By Hiro Suganuma and Alvin Tamanaha
本文介绍,世界范围内无铅锡膏的实施出现加快,随着元件变得更加形形色色,从大的球栅阵列(BGA)到不断更密间距的零件,要求新的回流焊接炉来提供更精确控制的热传导。 表一、典型的无铅焊锡特性合金熔点蠕变强度熔湿热阻Sn/3.5Ag216~221°C良好一般良好Sn/3.5Ag/0.7Cu共晶 Sn/3.5Ag/4.8Bi Sn/5.8Bi139~200°C一般一般良好Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5Cu Sn/0.7Cu227°C一般?? Sn/9.0Zn190~199°C良好一般良好Sn/8.0Zn/3.0Bi共晶 表一与表二列出了典型的无铅(lead-free)锡膏(solder paste)的特性和熔湿(wetting)参数。显示各种无铅材料(不包括那些含铋)的主要金属成分和特性的表一,揭示它们具有比传统的Sn/Pb锡膏更高的熔化温度。从表二中在铜上的熔湿参数可以清楚地看到,它们也不如Sn63/Pb37锡膏熔湿得那么好。更进一步,其它的试验已经证明当Sn63/Pb37锡膏的可扩散能力为93%时,无铅锡膏的扩散范围为73~77%。 Sn63/Pb37锡膏的回流条件是熔点温度为183°C,在小元件上引脚的峰值温度达到240°C,而大元件上得到210°C。可是,大小元件之间这30°C的差别不影响其寿命。这是因为焊接点是在高于锡膏熔化温度的27~57°C时形成的。由于金属可溶湿性通常在较高温度时提高,所以这些条件对生产是有利的。 可是,对于无铅锡膏,比如Sn/Ag成分的熔点变成216~221°C。这造成加热的大元件引脚要高于230°C以保证熔湿。如果小元件上引脚的峰值温度保持在240°C,那么大小元件之间的温度差别减少到小于10°C。这也戏剧性地减少锡膏熔点与峰值回流焊接温度之间的差别,如图一所示。这里,回流焊接炉必须减少大小元件之间的峰值温度差别,和维持稳定的温度曲线在整个印刷电路板(PCB)在线通过的过程中,以得到高生产率水平。 表二、铜上的熔湿参数*合金温度°C接触角度时间(s)63Sn/37Pb260173.896.5Sn/3.5Ag260362.095.0Sn/5.0Sb280433.342.0Sn/58.0Bi195439.350.0Sn/50.0In2156314.2*From IPC Works'99, "Lead-free Solders" by Dr. J. Hwang.峰值温度维护 也必须考虑要加热的零件的热容量和传导时间。这对BGA特别如此,其身体(和PCB)首先加热。然后热传导到焊盘和BGA锡球,以形成焊点。例如,如果230°C的空气作用在包装表面 - 焊盘与BGA锡球将逐渐加热而不是立即加热。因此,为了防止温度冲击,包装元件一定不要在回流区过热,在焊盘与BGA锡球被加热形成焊接点的时候。 回流炉加热系统 两种最常见的回流加热方法是对流空气与红外辐射(IR, infrared radiation)。对流使用空气作传导热量的媒介,对加热那些从板上“凸出”的元件,比如引脚与小零件,是理想的。可是,在该过程中,在对流空气与PCB之间的一个“边界层”形成了,使得热传导到后者效率不高,如图二所示。 用IR方法,红外加热器通过电磁波传导能量,如果控制适当,它将均匀地加热元件。可是,如果没有控制,PCB和元件过热可能发生。IR机制,如灯管和加热棒,局限于表面区域,大多数热传导集中在PCB的直接下方,妨碍均匀覆盖。因为这个理由,IR加热器必须大于所要加热的板,以保证均衡的热传导和有足够的热量防止PCB冷却。 三种热传导机制中 - 传导、辐射和对流 - 只有后两者可通过回流炉控制。通过辐射的热传导是高效和大功率的,如下面的方程式所表示: T(K) e = bT4 这里热能或辐射的发射功率 e 是与其绝对温度的四次方成比例的,b 是Stefan-Boltzman常数。 因为红外加热的热传导功率对热源的温度非常敏感,所以要求准确控制。而对流加热没有辐射那么大的功率,它可以提供良好的、均匀的加热。 IR + 强制对流加热 今天的最先进的回流炉技术结合了对流与红外辐射加热两者的优点。元件之间的峰值温度差别可以保持在8°C,同时在连续大量生产期间PCB之间的温度差别可稳定在大约1°C。 IR + 强制对流的基本概念是,使用红外作为主要的加热源达到最佳的热传导,并且抓住对流的均衡加热特性以减少元件与PCB之间的温度差别。对流在加热大热容量的元件时有帮助,诸如BGA,同时对较小热容量元件的冷却有帮助。
在图三中,(1)代表具有大热容量的元件的加热曲线,(2)是小热容量的元件。如果只使用一个热源,不管是IR或者对流,将发生所示的加热不一致。当只有IR用作主热源时,将得到实线所示的曲线结果。可是,虚线所描述的加热曲线显示了IR/强制对流系统相结合的优点,这里增加强制对流的作用是,加热低于设定温度的元件,而冷却已经升高到热空气温度之上的那些零件。 先进回流焊接炉的第二个特点是其更有效地传导对流热量给PCB的能力。图四比较传统喷嘴对流加热与强制对流加热的热传导特性。后面的技术可均匀地将热传导给PCB和元件,效率是喷嘴对流的三倍。 最后,不象用于较旧的回流焊接炉中的加热棒和灯管型IR加热器,这个较新一代的系统使用一个比PCB大许多的IR盘式加热器,以保证均匀加热(图五)。 |