Ursula Marquez de Tino、Denis Barbini——Vitronics Soltec , Wesley Enroth——Flextronics
 
 
焊点的最终形成会受到焊接气氛的影响。根据之前的研究2,3,4,5,6,7,，无论是锡铅还是无铅焊料，在不同的气氛下会有不同的表现。由于无铅焊料的润湿性能较差，惰性气体的使用就非常必要。但问题是，惰性气体的使用量应该设为多少比较合适呢？由于氮气的使用会增加生产成本，如何降低氮气消耗量是全球业界都非常关注的问题。

本项目通过控制某些专门设计的印刷线路板焊接过程中回流焊炉中的氧气浓度，来研究气氛对无铅焊接的影响，氧气的PPM值（浓度）通常是通过在炉膛的指定的位置进行测量而获得的。了解炉膛内气体的特性对于研究焊接气氛和焊点形成之间的关系非常重要。在回流焊接后，将对线路板上的通孔元器件进行波峰焊接，并对不同的工艺参数下通孔的填充状况进行比较。

本项目中使用的材料对研究结果会产生非常重要的影响。项目研究了无铅通孔元器件组装在93mil和125mil厚、表面处理为OSP的印刷线路板，使用两种助焊剂条件下得到的焊接结果。波峰焊接曲线根据助焊剂类型进行了优化使助焊剂的性能得到最大发挥。
焊点结果的评定依靠目检和5-DX检查。

本研究的目的在于确定不同惰性焊接气氛和通孔填充之间的关联性；通过对表面贴装缺陷和通孔填充情况的分析，来量化以下因素对焊接质量的影响：

• 回流焊工艺中的氧气浓度

• 回流焊工艺中的氮气供应方法

• 波峰焊工艺中的助焊剂

• 波峰焊工艺中的气氛

• 线路板厚度

• 通孔设计和元器件排列方向


实验材料

线路板
两块厚度分别为93mil和125mil的16层FR4线路板(见图1)。线路板材料为TU752，其玻璃转化温度Tg为1700C，分解温度Td为3500C；线路板上的阻焊层材料是Probimer65，线路板尺寸为5.5 in×7 in；表面处理是Entek Plus HT铜面有机可焊性保护涂层（OSP），选择这种涂层是因为其使用广泛且对温度和空气环境比较敏感。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OSP能暂时保护线路板的铜表面不被氧化。在焊接过程中，OSP会被助焊剂渗透并被高温熔化掉。由于经历多次热循环后会使涂层产生交粘现象（cross linking），从而使其难以被助焊剂中的弱有机酸渗透。根据铜表面OSP供应商的规格说明，该种涂层能经受三次以上的热循环，而润湿性能不会降低。
线路板由伟创力（Flextronics）设计，包含了表面贴装和通孔元器件的焊盘。表1列出了通孔元器件的设计尺寸。


 

 

 

 

 

 

 

元器件
本次实验选用了表面贴装和通孔元器件。由于线路板要过波峰焊，我们对表面贴装元器件实施了点胶和固化工艺，采用的是汉高乐泰3627胶粘剂。通孔元器件会在过波峰焊之前手工插装到线路板上。

• 电阻
40个0805电阻以和垂直于电路板方向放置，32个1206电阻则分别放置在垂直和平行方向。这两种电阻的焊端为镍层上镀100%的纯锡。

• 小外形封装器件
20个SOT23器件以垂直和平行方向放置，这些器件有3个引脚且为100%纯锡镀层。还有13个SO16器件也是以垂直和平行方向放置，这些器件有16个鸥翼形引脚，均为纯锡镀层的无铅器件。

• 通孔元器件
所有通孔元器件均为无铅镀层，符合无铅工艺要求。3个64引脚的高温热压连接器，镀金引脚直径为25mil。3个塑料双列直插式封装（PDIP）元件有16个引脚且为100%亚光锡镀层，引脚直径为15mil，间距为100mils。25个轴向电阻有2个直径为22mil的引脚，也是纯锡镀层。除DIP元件外，所有通孔元器件的引脚延伸部分均超过140mils。但在93mil厚的线路板上，DIP元件引脚延伸部分为可见的。IPC610规定，除定形引脚元器件（如DIPs）外，Class 1，2，3级的元器件引脚延伸至少在焊锡中必须是清晰可见的。
助焊剂
助焊剂1是无VOC的水基免清洗助焊剂，固体含量4.5%;助焊剂2为乙醇基免清洗松香助焊剂，固体含量为7%。


