淺談回流焊爐溫度設(shè)置及焊點的切片金相檢測

陸政 舒慧 俞曉湖 蔣博男 潘明星

摘 ? 要：隨著電子元器件的小型化、高集成度的發(fā)展趨勢下，SMT（表面組裝技術(shù)）技術(shù)應(yīng)運而生，SMT工藝的核心技術(shù)包括自動錫膏印刷、自動元器件貼裝和回流焊三項技術(shù)。其中回流爐是SMT中的關(guān)鍵技術(shù)之一，回流爐參數(shù)設(shè)置好壞是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，通過溫度曲線的設(shè)置，焊接后的焊點進(jìn)行切片分析、IMC層厚度檢測，從而達(dá)到驗證回流焊焊接曲線的目的。

關(guān)鍵詞：SMT（表面組裝） ?回流焊 ?溫度曲線 ?有鉛 ?無鉛

中圖分類號：TN405 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0083-02

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，回流焊已是SMT（表面組裝技術(shù)）中的關(guān)鍵技術(shù)之一，回流爐參數(shù)設(shè)置好壞是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵;尤其是回流焊接中的溫度參數(shù)至關(guān)重要。設(shè)定溫度曲線的相關(guān)參數(shù)滿足要求后，確定回流焊爐的工作溫度，并對焊接后的焊點進(jìn)行切片分析、IMC層厚度等檢測，以確定焊接后產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 ?如何確定溫度曲線

目前航天行業(yè)從可靠性考慮，電子產(chǎn)品的焊接大多以有鉛焊料為主，選用免清洗有鉛焊膏RMA-010-FP，焊膏粉成分63Sn37Pb，焊膏熔點為183℃，焊膏顆粒度為22～45?m，，黏度210Pa.s。

焊膏都有相應(yīng)的溫度曲線。根據(jù)回流焊的原理，一條溫度曲線共分為5個部分[1-3]：

（1）升溫區(qū)：將印制板由室溫加熱至100℃，但是加熱速度不能太快，太快會導(dǎo)致助焊劑中的溶劑喪失。通常升溫速度控制在<2℃/s。

（2）預(yù)熱區(qū)：從100℃～150℃為預(yù)熱區(qū)，目的是使PCB、元器件及焊膏充分預(yù)熱，升溫速度控制在<2℃/s，如果升溫速度太快，一方面，元器件容易損壞并造成PCB變形。另一方面，焊膏中的溶劑揮發(fā)速度太快，易造成金屬粉末濺出，產(chǎn)生錫球。

（3）快速升溫區(qū)：從150℃～183℃為快速升溫區(qū)，當(dāng)溫度升到150℃～160℃時，焊膏中的助焊劑開始迅速分解活化，如果時間過長會使助焊劑提前失效，影響液態(tài)焊料潤濕性。理想升溫速度為1.2℃～3.5℃/s。

（4）回流區(qū)：從183℃～183℃為回流區(qū)（大約需要60～90s），這一區(qū)域的溫度設(shè)置的最高，焊料達(dá)到熔點變?yōu)橐簯B(tài)，在回流焊區(qū)，焊接峰值溫度一般比焊膏熔點溫度高30℃～40℃。

（5）冷卻區(qū)：從183℃～75℃，在這一區(qū)域內(nèi)，焊膏中的鉛錫粉末已經(jīng)充分熔化并潤濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來進(jìn)行冷卻，這樣將有助于得到光滑的焊點并有好的外形和低的接觸角度。

由于一塊印制板上大部分元器件為有鉛器件，但個別進(jìn)口器件是無鉛器件，因此峰值溫度比焊接有鉛元件略微高 5℃左右[4]。用高溫焊料將熱電偶固定在器件晶振、SOJ、QFP引腳上，結(jié)合焊膏廠家推薦曲線和典型溫度曲線來確定試驗樣品的焊接曲線。

（1）晶振器件引腳焊點最大升溫斜率為1.3℃/s，預(yù)熱區(qū)溫度在100℃～150℃，停留80.2s，峰值溫度為222.3℃，回流時間為 76.8s，冷卻速率1.8℃/s。

（2）SOJ器件引腳焊點最大升溫斜率為1.6℃/s，預(yù)熱區(qū)溫度在100℃～150℃停留73.8s，峰值溫度為227.7℃，回流時間為77.1s，冷卻速率2.1℃/s。

（3）QFP器件引腳焊點最大升溫斜率為1.6℃/s，預(yù)熱區(qū)溫度在100℃～150℃停留68.1s，峰值溫度為227℃，回流時間為77.1s，冷卻速率1.9℃/s。

調(diào)試出的溫度曲線滿足升溫區(qū)、預(yù)熱區(qū)、回流區(qū)、冷卻區(qū)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，按此溫度曲線進(jìn)行樣品焊接。

