是Calrod模块。波峰设置为扰流波(chipwave)和平滑波(mainwave)。氮气保护系统的氮气流量设置为30,50和80升/分钟，在锡缸上形成一层氮气覆盖层。VitronicsSoltec公司的mySelective6748被用来组装剩余的电路板。选择性波峰焊的助焊剂系统是由一个泵控制的下沉式喷涂系统。预热系统包含一组加热管模块可以设置不同的热度，以达到需要的顶面预热温度。液态焊接部分有两种工艺：一种是选择波或者称为单点焊接方式，还有一种为组合波或者称为多喷嘴焊接方式。单点喷嘴是一个12mm直径的喷嘴有氮气保护，喷嘴安装在喷嘴盘上，喷嘴盘上有两个喷嘴可以同时分别焊接不同的通孔器件。对于每个子系统的参数都根据DOE中的需要分别进行控制。另外所有的系统包括传送都进行了校准，以输出相同的结果。温度测量和接触时间在不同的地方放置热电偶来进行记录，包括：•顶面表层•via孔内部•两个引脚：内排和其它排这样做的好处是可以记录预热温度，接触时间以及不同引脚之间的温度差。记录接触时间的热电偶被放置在通孔中，突出通孔大约1mm。记录结果如图2所示。Contacttimep.7seconds)240Q.Q1.9U,4 4.0 ^0 |.O 7.0S.Q9dD100£31Contacttimep.7seconds)240Q.Q1.9U,4 4.0 ^0 |.O 7.0S.Q9dD100£31«&EHL9Taguchi实验L9Taguchi实验是一个正交的部分因子试验，每个试验有4个因子，每个因子有3个水平然后随机化排列成9次运行，来替代一个81（34=81）次运行的全因子试验。下面的三张表为三个试验的参数。表宀波崎焜Tmguchi实脸乾次助焊网虽[rng/cm1!PCE顶血预热為度『口l°C)掩坦速症（cm/mln]11.6'902558021.61202601303K61502651B043左90俪130S3.212025516063.21502608076.390260IfiO631202€5do53150閒5130

Itstmo/cm1}PCBJS血sstssrc)焊料謁厦ro传送旌度10,78026C0,52D.71152905.03Z啲3M10.042,08032C5.055.011510.0g2.0150| 洌0.5T5,79&10,05.7itsW0.505.71502&0SO轻次助烬剂竝(mg/cm4]PCR顶曲HfftA®rc]焊料蟲度rc咼坤时间1a?ao260123.7115290333.71&03205斗9.790320359.71152605e07150290f714..0BO2fl05814.0115：S20.1914,01502«03质量标准一个打分系统用来记录缺陷。对通孔填充率，分成1〜5分，1分是指最好的情况，5分是指最坏的情况。图3a和3b描述的是这两种情况。部分顶面润湿，焊锡爬升达到或者超过95%通孔填充和焊锡爬升小于95%分别给予4、3和2分。置:4ffl3<aj：通仇塡荒为1分置:4ffl3<aj：通仇塡荒为1分对于桥接，计算桥接中包含的引脚数。图4是其中的一个例子。对于锡珠，计算所有在器件引脚范围内的锡珠数量而与体积大小无关。图5是其中的一个例子。便乩ii孔器件反璋内的豁珠空气条件下的热循环测试（AATC）每种焊接方式组装的电路板在空气条件下都经过0〜100°C的热循环。循环温度曲线上升和下降斜率为10°C/分钟，在两端停留30分钟。每种焊接方式下的4/5的电路板分成三组进行在测试房内进行500，1000，2000和3000次空气条件下的热循环测试；剩下的1/5的电路板作为没有进行过热循环条件下的评估。引脚拉力测试使用一个夹具安装在Instron5500R测试系统上来进行测试。夹具由一组可以调节的齿状卡钳组成，在拉力测试过程中牢牢抓住引脚。图6为试验安装方式。