焊锡合金
Sn 3%Ag 0.5%Cu 或 SAC 305。
实验设计

表2列出了实验的工艺参数。采用完全因子试验并且每种条件重复2次。在回流焊中我们设置了5个档次的氧气浓度并采用2种氮气供应方法。在波峰焊中，我们使用了2种助焊剂，分别在空气和氮气状态下对2块不同厚度的线路板进行焊接。

组装工艺及设备

在不同的气氛下测试了两种厚度总共144块线路板，使用了两种助焊剂。

 

 

 

 

 

 

 

印刷

• 印刷速度：20mm/s

• 印刷次数：2

• 刮刀：金属材质，60o

• 网板厚度：6mil

• 网板类型：激光网板加抛光

除了SO16元器件外，所有元器件焊盘被印刷上适量的胶粘剂，该元器件离板面间隙大于印胶厚度。如果采用印胶工艺，则需要使用10mil厚的网板。SO16元器件焊盘使用半自动点胶机喷涂上更多的胶粘剂。


贴片
试验中使用环球仪器公司的GSM贴片机来贴装线路板底面的元器件。
回流焊
回流焊工艺采用的是一台13温区（9个加热区和4个冷却区）的XPM3940热风回流焊炉。测试分别在5种氧气含量值（PPM）下进行：25、500、1,200、2,500，和210,000。210,000即21%氧气含量，即指空气环境；其余四种为氮气氛，氮气供应采用了全程充氮和回流区充氮两种方法。

 

 

 

 

 

 

全程充氮是指对回流焊炉的每个温区包括冷却区都进行充氮，从而使整个炉膛的氧气含量几乎保持一致（参见图2）；而回流区充氮仅仅是对某些特定的温区进行充氮。在本次实验中，我们只对第9加热区充氮，同时影响到第8加热区和第1冷却区，这三个温区是焊料合金的回流区(参见图3)。PPM值是通过安装在1, 3, 5, 7, 8, 9加热区和10, 11, 13.冷却区的氧气分析仪进行测量的。

 

 

 

 

 

 

温度曲线是通过安装在一块裸板上的4个K型热电偶来设定和测量，这4个热电偶分别放置在线路板顶面靠近焊炉可调轨道和固定轨道的两侧和中间位置，以及底面的中间位置。
我们设定的回流焊温度曲线是典型的线性温度曲线，其最高焊接温度为250oC，液相线（TAL）上时间为65～75秒。两块不同厚度的线路板采用了不同的温度曲线设置。我们使用回流温度曲线，而非固化温度曲线，是为了即能固化胶粘剂，又能模拟双面板的回流焊过程。回流温度曲线设置请参照表3。

 

 

 

 

 

 

助焊剂的最佳使用量是通过参照助焊剂的规格和对标准测试线路板的称重来获得的。传真纸和PH试纸被放置在线路板的顶面，以测试线路板在助焊剂被喷涂之后是否有良好的通孔润湿。

无VOC的水基助焊剂，最大喷涂量为1,500μg/in。但这样的使用量导致125mil厚的线路板焊接质量不良。如果增加助焊剂使用量，虽然通孔填充有所改善，但过量使用助焊剂会造成线路板顶面和底面的污染。因此，针对该助焊剂在125mil厚线路板的实验结果被放弃不用。使用的乙醇基助焊剂的技术数据中没有建议用量的规范，用量是参照Vitronics Soltec 和 Flextronics先前合作进行的实验数据。

我们使用了SAC305焊锡，锡缸温度设置为2650C。在波峰焊接过程中，线路板顶面温度不超过2170C，并使用了托盘。波峰焊接的参数和观察数据请见附录1(请与作者联系)
实验结果及分析

焊点结果的评定依靠目检和5DX检查。视觉检查不仅能够帮助发现各种焊接缺陷，如桥接，少件，焊锡过多，焊锡球和锡网等，而5DX能检查到元器件引脚通孔中的填充状况并算出每个元器件引脚的通孔填充率。此类技术也被用来检查贴片元器件的缺陷。


视觉检查
我们对所有线路板底面的波峰焊接后的表面贴装和通孔元器件进行了视觉检查。最主要的焊接缺陷是桥接或短路。焊锡桥接的形成主要受线路板厚度、助焊剂类型，以及波峰焊气氛的影响（见图4）。在95%置信度，采用方差分析后，建议使用乙醇基免清洗助焊剂，氮气覆盖波峰焊接，和93mil厚度线路板。回流焊对桥接无影响。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

通过视觉检查，我们发现在波峰焊中使用氮气覆盖，桥接缺陷数会减少34%；使用较薄(93mils)的线路板，桥接缺陷数减少27%；使用树脂免清洗助焊剂，桥接缺陷数减少26%。这里缺陷数指被桥接的元器件引脚数量，图5所示是被桥接的3个元器件引脚。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表面贴装元器件的5DX检查

