表面貼裝工藝生產(chǎn)線上回流焊曲線的優(yōu)化與控制

肖強(qiáng)

（陜西烽火電子股份有限公司，陜西 寶雞 721006）

隨著我國電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)前我國表面貼裝工藝水平有了明顯提升。在生產(chǎn)技術(shù)不斷更新的背景下，尤其是在無鉛焊實(shí)施的背景下，回流曲線出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題越來越受到人們的關(guān)注。

1 回流曲線設(shè)計(jì)的主要依據(jù)

一是根據(jù)表面組裝板元器件的大小、密度以及特殊元器件如CSP/BGA來進(jìn)行設(shè)置。二是根據(jù)焊膏制造商推薦的溫度曲線來進(jìn)行設(shè)置。實(shí)際工作過程中焊料決定熔點(diǎn)。為了進(jìn)行科學(xué)有效地設(shè)計(jì)，就需要考慮到溫度曲線。三是根據(jù)設(shè)備自身的具體情況來進(jìn)行確定。加熱源材料、加熱區(qū)長度、熱傳導(dǎo)方式以及再流焊爐構(gòu)造等因素都是我們在實(shí)際工作過程中需要考慮的因素。

2 回流曲線的優(yōu)化

2.1 焊點(diǎn)微觀組織細(xì)化

焊點(diǎn)微觀組織同焊點(diǎn)可靠性之間聯(lián)系是非常緊密的，對(duì)其進(jìn)行細(xì)化將能夠有效延遲開始裂紋時(shí)間，這對(duì)于降低裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展速率是非常有意義的。從以往經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)焊點(diǎn)微觀組織進(jìn)行細(xì)化將能夠提升其可靠性。

焊點(diǎn)微觀組織同回流曲線的冷卻速度有較緊密的聯(lián)系，它會(huì)影響到微觀組織的結(jié)構(gòu)。實(shí)際工作過程中為了保證其結(jié)構(gòu)的合理，需要合理控制冷卻速率。實(shí)際工作過程中冷卻速率對(duì)金屬間化合物層IMC厚度以及焊料合金內(nèi)部金屬件化合物形態(tài)和尺寸有較大的影響。實(shí)際工作過程中只有采用適當(dāng)?shù)睦鋮s速率才能夠保證大塊脆性金屬間化合物的產(chǎn)生。

對(duì)于冷卻速率的控制，需要回流爐冷卻區(qū)要具備良好的冷卻性能。只有在具備良好的冷卻性能之后才能夠有效降低液態(tài)焊料的溫度，從而最終形成組織細(xì)化的焊點(diǎn)。不同部件對(duì)冷卻速率的要求也是不同的，PCB組件密度及尺寸、焊盤材料這些因素不同，對(duì)冷卻速率的影響也是不同的。這是我們在實(shí)際工作中需要注意的一點(diǎn)。當(dāng)前工作中對(duì)于冷卻速率的控制要使得它能夠以較快的速率冷卻，同時(shí)又不能夠使得印刷電路產(chǎn)品存在較大溫度梯度。

2.2 助焊劑

助焊劑是一種常見的物質(zhì)，在生產(chǎn)過程中利用助焊劑能夠有效降低表面張力，增強(qiáng)焊料流動(dòng)及浸潤的能力。實(shí)際工作過程中助焊劑的應(yīng)用具有重要意義。助焊劑的性能同回流曲線中的預(yù)熱區(qū)及保溫區(qū)有密切聯(lián)系，助焊劑性能要受到其影響，我們把這些因素又叫作余熱因子。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，當(dāng)余熱因子過大的時(shí)候，焊點(diǎn)表面助劑就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重焦化的現(xiàn)象，而預(yù)熱因子變小的時(shí)候助劑就有可能得不到充分反應(yīng)，流動(dòng)性也將會(huì)明顯不足，這最終會(huì)影響到金屬間的化合反應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用過程中SMT工程師應(yīng)該參考制造商推薦的回流溫度曲線，該曲線是在經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)之后確定的，實(shí)際生產(chǎn)過程中也應(yīng)該盡量匹配制造商推薦的回流曲線形狀。此時(shí)，焊點(diǎn)預(yù)熱因子才會(huì)大體上符合給定回流曲線的預(yù)熱因子，從而最終獲得最佳的助焊劑性能。

