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无铅焊接的关键—工艺温度曲线


www.hj180.com 2007年9月21日

    

摘要:

向无铅焊接的过渡,势必引起工艺各个方面的改变,包括PCB、元器件 和焊膏等,供应商需要对这些挑战做出响应。对于大部分CEM厂商来说,回 流焊工艺本身就是最大的问题来源,而这些问题必需由CEM厂商自行解决。 SolderStar公司董事总经理 Mark Stansfield 认为,工艺温度曲线测试仪正是解 决这些重大挑战的关键因素。 

在经历过初期的大力宣传、几次反复开步及强制 性的无铅工艺加速实施后,2006年7月1日,欧盟的RoHS法规终于尘埃落定并正式执行。

无论接受与否,此后,那些想把电子产品销售到欧盟 国家的生产厂商必需确保其产品的无铅化。这对于一直备 受冲击且已习惯于锡/铅焊接及其相关特性的电子产业来 说,影响可谓非常深远。 

回流焊工艺本身正经历巨大变革,对于小型厂家和 CEM来说,最主要的困难是能否跟上这个改变,对工艺温 度曲线的精确测试是成功实现变革的关键。

新的挑战 
向无铅焊接转变的主要问题是工艺窗口缩小,只要看 看一些典型的焊膏和元器件的焊接温度要求就会明白。

在采用液相温度为183℃ 的锡铅焊料合金 (Sn63/Pb37) 的标准焊接工艺中,最低峰值温度应当在200-205℃的范围,最高峰值温度应为235℃(见图1)。这个235℃的上限 温度正好与大多数元器件生产商的元器件最高温度值相吻 合。因此,分布着不同工艺温度元器件的主板将有30℃的 工艺窗口,来实现良好的焊接效果。

由于锡铅技术的高度成熟化,除了一些非常原始而陈 旧的设备,很少有人会在工艺上出现重大失误和问题。

将锡铅的工艺窗口与(图2中)的无铅SnAgCu工艺窗口比 较会发现,无铅的工艺窗口变窄很多,这无疑给工艺操作 带来很多新问题。

SnAgCu完全熔融的温度为217℃,相对应的最低和最 高峰值温度分别为227℃和257℃。显而易见,这个最高值 超过了大多数现有的半导体厂商产品的温度最高值。元器 件生产商都在全力追求更高的封装品质,但这需要时间来 改善;而目前一些尺寸较小、比较脆弱的封装也给厂家提 出了严峻的挑战。

如果考虑现实的状况,把最高温度值降到目前这个水平 (235℃),工艺温度范围就只有8℃了。

这样,势必会带来两方面的影响:

1、无论主板上有什么样的元器件 (种类或大小不同), 都会更加重视炉膛内部,主板各处承受的温度的差 值是否最小;

2、需要用温度曲线测试仪来精确测量其实际温度,从 而正确设置工艺温度曲线,并在工艺过程中监控各 个工艺参数的变化趋势。

应对挑战 
既然过渡到无铅后会提高工艺要求,那我们该怎么办?

显然,对于给定的焊膏类型和主板,必需建立新的回 流焊工艺,并进行优化。焊膏厂家会提供相应的参数和信 息,但各种主板因为其表面分布的元器件类型和数量的不 同,存在着各种各样的差异:

1、更换焊膏,温度范围也随之改变; 
2、更换机器,用不同厂家的机器或不同型号,就需要重新设置相关参数。

我们需要的是能加快这种设置过程,使整个事情变得 更直观的测试工具。这个工具应当具有以下三个重要功能: 首先,必须具有完整的焊膏数据库。SolderStar的软件 中已设立了专门的焊膏数据库,其中包含大多数厂家的焊 膏品牌、型号和技术参数,焊膏数据库还收录了各焊膏的 工艺参数范围及标准温度曲线。

用编辑菜单和工艺指导流程可以快速添加新的焊膏或 特殊的焊膏,从而加快工艺转换速度。

第二,也是更重要的一点,是不再需要根据焊膏指标 而对工艺参数进行烦琐的测量和评测。

Solderstar系统有一个独特的图形式工艺检查视窗,名为Process Checker,能根据焊膏参数分析每个工艺参数, 并用简便直观的图形显示出相应结果。

绿色区域内的工艺参数表示该参数代表的工艺制程合 理。红色区域内的工艺参数表示该参数代表的工艺制程不 合理,需要注意及改善,相关图案会自动闪烁,向用户示警。

如果更换了焊膏类型,新的焊膏极限参数将立即生 效。更换焊膏的影响可立即观察到。

第三,系统应显示加热区和传送带速度改变的所带来 的效果,以便引导用户进行工艺优化。

SolderStar 系统备有新的图表式模拟系统,名为 Profile Seeker,可对加热区和传送带速度的改变预先进行离线 评估。有了这个软件工具,用户在设立全新的温度曲线, 如更换或评估某种无铅焊膏,或对现有温度曲线进行优化 时,就不必频繁地进行温度测试,节省了时间和成本。

Profile Seeker 系统会显示出一条模拟温度曲线,并且 可以和现有曲线放在一起进行对比,以图示的直观方式,向 用户表明主要工艺参数改变对温度曲线的巨大影响。

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