液态焊接技术和工艺优化模板

液态焊接技术和工艺优化DenisBarbini，UrsulaMarquezdeTino，KaustubhKalkundri，GerjanDiepstraten—VitronicsSoltec—低缺点波峰焊和选择焊工艺案例分析[.1.1]摘要：

在实施液态焊接工艺（liquidsolderingprocess）中，对关键参数控制对于取得优良焊点是很关键。在本案例中，采取一块特殊电路板，使用波峰焊和选择性波峰焊这两种工艺进行焊接。前期研究中比较了波峰焊和选择性波峰焊所形成焊点，并经过热循环试验显示出它们在焊点强度方面关键差异，进而分析对产品寿命影响和所使用材料性能。而在观察焊点质量和强度方面，针对镀通孔有引脚元器件推出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，要比一般无铅波峰焊技术更具优势。焊接工艺类型对电子组装质量影响，能够经过像通孔透锡不良、桥接、漏焊、锡珠等这类特定缺点进行描述。对于波峰焊，这项研究将确定工艺参数包含助焊剂使用量、预热温度、锡缸温度和接触时间等对缺点形成影响。对于选择性波峰焊，我们分为单喷嘴工艺和多喷嘴工艺两类。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特征。元器件温度曲线将决定焊接温度区间。和波峰焊试验类似，关键四项参数包含助焊剂使用量、预热温度、锡缸温度和接触时间，这四个参数能够经过拖曳速度（dragspeed）和浸锡时间来定义。经过分析包含通孔透锡不良、顶面不润湿、桥接、锡珠等关键缺点，来优化每一个元器件焊接工艺。这项研究一个关键目标是确定和优化关键参数，以寻求到一个高效稳定工艺。更深入，是期望了解通孔透锡率/或孔润湿程度和焊点所能承受张力之间关系特征。在本文中将逐一介绍使用每一个技术将元器件组装到印刷电路板上发生情况，和对这些电路板进行不一样循环次数热疲惫试验和针对通孔元器件引脚进行拉力测试及失效分析结果。当为这三种液态焊接技术优化工艺确定以后，为了描述无铅通孔焊点特征和特定焊接技术影响，采取了一个大尺寸组件分别进行了试验。最终，这项研究让我们了解了可用于焊接印刷电路板多种方法。即使在现在市场上，表面贴装技术（SMT）在元器件组装中居于统治地位，不过在绝大多数电子产品中，通孔技术（THT）应用仍有一定增加空间，尤其是在需求弹性和特殊组装有要求领域；其中就包含航空航天，资产类，和互连密度要求不高，和部分极难用表贴元器件替换通孔元器件产品，THT还是大有可为。这在iNEMI液态焊接路线图中有所描述1（见表1）。因为自动控制技术进步和对传统波峰焊工艺不停改善，能够使无铅波峰焊（由不一样工艺和材料参数组成）取得和锡铅波峰焊相媲美工艺窗口，像单喷嘴和多喷嘴选择性波峰焊这类液态焊接技术也已经被开发而且被EMS业界所采取，这些技术完全能够满足PCB组装中不停上升从表面贴装到通孔元器件互连要求2，3。特定电路板材料选择、工艺优化、焊点强度和质量，对于评定和分析使用这些技术利弊是很必需。这么一来，不仅对每种技术来说很关键焊点强度方面定性研究得以进行，而且还为在最小缺点（电路板和元器件得到保护）下更高温度无铅组装（经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波峰焊导轨系统，在焊接过程中将被焊接电路板在液态焊接波上传送3，4。选择波包含单波和组合波，多喷嘴焊接是另一个选择性焊接技术。选择性焊接是一个焊接电路板正反面通孔元器件液态焊接技术，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。一样地，这个机器人系统也能够用在一个装有多个喷嘴特殊加工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元器件和待焊部位暴露在高温中，而其它元器件和区域则保持在临界温度之下，这归功于这类系统能够局部喷涂助焊剂、预热和灵活地焊接3，4。本文描述了每种液态焊接工艺优化：单喷嘴，多喷嘴和传统波峰焊（基于消除了多种焊接缺点）。另外，还会进行一个对比试验，来测量经过空气条件下热循环（AATC）试验后将引脚从通孔中拔出拉力。热循环试验情况大致以下：将三种焊接方法电路板分成三组，每组进行0～100°C温度循环，循环次数为0，500，1000，和3000次。0次循环能够被认为组装完成时刻情况。测量到拉力能够被用来测量通孔焊点强度和质量。为了观察三种液态焊接技术下焊点部分关键和系统性行为，将会测量金属间化合物（IMC）厚度。通孔焊点质量可能会伴随多种焊接方法下测量点改变，工艺差异，和传输机构改变而不一样。所以，此次分析双重目标是：1.无铅焊点形成特征；2.经过使用单向拉力测试，分析和比较三种焊接技术下焊点强度。试验设计

