真空回流焊的技術(shù)特點(diǎn)

陳盛 謝志東

（青島智動精工有限公司 山東省青島市 266510）

1 焊接空洞產(chǎn)生的原因

（1）貼片器件在回流焊接過程中，由于在熔融的焊料冷卻凝固時(shí)，焊料中產(chǎn)生的氣體沒有逃逸出去，而被“凍結(jié)”下來形成空洞，研究表明：焊膏中的助焊劑等成分是空洞形成最主要影響因素，其次是焊膏合金和金屬粉末的顆粒尺寸選擇，另外，元器件封裝形式、焊盤設(shè)計(jì)、PCB 焊盤表面處理方式、網(wǎng)板開孔方式、回流曲線設(shè)置等都有關(guān)聯(lián)。

（2）易受空洞影響的產(chǎn)品：散熱組件（影響散熱效果）、功率組件（影響功率傳輸）BGA/BTC 組件（影響焊接強(qiáng)度）等三類產(chǎn)品易受空洞影響。

2 焊接空洞的危害

2.1 空洞對產(chǎn)品影響

空洞會使焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度下降、熱阻增大，會影響焊點(diǎn)的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，從而降低器件的可靠性。研究表明：電子產(chǎn)品失效約有 60% 的原因是由溫度升高造成的，并且器件的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)趨勢增長，溫度每升高 10℃，器件的失效率將提高一倍。

2.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

在 IPC-A-610、IPC7095、IPC7093 等規(guī)范中，對于 BGA、BTC 類封裝器件的焊點(diǎn)空洞進(jìn)行了詳細(xì)描述，規(guī)定空洞率標(biāo)準(zhǔn)≤ 30%，而其它情況均沒有明確標(biāo)準(zhǔn)，需要制造廠家與客戶協(xié)商確定；對于大功率器件的接地焊盤，一些高可靠性產(chǎn)品的用戶對空洞率的要求往往<10%，甚至更低。

3 解決空洞的方案

3.1 工藝方面

采用低空洞率焊膏、優(yōu)化 PCB 焊盤設(shè)計(jì)、采用點(diǎn)陣式網(wǎng)板開孔、在氮?dú)猸h(huán)境下焊接、使用預(yù)成型焊片，等等，但效果并不理想，特別是對大面積接地焊盤，很難將空洞率穩(wěn)定控制在 10% 以下。

3.2 設(shè)備方面

真空焊接工藝可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn) 5% 以下的空洞率，是解決空洞率問題非常有效的手段；但真空氣相焊技術(shù)，由于工藝原理與設(shè)備結(jié)構(gòu)的原因，不適合大批量生產(chǎn)；而近年來真空回流焊技術(shù)逐漸成熟。

研究表明：在真空率<20mbar 下，能有效減少氣泡的產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)<5%空洞率的期望目標(biāo)。如圖1 所示。

圖1

4 真空回流焊接

真空/可控氣氛共晶爐焊接在真空環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行高質(zhì)量的焊接，在焊接過程中通入還原性系統(tǒng)（N2、甲酸、N2H2、H2），用以保護(hù)產(chǎn)品焊端和焊料不被氧化，減小了焊接的空洞率。

4.1 應(yīng)用

（1）采用紅外輻射加熱原理，具有溫度均勻一致、超低溫安全焊接、無溫差、無過熱、工藝參數(shù)可靠穩(wěn)定、無需復(fù)雜工藝試驗(yàn)、環(huán)保成本運(yùn)行低等特點(diǎn)，且其熱容量大，PCB 表面溫差極小，且滿足多品種、小批量、高可靠焊接需要，因此，在歐美廣泛成熟應(yīng)用于航空、航天、軍工電子、汽車電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。