F*囲/拉力测试实報蛋裝方式■■輯 *4 .F*囲/拉力测试实報蛋裝方式■■輯 *4 .4WW艸Pli叶X—¥音面/,Indron鹿座上三排，48个引脚的器件被用来进行拉力测试。引脚分成三排，每排16针，如图7所示。每块电路板都夹在X-Y轴平台上然后固定在Instron的底座上，并且调整角度使得引脚拔出时可以垂直于夹具。夹具有一个可以移动的（Y轴）字头连接。Instron的测压元件最大负载值为5kN，并且进行过校准，然后用来进行测量引脚发生失效时的拉力。拉升率或者机头速度设置得非常慢，为0.5mm/分钟，这样才可以在失效的时候能够获得整块的焊锡。引脚进行了预准备处理，在拉拔前先在90度转角处将其剪断，这样夹具可以有效地夹住引脚的底部并且可以通过Instron机头的运动来控制，进行稳定的拉拔，用这种方法可以避免滑动。最外面一排和中间一排的引脚被拔出，在失效时的拉力会被测量和记录，失效的模式也会通过观察引脚被记录下来。最内部的一排引脚将被保留用来进行失效后的典型性分析。失效模式在引脚拉力测试实验过程中，观察到了三种失效模式：•孔壁铜层失效•焊锡失效•孔壁铜层和焊锡混合失效孔壁铜层失效在这种模式中，引脚拔出后孔壁的铜层与孔分离，铜层全部包在引脚上。图8(a)所示为一个孔壁铜层失效模式下的引脚。在整个系统中，孔壁铜层是最薄弱的界面。孔童砒itoh礼孔童砒itoh礼la妁宦洗效...as晌:焊锡失效这种模式中，断裂发生在焊接后的焊锡块内部，在整个焊点中它是最薄弱的地方。图8(b)为拉力测试后一个发生焊锡失效的引脚。混合(部分孔壁铜层与部分焊锡)失效在这种模式中，断裂发生的情况就像孔壁铜层失效和焊锡失效两种情况合并发生。图8(c)所示为混合失效。

器件引脚失效第四种模式是存在的，但是在此次研究中间没有发生所以也就没有记录。在这种模式中，器件的引脚是最薄弱的地方，在测试中会断裂。结果和讨论波峰焊工艺流程的优化控制波峰焊焊接质量的关键因子是：助焊剂喷涂量(mg/cm2),预热温度(°C)和导轨速度(cm/min)；导轨速度与接触时间和焊接温度有直接的比例关系8。每个因子的三个水平的选择如前所述。分析观察到的缺陷情况,结果如四张响应图,四张图分别为通孔填充率、漏焊锡珠和桥接。这些响应图如表5、6、7、8所示。壽日：羽焜响应圈MNSQTw革H坤“毎律絶啊引B*迭常3耳I*8w革H坤“毎律絶啊引B*迭常3耳I*8?■倔!I、益輔辉一惴楼SOT基于以上测试的结果，对于波峰焊推荐如下的参数设置：利用如上的参数，再运行5次组装仿型来确认结果。通过分析缺陷可以证明，上述计算出来的最优工艺对通孔填充、漏焊和锡珠非常有效。仍观察到表面贴装的桥接。验证运行的结果表明这些参数对减少上述缺陷是最优的。选择性波峰焊工艺流程的优化对于选择性波峰焊，其助焊剂工艺是使用一个下沉式喷射系统。焊接过程是在可控制的氮气保护环境下进行的。控制焊接质量的关键因子是助焊剂喷涂量(mg/cm2),预热温度(°C),焊料温度(°C)，拖曳速度(mm/sec)。关键值使用DOE方法来决定。这里的评估标准是通孔填充、桥接和焊盘爬锡,基于上述因素选择性波峰焊的参数推荐如下：S10：忧优切的选释世液蚌焊爭址L助埠刑量］mg/cm^15.7预碍逛癢rci60権虫逸窿(mm/sec)5组合波焊接工艺流程的优化对于组合波焊接，助焊剂工艺也是使用一个下沉式喷射系统，焊接过程也是在可控制的氮气保护环境下进行的。控制焊接质量的关键因子是助焊剂喷涂量(mg/cm2),预热温度(°C),焊料温度(°C)，浸焊速度(mm/sec)。关键值使用实验设计矩阵方法来决定。这里的评估标准是通孔填充率、最小桥接发生,基于以上因素,选择性波峰焊的参数推荐如下：使用这些参数焊接五块不同的电路板,来进行引脚拉力测试评估它的焊点强度。拉力测试结果测得每个引脚的拉力值并记录,包括是哪一排的——外排或中间排,焊接方式,以及具体每一块板的AATC循环次数。焊点强度数据用点图随AATC循环次数的增加标注出来,用以推出其可能的变化趋势。波峰焊对于波峰焊,从图9可以看出,随着循环次数的增加,孔壁铜层(的附着力)变得越来越弱。经过第一组500次循环,强度大约有15%的下降。在这个初次下降之后,拔出引脚的拉力基本保持稳定,即使在经过3000次循环之后也只有很小的改变。对于失效机理,样本在0次循环时是铜层和焊锡的混合失效；在1000次循环以上,90%的失效是孔壁铜层失效。羟过鸥衲珏试验石的拘力瀾试6-1歯贮廉曲圧. D.BOBft MOQftSMKftI询9应丼焊工芒亲件卜.懈点拉力与AATU育坏次散的关赢选择性波峰焊对于选择性波峰焊,从图10可以看出,随着AATC循环次数的增加没有观察到明显的拉力值的差异。基于观察到的失效模式,孔壁铜层的强度随着循环次数的增加而增强,一直到2000次循环,90%的失效模式为焊锡或混合失效。但是在3000次循环后,90%的失效是孔壁铜层失效。