在设计试验过程中会选择很多个材料。材料选择标准是基于EMS企业制造经验，设备使用和设置基于通常制造中经验，基础设置和操作方法。材料和组装工艺两个镀金表面直角通孔器件被组装到标准62mil厚FR4材料测试板上，一个是单排，一个是三排15针。测试板为包含了SMT/TH元器件而且是用户定制OSP表面处理双面板。每种焊接方法有四个关键控制因子，每个因子会选三个水平进行组装测试。基于观察到缺点情况，能够计算得到一组最优化工艺参数。使用这些最优工艺参数在每种焊接方法下组装五块电路板。使用无铅焊料合金为96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu(SAC305)。助焊剂为酒精基免清洗助焊剂InterfluxIF。助焊剂喷涂量经过喷在玻璃板上测量固体来决定。图1为测试板顶面图片。设备

一台VitronicsSoltec企业Delta6622波峰焊设备被用来组装部分电路板。波峰焊设备配置为：一个双头助焊剂喷涂系统，经过一个泵系统来运作而且有一特殊设计喷嘴。预热配置为三段式预热，第一和第二段是热风对流区，最终一段是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企业mySelective6748被用来组装剩余电路板。选择性波峰焊助焊剂系统是由一个泵控制下沉式喷涂系统。预热系统包含一组加热管模块能够设置不一样热度，以达成需要顶面预热温度。液态焊接部分有两种工艺：一个是选择波或称为单点焊接方法，还有一个为组合波或称为多喷嘴焊接方法。单点喷嘴是一个12mm直径喷嘴有氮气保护，喷嘴安装在喷嘴盘上，喷嘴盘上有两个喷嘴能够同时分别焊接不一样通孔器件。对于每个子系统参数全部依据DOE中需要分别进行控制。另外全部系统包含传送全部进行了校准，以输出相同结果。温度测量和接触时间在不一样地方放置热电偶来进行统计，包含：•顶面表层

•via孔内部

•两个引脚：内排和其它排这么做好处是能够统计预热温度，接触时间和不一样引脚之间温度差。统计接触时间热电偶被放置在通孔中，突出通孔大约1mm。统计结果图2所表示。L9Taguchi试验

L9Taguchi试验是一个正交部分因子试验，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，来替换一个81（34=81）次运行全因子试验。下面三张表为三个试验参数。质量标准

一个打分系统用来统计缺点。对通孔填充率，分成1～5分，1分是指最好情况，5分是指最坏情况。图3a和3b描述是这两种情况。部分顶面润湿，焊锡爬升达成或者超出95%通孔填充和焊锡爬升小于95%分别给4、3和2分。对于桥接，计算桥接中包含引脚数。图4是其中一个例子。对于锡珠，计算全部在器件引脚范围内锡珠数量而和体积大小无关。图5是其中一个例子。空气条件下热循环测试（AATC）

每种焊接方法组装电路板在空气条件下全部经过0～100°C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。每种焊接方法下4/5电路板分成三组进行在测试房内进行500，1000，和3000次空气条件下热循环测试；剩下1/5电路板作为没有进行过热循环条件下评定。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。夹具由一组能够调整齿状卡钳组成，在拉力测试过程中牢牢抓住引脚。图6为试验安装方法。三排，48个引脚器件被用来进行拉力测试。引脚分成三排，每排16针，图7所表示。每块电路板全部夹在X-Y轴平台上然后固定在Instron底座上，而且调整角度使得引脚拔出时能够垂直于夹具。夹含有一个能够移动（Y轴）字头连接。Instron测压元件最大负载值为5kN，而且进行过校准，然后用来进行测量引脚发生失效时拉力。拉升率或机头速度设置得很慢，为0.5mm/分钟，这么才能够在失效时候能够取得整块焊锡。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，这么夹具能够有效地夹住引脚底部而且能够经过Instron机头运动来控制，进行稳定拉拔，用这种方法能够避免滑动。最外面一排和中间一排引脚被拔出，在失效时拉力会被测量和统计，失效模式也会经过观察引脚被统计下来。最内部一排引脚将被保留用来进行失效后经典性分析。失效模式

在引脚拉力测试试验过程中，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，引脚拔出后孔壁铜层和孔分离，铜层全部包在引脚上。图8(a)所表示为一个孔壁铜层失效模式下引脚。在整个系统中，孔壁铜层是最微弱界面。焊锡失效

这种模式中，断裂发生在焊接后焊锡块内部，在整个焊点中它是最微弱地方。图8(b)为拉力测试后一个发生焊锡失效引脚。混合（部分孔壁铜层和部分焊锡）失效在这种模式中，断裂发生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)所表示为混合失效。器件引脚失效第四种模式是存在，不过在此次研究中间没有发生所以也就没有统计。在这种模式中，器件引脚是最微弱地方，在测试中会断裂。结果和讨论波峰焊工艺步骤优化

