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PCBA加工锡膏溶焊工艺简介

发布时间 :2016-11-15 11:29 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA部
各种表面贴装元件在电路板面上的互连引脚,不管是伸脚、勾脚(J-Lead)、球脚或是无脚而仅具焊垫者,均须先在板面承垫上印着锡膏,而对各“脚”先行暂时定位贴着,然后才能使之进行锡膏融熔的永久焊接。原文的Reflow是指锡膏中已熔制成的焊锡小球状粒子,又经各种热源而使之再次熔融焊接而成为焊点的过程。一般PCBA业者不负责任的直接引用日文名词“迴焊”,其实并不贴切,也根本未能充份表达Reflow Soldering的正确含义。而若直译为“重熔”或“再流”者更是莫名其妙不知所云。 
 
一、锡膏的选择与储存: 
目前锡膏最新国际规范是J-STD-005,锡膏的选择则应着眼于下列三点,目的是在使所印着的膏层都要保有最佳的一致性: 
(1)锡粒(粉或球)的大小、合金成份规格等,应取决于焊垫与引脚的大小,以及焊点体积与焊接温度等条件。 
(2)锡膏中助焊剂的活性(Activity)与可清洁性(Cleanability)如何? 
(3)锡膏之贴度(Viscosity)与金属重量比之含量如何? 
由于锡膏印着之后,还需用以承接零件的放置(Placement)与引脚的定位,故其正面的贴着性(Tackiness)与负面的坍塌性(Slump),以及原装开封后可供实际工作的时程寿命(Working Life)也均在考虑之内。当然与其他化学品也有着相同观点,那就是锡膏品质的长期稳定性,绝对是首先应被考虑到的。 
其次是锡膏的长时间储存须放置在冰箱中,取出使用时应调节到室温才更理想,如此将可避免空气中露珠的冷凝而造成印点积水,进而可能在高温焊接中造成溅锡,而且每小瓶开封后的锡膏要尽可能的用完。网版或钢板上剩余的锡膏也不宜刮回,混储于原装容器的余料内以待再次使用。 
 
二、锡膏的布着及预烤: 
板面焊垫上锡膏的分配分布及涂着,最常见的量产方法是采用“网印法”(Screen Print),或镂空之钢板(Stencil Plate)印刷法两种。前者网版中的丝网本身只是载具,还需另行贴附上精确图案的版膜(Stencil),才能将锡膏刮印转移到各处焊垫上。此种网印法其网版之制作较方便且成本不贵,对少量多样的产品或打样品之制程非常经济。但因不耐久印且精淮度与加工速度不如钢板印刷,故在大量生产型的台湾PCBA组装厂商较少使用前者。 
 
至于钢板印刷法,则必须采用局部化学蚀刻法或雷射烧蚀加工法,针对0.2mm厚的不锈钢板进行双面精淮之镂空,而得到所需要的开口出路,使锡膏得以被压迫漏出而在板面焊垫上进行印着。其等侧壁必须平滑,使方便于锡膏穿过并减少其积附。因而除了蚀刻镂空外,还要进行电解抛光(Electropolishing)以去除毛头。甚至采用电镀镍以增加表面之润滑性,以利锡膏的通过。 
 
锡膏的分布涂着除上述两种主要方法外,常见者尚有注射布着法(Syringe Dispensing)与多点沾移法(Dip Transfer)两种用于小批量的生产。注射法可用于板面高低不平致使网印法无法施工者,或当锡膏布着点不多且又分布太广时即可用之。但因布着点很少故加工成本很贵。锡膏涂布量的多寡与针管内径、气压、时间、粒度、贴度都有关。至于“多点沾移法”则可用于板面较小等封装载板(Substrates)之固定阵列者,其沾移量与贴度、点移头之大小都有关。 
 
某些已布着的锡膏在放置零件贴着引脚之前,还需要预烤(70~80℃,5~15分钟),以赶走膏体中的溶剂,如此方可减少后来高温熔焊中溅锡而成的不良锡球(Solder Ball),以及减少焊点中的空洞(Voiding);但此种印着后再热烘,将会使降低贴度的锡膏在踩脚时容易发生坍塌。且一旦过度预烤者,甚至还会因粒子表面氧化而意外带来焊锡性不良与事后的锡球。 
 