wws环试■后的押出划试环ffllO：進择性建皆焊工垃条忡下，礪检力吕AATCfiiHi次敷的关用组合波焊接对于组合波焊接，从图11可以看出，铜层(附着强度)随着循环次数增加而加强。随着AATC循环次数增加，同一组循环次数下的变差也加大了带有向外扩散的趋势并且表现出不同的失效模式。相对而言，在较高的AATC循环次数中，观察到相对较多的焊锡和混合失效模式(90%)。为了验证得到的结果是否表现出任何统计显著性，针对焊接方式、AATC循环次数和排数这三个因子，进行了一次ANOVA分析(方差分析)。响应变量是实验中获得的拉力强度值；同一排的不同引脚被作为仿型；其他任何不可控因子都假设为对强度值的影响可以忽略不计。基于ANOVA的结果发现，所有三个因子，焊接方式、AATC循环次数和排数对张力强度都有显著影响。虽然有些两次交互对结果也有显著影响，但是这不在本次研究范围内；三次交互没有显著影响。到目前为止，为什么引脚所在的排数对于结果有显著影响还无法给出合理的解释。由于结果显现出各种各样的失效模式，这增加了解释结果趋势的复杂性。但是，从观察到的强度值中间进行一些比较还是可以得到一些结果：波峰焊对于电路板和器件是最有害的，因为所有的焊点的强度值的范围为150~175N，相对于选择性波峰焊和组合波焊接的范围(200-225N)要低。但无论是否经过热循环试验，通孔元器件的焊点强度都要比表面贴装的焊点强度要高。

金属间化合物的厚度在每种液态焊接技术中得到的样本都被做了切片，抛光和腐蚀，这是为了得到铜层壁和焊锡之间的IMC的厚度。表12给出了每种焊接技术下使用SEM得到的IMC厚度（“m）30次测量的均值。IMC厚度的增加与AATC成函数关系，和焊接方式无关。虽然观察到个别例外，但是总体的趋势是IMC的增长呈指数衰减。这种现象被认为是在热循环过程中由于热扩散造成的。此外，从剖面中发现在所有焊接方式中，焊点或孔壁中的裂痕从非常靠近爬锡面弯曲处开始。从显微镜中观察到，剖面的裂纹在那些为了获得额外接触时间而暴露于过高的焊接温度中的电路板中是最糟糕的。如图12和13所示。W12：頁而焊盘擾饬[A13：顶而愼焊矗瞞临结论本研究的目的是为了有针对性地了解在三种液态焊接技术下焊点的形成，优化的消除缺陷的工艺流程，以及（在这些焊接技术下形成的）焊点强度的比较。本研究提供给读者在同一块电路板上的三种不同的焊接方式，但是每种焊接方式有着独一无二的机会去得到想要的结果。本研究的另一个目标是为了定义缺陷发生的参数边界值。每种焊接技术下的焊点的机械测试的结果表明，所有的焊点都非常牢靠，但是存在着显著的差异，这些差异与在特定时间区间内电路板暴露在过高的温度中相关。致谢：真诚地感谢UnovisSolutions的PeterBorgesen与作者进行的富有深刻启发性的讨论。参考资料：ExcerptfromtheBoardAssemblyChapterofthe2007iNEMIRoadmap.Barbini,D.,“ImplementationofaLeadFreeWaveSolderingProcess:Anin -depthLookattheCriticalIssues,January200