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

但在和线路板方向平行的元器件上，我们发现桥接明显减少。和线路板方向平行的元器件的每百万桥接缺陷数（DPMO）是6,727，而和线路板方向垂直的元器件的DPMO为70,409。而在在125mil厚的线路板上，和线路板方向平行和垂直的元器件的DPMO分别为111,545 和 65,008。这种相互对立的结果绝大部分是在使用乙醇基助焊剂时观察到的。似乎高预热温度（线路板顶面温度为1280C）会在线路板过波峰之前蒸发掉其底面的助焊剂。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

通孔元器件的5DX检查
5DX被用来检查通孔的填充状况。对每一个通孔填充情况的分析先采用x-ray测量，分为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%十种填充状况。这种技术通过灰度数据进行描述。在检查前，基于实验和标定，我们先确认了一个阈值。以这个阈值为基准，低于这个阈值的灰度值表明无填充，而高于这个阈值的灰度值则表明通孔有填充；进而得到通孔的上述十种填充状况的灰度值数据。
波峰焊参数的影响
这项研究的目的是为了确认回流焊接气氛对焊点形成的影响。因此，必须对波峰焊工艺进行优化，使其对焊点的形成不会产生决定性的作用。通过数据的分析表明，线路板厚度和波峰焊气氛是影响通孔填充量的主要因素。在95%置信度，采用方差分析后，93mil厚线路板和氮气氛下，对通孔填充情况的影响因素如图8所示。虽然助焊剂也起着很大的作用，但是在试验中通过优化，可以使之降低到最低限度。


 

 

 

 

 

 

 

 

线路板厚度对焊点质量的影响
在空气状态下的回流焊工艺中，125mil厚的线路板的通孔填充效果很差（见图9）。IPC-610D13标准规定对等级1, 2 和3 至少要有 75% 的通孔填充率。

其他重要因素还有氮气供应方法和氧气的PPM等级(见图10)。对于在氮气氛下回流，数据同时支持回流焊合波峰焊。对于在大气环境条件下线路板回流焊接，可以利用大气环境下波峰焊工艺的数据。通常，平均的通孔填充率可达到72%。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对93mil厚的线路板来说，所有焊点的通孔填充均达到可接受的标准（如图11所示）。回流焊气氛对通孔填充有一定影响，但还不至于会使焊接质量不可接受。影响通孔填充的主要因素为助焊剂，回流焊气氛，和氮气供应方式。在回流焊中，和氮气环境比，空气环境下，通孔填充会有所减弱。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在使用免清洗无VOC成分助焊剂，波峰焊接气氛对焊点略有影响。对在空气环境下完成回流焊接的组件，在波峰焊接时应用氮气，试验表明能提高3%通孔填充率。有95%置信度的数据分析结论，建议使用免清洗乙醇基助焊剂，仅在回流区输入氮气。
我们可以得出结论， 对1 2 5 m i l 厚的线路板， 在2,500PPM的氧气浓度下，仅对回流区充氮，可以获得可接受的通孔填充。而对93mil厚的线路板，除非想获得100%的通孔填充，否则氮气氛对改善通孔填充却没有太大的影响。


线路板设计和元器件类型对焊点形成的影响
线路板的设计包括了不同层的通孔（1～8层），焊盘直径（60和70mil），和孔径（35～47mil）的设计。根据这些参数，3种不同类型的通孔元器件被人工放置和插装在线路板上。每个元器件有不同数量和直径的引脚。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

连接器

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对于免VOC、免清洗的助焊剂和93mil厚的线路板，影响通孔填充的因素包括：线路板层数、焊盘尺寸、通孔直径、氧气浓度（PPM值）和元器件方向。如果使用乙醇基的免清洗树脂助焊剂，影响因素包括：通孔直径、氧气浓度（PPM值）、氮气供应方法和元器件方向。所有焊点的通孔填充均能达到可接受的标准。表4列出了使用不同助焊剂时的最优参数设置。

总的来说，对125mil厚的线路板，仅对回流区充氮，在2,500PPM氧气浓度下，焊点的通孔填充即可达到可接受的标准。引脚和通孔的直径比例建议在0.58（25/43mil）和 0.71（25/35mil）之间。这种类型的元器件应该被插装在和线路板传送的平行方向，以获得最佳的焊接效果。而对93mil厚的线路板，除非想获得100%的通孔填充，否则回流区充氮对改善通孔填充起不到什么作用。

轴向电阻
电阻被插装在测试板上的不同位置，分别排列在和线路板传送的平行和垂直方向，有2种钻孔直径(35和39mil)，焊盘尺寸为60mil，连接线路板的1、2和4层。对125mil厚线路板的氮气回流焊测试表明，焊点有着良好的通孔填充（如图14所示）。