控制波峰焊焊接质量关键因子是：助焊剂喷涂量(mg/cm2)，预热温度(°C)和导轨速度(cm/min)；导轨速度和接触时间和焊接温度有直接百分比关系8。每个因子三个水平选择如前所述。分析观察到缺点情况，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所表示。基于以上测试结果，对于波峰焊推荐以下参数设置：利用如上参数，再运行5次组装仿型来确定结果。经过分析缺点能够证实，上述计算出来最优工艺对通孔填充、漏焊和锡珠很有效。仍观察到表面贴装桥接。验证运行结果表明这些参数对降低上述缺点是最优。选择性波峰焊工艺步骤优化

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氮气保护环境下进行。控制焊接质量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。这里评定标准是通孔填充、桥接和焊盘爬锡，基于上述原因选择性波峰焊参数推荐以下：组合波焊接工艺步骤优化

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氮气保护环境下进行。控制焊接质量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)。关键值使用试验设计矩阵方法来决定。这里评定标准是通孔填充率、最小桥接发生，基于以上原因，选择性波峰焊参数推荐以下：使用这些参数焊接五块不一样电路板，来进行引脚拉力测试评定它焊点强度。拉力测试结果

测得每个引脚拉力值并统计，包含是哪一排——外排或中间排，焊接方法，和具体每一块板AATC循环次数。焊点强度数据用点图随AATC循环次数增加标注出来，用以推出其可能改变趋势。波峰焊

对于波峰焊，从图9能够看出，伴随循环次数增加，孔壁铜层（附着力）变得越来越弱。经过第一组500次循环，强度大约有15%下降。在这个首次下降以后，拔出引脚拉力基础保持稳定，即使在经过3000次循环以后也只有很小改变。对于失效机理，样本在0次循环时是铜层和焊锡混合失效；在1000次循环以上，90%失效是孔壁铜层失效。选择性波峰焊

对于选择性波峰焊，从图10能够看出，伴随AATC循环次数增加没有观察到显著拉力值差异。基于观察到失效模式，孔壁铜层强度伴随循环次数增加而增强，一直到次循环，90%失效模式为焊锡或混合失效。不过在3000次循环后，90%失效是孔壁铜层失效。组合波焊接

对于组合波焊接，从图11能够看出，铜层（附着强度）伴随循环次数增加而加强。伴随AATC循环次数增加，同一组循环次数下变差也加大了带有向外扩散趋势而且表现出不一样失效模式。相对而言，在较高AATC循环次数中，观察到相对较多焊锡和混合失效模式(90%)。为了验证得到结果是否表现出任何统计显著性，针对焊接方法、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)。响应变量是试验中取得拉力强度值；同一排不一样引脚被作为仿型；其它任何不可控因子全部假设为对强度值影响能够忽略不计。基于ANOVA结果发觉，全部三个因子，焊接方法、AATC循环次数和排数对张力强度全部有显著影响。即使有些两次交互对结果也有显著影响，不过这不在此次研究范围内；三次交互没有显著影响。到现在为止，为何引脚所在排数对于结果有显著影响还无法给出合理解释。因为结果显现出多种多样失效模式，这增加了解释结果趋势复杂性。不过，从观察到强度值中间进行部分比较还是能够得到部分结果：波峰焊对于电路板和器件是最有害，因为全部焊点强度值范围为150～175N，相对于选择性波峰焊和组合波焊接范围（200-225N）要低。但不管是否经过热循环试验，通孔元器件焊点强度全部要比表面贴装焊点强度要高。金属间化合物厚度

在每种液态焊接技术中得到样本全部被做了切片，抛光和腐蚀，这是为了得到铜层壁和焊锡之间IMC厚度。表12给出了每种焊接技术下使用SEM得到IMC厚度(μm)30次测量均值。IMC厚度增加和AATC成函数关系，和焊接方法无关。即使观察到部分例外，不过总体趋势是IMC增加呈指数衰减。这种现象被认为是在热循环过程中因为热扩散造成。另外，从剖面中发觉在全部焊接方法中，焊点或孔壁中裂痕从很靠近爬锡面弯曲处开始。从显微镜中观察到，剖面裂纹在那些为了取得额外接触时间而暴露于过高焊接温度中电路板中是最糟糕。图12和13所表示。结论

本研究目标是为了有针对性地了解在三种液态焊接技术下焊点形成，优化消除缺点工艺步骤，和(在这些焊接技术下形成)焊点强度比较。本研究提供给读者在同一块电路板上三种不一样焊接方法，不过每种焊接方法有着独一无二机会去得到想要结果。本研究另一个目标是为了定义缺点发生参数边界值。每种焊接技术下焊点机械测试结果表明，全部焊点全部很牢靠，不过存在着显著差异，这些差异和在特定时间区间内电路板暴露在过高温度中相关。致谢：

真诚地感谢UnovisSolutionsPeterBorgesen和作者进行富有深刻启发性讨论。参考资料：

1.ExcerptfromtheBoardAssemblyChapteroftheiNEMIRoadmap.

2.Barbini,D.,“ImplementationofaLeadF