2.3 金屬間化合物的形成

對(duì)于金屬間化合物形成，在實(shí)際工作過程中影響到焊點(diǎn)可靠性的主要是焊料及焊盤間銅錫金屬化合物的厚度。該厚度可以用加熱因子來進(jìn)行表示。對(duì)加熱因子的優(yōu)化就是對(duì)回流曲線的優(yōu)化。實(shí)際工作過程中要做的就是確定加熱因子的最優(yōu)范圍。在確定該范圍的時(shí)候既需要考慮到PCBA的潛在應(yīng)用，同時(shí)也需要考慮到PCBA所用焊膏本身的要求，要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來予以確定。當(dāng)用在熱循環(huán)條件下的時(shí)候，則是要用熱疲勞壽命來確定其最優(yōu)范圍，確定加熱因子的最優(yōu)范圍有助于實(shí)現(xiàn)厚度控制，進(jìn)而能夠有效提升焊點(diǎn)可靠性，最終達(dá)到優(yōu)化回流曲線的目的。

3 回流曲線的控制

對(duì)于回流曲線的控制，在實(shí)際工作過程中主要是通過采用加熱因子控制法來進(jìn)行科學(xué)高效地控制。同其他方法相比，加熱因子控制法本身具有明顯優(yōu)勢：通過這種方法將能夠有效提升焊點(diǎn)可靠性，在實(shí)際應(yīng)用過程中無須建立數(shù)據(jù)庫，加熱因子的最優(yōu)范圍也易于控制。

最優(yōu)化控制算法。對(duì)于回流曲線的控制關(guān)鍵是要能夠根據(jù)回流焊工藝自變量參數(shù)以及待求參數(shù)之間建立起完善的映射關(guān)系，這是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)置與控制的關(guān)鍵。但是我們也要意識(shí)到由于對(duì)回流曲線的控制是一個(gè)多變量、非線性、相互融合的問題，因而不能夠簡單地應(yīng)用數(shù)學(xué)方法來建立函數(shù)關(guān)系。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用成為當(dāng)前可行的控制方式，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能夠建立起復(fù)雜的熱處理過程非線性模型，通過該模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)自變量以及因變量關(guān)系的合理選擇。

回流焊生產(chǎn)時(shí)液化時(shí)間不宜太長，如果液化時(shí)間太長，液化溫度同時(shí)也會(huì)很高，峰值溫度大概260℃，這必然會(huì)對(duì)PCB板和元件造成熱沖擊甚至損壞。解決方法：

第一，相同生產(chǎn)能力情況下盡量縮短加熱區(qū)的總體尺寸，以減小氧化。

第二，各獨(dú)立溫度尺寸減小，同時(shí)增加加熱區(qū)數(shù)量，便于工藝調(diào)整。

第三，使用2個(gè)以上加熱溫區(qū)做焊接溫區(qū)。

第四，熔錫之前助焊劑的預(yù)熱溫度不變。

第五，設(shè)計(jì)新型的中間支撐裝置，減小由于中間支撐裝置而帶來的分布偏差變大的問題。

第六，使用氮?dú)獗Ｗo(hù)工藝。

生產(chǎn)線員工的技術(shù)技能素質(zhì)也是制造中的一個(gè)重要方面。由于焊膏、焊料、焊絲的無鉛化，引發(fā)PCBA整個(gè)制程工藝、操作等方面的眾多變化，必須經(jīng)系統(tǒng)培訓(xùn)特別是還要經(jīng)過較長一段時(shí)間的實(shí)際無鉛化生產(chǎn)，才能完全轉(zhuǎn)軌。

［I］黃丙元.SMT再流焊溫度場的建模與仿真［D］.天津大學(xué)，2005.

［2］周定偉，馬重芳.圓形液體浸沒射流沖擊駐點(diǎn)傳熱的數(shù)值模擬［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，（03）：19-21.