 

 

 

 

 

 

 

 

而在空气环境下进行回流焊测试的数据表明，采用39mil通孔直径，连接到4层线路板，在空气环境下进行波峰焊即可获得好的通孔填充率（参见图15）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对93mil厚的线路板来说，所有焊点的通孔填充均达到可接受的标准。表5列出了使用不同助焊剂时的最优参数设置。

DIP器件
当通孔直径和焊盘直径保持在35和60mil时，DIP器件最多可连接6层电路板。必须注意的是，当器件被放置在125mil厚的线路板上时，缺乏足够长度的引脚伸出。对实验数据的分析表明，对125mil厚的线路板采用乙醇基树脂助焊剂和空气回流焊，通孔填充是不能达到可接受标准的（如图16所示）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

但实验数据也表明，对空气回流焊的线路板，使用空气波峰焊可以改善通孔填充效果，但这只限于连接6层电路板的DIP器件（基于4个数据点），参见图17。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对93mil厚的线路板，如果使用无VOC的助焊剂，元器件连接6层电路板，无论在空气还是氮气氛下，都无法使通孔填充达到可接受的标准（见图18）。相比之下，使用乙醇基树脂助焊剂却可以达到可接受的标准。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

和其他通孔元器件相比，DIP器件焊接的一个主要挑战是：在125mil厚的线路板上，引脚伸出长度不够会导致通孔填充不足。在波峰焊中，元器件引脚有助于焊锡通过毛细作用向上扩散12。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

和其他元器件一样，在对125mil厚的线路板的回流焊中使用氮气有很大益处。可以对回流区进行充氮，氧气浓度控制在不超过2,500PPM。而对93mil厚的线路板，助焊剂类型对焊接效果影响很大，实验数据表明，乙醇基的树脂助焊剂更加适合。


结论

本次合作研究的主要目的是了解气氛对焊点形成的影响，并研究了在使用铜面有机可焊性保护涂层（OSP）的线路板上，线路板设计和助焊剂类型对焊接效果的影响，以下为不同工艺参数和材料对焊接影响的结论：

• 在对较厚线路板（125mil）进行回流焊时，要达到超过75%的通孔填充率，氮气的使用很有必要。

• 通过只对回流区充氮和将氧气浓度设置在较高水平(最大2,500PPM)，可以减少氮气的消耗量。

• 助焊剂的化学成分是能在很大程度上改变焊接效果的重要的因素。总的来说，在本次研究中，乙醇基助焊剂比无VOC的助焊剂效果更好。要达到理想的通孔填充，必须对这一点加以考虑

• 如果已经在回流焊中使用氮气，在波峰焊中继续使用氮气有助于改善焊接效果，并能减少桥接。

• 元器件的布放方向和线路板传送方向的对应性也是影响焊接效果的重要因素，但取决于元器件类型。

• 如果在回流焊中使用氮气氛，既有助于通孔填充达到可接受的标准，而且通孔元器件的设计可以有更多的灵活性和空间；而如果只使用空气，则设计上受的限制更多。
未来的研究工作

下一步我们将研究氧气浓度水平和氮气供应方式对铜面有机可焊性保护涂层（OSP）的影响。这项研究将寻求发现回流焊中的氮气使用量和OSP保护层退化之间的关系。


插头连接器被插装在线路板上的不同位置，分别排列在与线路板传送的平行和垂直方向，有4种钻孔尺寸（35、39、43和47mil），2种焊盘尺寸（60和70mil），连接在线路板的2、4、6和8层。对125mil厚的线路板的氮气回流焊测试表明，钻孔尺寸和元器件方向对插头连接器的通孔填充有着关键影响；而在不同的氮气供应方法和氧气浓度下，通孔填充率却没有什么变化。请注意，所有焊点的通孔填充均能达到IPC标准13（见图12）。
而在空气环境下进行回流焊的125mil厚线路板，通孔填充却是不足的（见图13）。为了获得可接受的通孔填充率（>75%），钻孔尺寸需为35mil，焊盘尺寸需为70mil，并最多连接2层线路板（基于12个数据点）元器件需插装在和线路板传送平行的方向上，且波峰焊在空气环境下运行
即可。通过对表面贴装元器件桥接缺陷进行的X射线检查数据的分析我们发现，所有的缺陷均出现在SO16器件上。图6所示是不同SO16器件位置出现桥接的频率。U3是桥接数量最多的地方，其方向和线路板方向垂直，位于第二排(参见图7)。
我们使用了DEK Galaxy 印刷机印刷胶粘剂。印刷工艺参数为：