焊接后的焊點經(jīng)目測和放大鏡檢查焊點表面光滑、明亮。焊點表面無氣孔或非結(jié)晶狀態(tài)，無虛焊、假焊（冷焊）。焊點潤濕良好，焊點與鄰近的導(dǎo)電通路之間無拉絲、橋接等現(xiàn)象。

2 ?焊點金相分析

為了驗證焊接曲線需開展焊點檢測工作，我所委托一家具有材料及零部件品質(zhì)檢驗、鑒定、認(rèn)證及失效分析服務(wù)，并具有CNAS與CMA認(rèn)可資質(zhì)的專業(yè)實驗室。其服務(wù)產(chǎn)品涉及：電子材料、電子元器件、CCL/PCB/PCBA、金屬材料、塑膠材料等產(chǎn)品。服務(wù)行業(yè)涉及：印制電路、電子組裝、計算機(jī)、航天等領(lǐng)域。

對試驗印制電路板的焊點進(jìn)行切片分析、IMC層厚度。切片金相分析用途廣泛，通常主要用于焊點品質(zhì)缺陷（錫裂、空洞、PCB 分層和焊點形狀異常）分析和金屬間化合物層（IMC）。以及在元器件鍵合接點及線路、PCB 焊盤表面鍍層、PCBA及內(nèi)層電路的綜合性檢查分析等。

切片分析其試驗步驟為：

（1）在PWB板上截取樣品;（2）器件做成切片（P1是SOJ元器件，P2是QFP元器件）;（3）用研磨機(jī)將其研磨并拋光;（4）用電子顯微鏡選取切面圖片測量分析（單位：μm）。如圖試驗樣品切片分析運用的設(shè)備有樂可的真空冷鑲機(jī)型號Q-290，Presi雙盤研磨拋光機(jī)型號MINITECH 263，蔡司的金相顯微鏡AXIO Imager.A2m。運用標(biāo)準(zhǔn)為檢測標(biāo)準(zhǔn)：IPC-TM6502.1.1手動微切片法。

切片金相分析就是通過取樣、鑲嵌固定、定點切片、研磨拋光、切面微蝕、顯微觀察等一系列手段獲得焊點橫截面的金相結(jié)構(gòu)的過程，并在顯微鏡下進(jìn)行拍照。IPC-A-610F可接受1、2、3級任一焊料球的空洞等于或小于30%，IPC標(biāo)準(zhǔn)中卻沒有對 QFP、SOJ 的氣泡（空洞）做相應(yīng)的規(guī)定.檢測結(jié)果： 樣品空點率<10%。

檢測金屬間化合物（IMC）層厚度設(shè)備：Hitachi的掃描電子顯微鏡型號S-3400N。檢測標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 16594-2008微米級長度的掃描電鏡測量方法。

金屬間化合物（IMC）是在受熱的條件下，融化的焊錫材料中的錫原子和焊盤或焊接元件（主要成分是銅原子）的接觸界面原子相互擴(kuò)散。

金屬間化合物（IMC）層太薄（<0.5μm），是由于溫度偏低且時間不足，造成焊接不充分，嚴(yán)重時會造成焊膏不熔。IMC層過厚（>4μm），是由于峰值溫度過高或回流時間長，造成金屬粉末嚴(yán)重氧化，影響焊點強度，嚴(yán)重時還會損壞元器件和印制板。從外觀看，印制板會嚴(yán)重變色。

IMC層厚度檢測先將樣品切割、冷鑲、研磨、拋光，樣品表面經(jīng)鍍Pt 25s后，按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程放入掃描電子顯微鏡樣品檢測位置進(jìn)行放大觀察。

IMC層厚度（單位：?m）檢測結(jié)果：P1（SOJ元器件），L-S平均值2.01，R-S平均值3.61，L-X平均值2.33 ，R-X平均值2.35。，P2（QFP元器件），L-S平均值0.908，R-S平均值1.50，L-X平均值1.55，R-X平均值1.31。

檢測結(jié)果顯示金屬間化合物（IMC）層最薄在 0.5～4 μm 之間時的抗拉是可接受的。

3 ?結(jié)語

有鉛焊料和有鉛器件、無鉛器件的混和焊接，設(shè)置其回流焊溫度曲線，并通過焊接后的印制板進(jìn)行焊點切片分析、IMC層厚度檢測，從而達(dá)到了驗證回流焊焊接曲線。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭占勇.影響表面貼裝產(chǎn)品質(zhì)量的因素及其控制方法[J].電子工藝技術(shù)，2000（1）：27-31.

[2] 廖慶富.數(shù)據(jù)挖掘在提高SMT焊接質(zhì)量中的應(yīng)用研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[3] 沈正亮.試論QC小組活動中的科學(xué)思維方式[J].上海質(zhì)量，2012（4）：66-69.

[4] 顧靄云.向無鉛產(chǎn)品過渡階段有鉛、無鉛混用應(yīng)注意的問題[A].2007中國高端SMT學(xué)術(shù)會議論文集[C].