三、高温熔焊(Reflow)
1、概说 
高温熔焊是利用红外线、热空气或热氮气等,使印妥及已贴着各引脚的锡膏,进行高温熔融而成为焊点者,谓之“熔焊”。80年代SMT兴起之初,其热源绝大多数是得自发热效率最好的辐射式(Radiation)红外线(IR)式机组。后来为了改善量产的品质才再助以热空气,甚至完全放弃红外线而只用热空气之机组者。近来为了“免洗”又不得不更进一步改采“热氮气”来加温。在其能够减少待焊金属表面的氧化情形下,“热氮气”既能维持品质又能兼顾环保,自然是最好的办法,不过成本的增加却是无比的杀伤力。 
 
除了上述三种热源外,早期亦曾用过蒸气焊接(Vapor Soldering),系利用高沸点有机溶剂之蒸气提供热源,由于系处于此种无空气之环境中,不会氧化之下既无需助焊剂之保护也无需事后之清洗,是一种很清洁的制程。缺点是高沸点(B.P.)溶剂(如3M的FC-5312,沸点215℃)之成本很贵,且因含有氟素,故长期使用中免不了会裂解产生部份的氢氟酸(HF)之强酸毒物,加以经常出板面小零件之“竖碑”(Tombstoning)不良缺点,故此法目前已自量产中淘汰。 
 
还有一种特别方法是利用雷射光的热能(CO2或YAG),在非焊枪式的接触下,可对各单独焊点进行逐一熔焊。此法具快热快冷的好处,而且对极微小纤细的精密焊点相当有利。对于一般大量化之电子商品则显得非常不切实际了。其他尚有类似手工焊枪式做法的“热把”(Heat Bar)烙焊,系利用高电阻发热的一种局部焊接法,可用之于修理重工,却不利于自动化量产。
 
2、红外线与热风 
常见红外线可按其波长概分为:   
(1)波长为0.72~1.5µm接近可见光的“近红外线”(Near IR)。 
(2)波长1.5~5.6µm的“中红外线”(Middle IR)。 
(3)以及热能较低波长为5.6~100µm的“远红外线”(Far IR)。 
红外线焊接的优点有:发热效率高、设备维修成本低、“竖碑”之缺点较蒸气焊接减少、并可另搭配高温热气体共同操作。缺点为:几无上限温度,会常造成烧伤,甚至导致待焊件过热的变色变质,且也只能焊SMD无法焊PTH之插装元件脚。 
IR的热源有日光灯式长管状的T3钨丝灯管,属Near IR直晒热量很大,但也容易出现遮光而热量不足的情形。其次是镍铬丝(Nichrome)的灯管,属Near或Middle之IR类。第三种是将电阻发热体埋在硅质可传热的平板体积中,属Middle/Far之 IR形式。此全面性热量,除了正面可将热量凌空传向待焊件外,其背面亦可发出并针对工作物反射热能,故又称为“二次发射”(Seconding Emitter)。使各种受热表面的热量更为均匀。 
 
由于红外线在高低不同的零件中会产生遮光及色差之不良效应,故还可吹入热风以调和色差及辅助其死角处之不足处,并可进行PTH之插焊;因而使得早先之单纯IR者几乎为之除役。所吹之热风中又以热氮气最为理想,其优点如下: 
(1)大幅减少氧化反应,故助焊剂已可减量使用,并亦减少清洗及降低锡球。 
(2)无氧环境中助焊剂被点燃机率减少,故可提高焊温(如300℃)加快输送速度。 
(3)树脂表面变色机率减少。 
 
3、自动输送流程: 
连线熔焊之整体温度变化曲线(Profile);有预热(吸热),熔焊及冷却等三大阶层。每阶层中又有数个区段(Zones),区段较少者(3-4段)输送速度较慢(26cm/min),区段较多者(7段以上)则速度加快(接近50cm/min)温控也较淮确。一般批量者以6段较合适。全线行经的时间以4-7分钟之间为宜。 
 
预热可使板面温度达150℃,而助焊剂在120℃中90-150秒内即可发挥活性去除锈渍,并能防止其再次生锈。板材的Tg温度愈高愈好,因超过Tg以上的塑胶材料,不但会呈现软化之塑性而大大伤害到尺度安定性,且各方向(X.Y.Z)的膨胀加剧下PTH也容易断孔。每种不同料号板面,均有其最佳的输送速度,但一般性熔焊区之停留时间可规定在30-60秒之间,焊温以220℃为宜。量产前应分别订定出实用标淮作业程序(SOP)。 


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