（2）近幾年來，隨著LED 行業(yè)的細(xì)分以及發(fā)展，特別是UV LED、Mini-LED 等在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，面對微米級的芯片封裝，每張PCB 上數(shù)萬個(gè)焊點(diǎn)，平整度、散熱、可靠性等都面對巨大工藝挑戰(zhàn)，目前很多廠商在P0.9、 P0.6 等產(chǎn)品上嘗試驗(yàn)證采用真空回流焊接，并使空洞率控制到2%以內(nèi)，以提升交付產(chǎn)品可靠性。如圖2 所示。

圖2

隨著電子產(chǎn)品的PCB 板不斷朝小型化方向發(fā)展，消除或者減少焊接材料的空洞和氧

化成為回流焊技術(shù)的必備條件，但傳統(tǒng)的回流焊技術(shù)很難保證，特別是在減少焊盤或元件管腳氧化，降低空洞率等方面，這使真空回流焊接成為高焊接質(zhì)量的工藝選擇的重要原因之一。

真空回流焊接技術(shù)的工藝參數(shù)，相對于傳統(tǒng)回流焊接，在溫度、鏈速、風(fēng)速等參數(shù)基礎(chǔ)上，增加了四個(gè)真空參數(shù)：真空度、抽真空時(shí)間、真空保持時(shí)間、常壓充氣時(shí)間，其中，還可通過階梯式分段抽真空，逐步降低大氣壓，以防止器件受到真空沖擊引起熔融態(tài)的焊點(diǎn)發(fā)生異常 , 同時(shí)防止焊料在熔融狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部氣泡與真空腔體之間壓差變化太快太大而導(dǎo)致炸錫現(xiàn)象，從而使得器件周圍有錫珠問題。如圖3 所示。

圖3

設(shè)備主流品牌及實(shí)現(xiàn)方式：真空回流爐是在傳統(tǒng)回流爐的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)真空

腔體，位于高溫回流區(qū)的末段。目前行業(yè)主流的真空回流爐品牌有 SMT 和 Rehm，兩家的設(shè)備結(jié)構(gòu)存在不同，其中 SMT 采用的是三段可以拼接分體結(jié)構(gòu)，Rehm 采用的是一體結(jié)構(gòu)。

設(shè)備結(jié)構(gòu)：三段結(jié)構(gòu)拼接而成（以SMT 為例）；

第一段為預(yù)熱回流模組，一般分為 6-8 溫區(qū)；

第二段為真空區(qū)，分為兩個(gè)區(qū)；

第三段為冷卻區(qū)，分為 2-5 個(gè)區(qū)。如圖4 所示。

圖4

隨著真空回流焊接技術(shù)部不斷成熟，目前真空回流焊表現(xiàn)出如下有點(diǎn)：

（1）焊點(diǎn)可靠性高。焊接過程是在汽相層中完成，100%的惰性氣氛環(huán)境可最大限度地消除焊接材料中的氣泡、雜質(zhì)等空隙以及焊點(diǎn)氧化。

（2）加熱均勻。消除焊接過程中的受熱不均勻會導(dǎo)致焊接“陰影現(xiàn)象”，特別是隱蔽部位的焊點(diǎn)溫度均勻一致性。

（3）操作技能要求低。操作更加簡單，較傳統(tǒng)的焊接技術(shù)而言，只需短時(shí)間學(xué)習(xí)就能掌握。

（4）生產(chǎn)成本低。

1.能減少能源的消耗，且無需壓縮氣體和保護(hù)性氣體。

2.內(nèi)置的回收系統(tǒng)，降低的汽相液的損耗。

3.獨(dú)有的維護(hù)傳送系統(tǒng)使其具有低的日常維護(hù)費(fèi)用。

4.2 環(huán)保

使用的新型環(huán)保型汽相液，不會破壞臭氧層，其封閉的環(huán)境，確保對人體有害的廢氣污染物的零排放。

5 真空回流焊接溫度曲線特點(diǎn)及焊接對比

5.1 爐溫曲線測量方式

在焊接過程中，PCB 板需在真空區(qū)停留10 ～30 s，故真空回流的測溫過程與傳統(tǒng)回流爐存在差異。設(shè)備軟件中設(shè)有專用測溫模式，當(dāng)該模式啟動后，測溫板到達(dá)真空區(qū)時(shí)，鏈條整體停止運(yùn)轉(zhuǎn)，真空腔的上蓋并不會下降（避免壓住測溫儀、測溫線），真空泵也不會啟動，測溫板停留時(shí)間達(dá)到真空參數(shù)設(shè)定的累計(jì)時(shí)間后，鏈條恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而完成模擬測試回流曲線。

5.2 回流時(shí)間延長

PCB 板在真空區(qū)需停留進(jìn)行真空焊接處理（約30s），后才能繼續(xù)傳輸至冷卻段，因此回流時(shí)間將較普通回流焊要長，TAL 時(shí)間將達(dá)到 100 秒左右，對回流時(shí)間敏感的元器件會存在風(fēng)險(xiǎn)，需工藝設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)避。

5.3 三段式鏈條傳輸軌道

如圖5 所示，真空回流爐的傳輸鏈條分為三段，分別是回流段、真空段、冷卻段，一般情況下設(shè)定三段軌道鏈速一致，在開啟真空焊接功能后，冷卻段鏈速可以單獨(dú)設(shè)定，從而出現(xiàn)前后傳輸段 PCB 板的速度不同的情況，此時(shí)爐溫曲線的回流參數(shù)會改變，同時(shí)也會影響冷卻斜率以及產(chǎn)品出爐溫度。真空回流焊接與非真空回流焊接對比如圖6 所示。

圖5

圖6：真空回流焊接與非真空回流焊接對比

6 真空回流焊接應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

6.1 器件封裝失效風(fēng)險(xiǎn)

對大多元器件來說是可以耐受，但，對內(nèi)部帶空腔的非氣密性元器件（如下某QFN 的5 個(gè)樣品模擬），腔體中的空氣在高溫下受熱膨脹，與真空環(huán)境疊加后，器件內(nèi)外壓力差較普通回流焊更大，且當(dāng)環(huán)境溫度>Tg，材料的 CTE 會顯著增大，機(jī)械強(qiáng)度會急劇下降，在材料本身的熱應(yīng)力與內(nèi)外部的空氣壓力下，會導(dǎo)致封裝開裂。

6.2 回流時(shí)間超限

真空回流焊的回流時(shí)間比普通回流焊更長（一般≥ 80s，甚至≥100s），對 TAL 規(guī)格參數(shù)較短的器件，會超出其的規(guī)格范圍，從而有導(dǎo)致器件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

6.3 焊點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)

（1）對 BTC 類器件，器件焊點(diǎn)的 Stand-off 高度有明顯降低，導(dǎo)致焊錫向四周延展，從而產(chǎn)生焊點(diǎn)橋連的風(fēng)險(xiǎn)，因此，必要時(shí)需要對部分焊盤的網(wǎng)板開孔進(jìn)行適當(dāng)縮小。

（2）對BGA 類 器件，當(dāng) BGA 球的 pitch ≤ 0.4mm，使用真空制程，易產(chǎn)生焊點(diǎn)橋連現(xiàn)象，故對細(xì)間距BGA 時(shí)不建議真空制程，如需，應(yīng)適當(dāng)縮小網(wǎng)板開口來降低橋連的風(fēng)險(xiǎn)，但要滿足開孔面積比要求。

（3）對于大面積接地焊盤，因空洞的大幅減少，焊錫覆蓋率同樣下降，需適當(dāng)擴(kuò)大接地焊盤開孔面積。

6.4 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)

（1）設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)主要來自于三段式的傳輸鏈條系統(tǒng)，以及真空腔體。由于真空段鏈條與前后段鏈條之間存在間隙（約20 ～30mm，而鏈條的回轉(zhuǎn)半徑約15mm，當(dāng) PCB 經(jīng)過間隙時(shí)，鏈條與 PCB 的接觸邊存在 50 ～60mm 的空白），對于PCB 尺寸<100mm 的電路板，存在卡板、 PCB 震動等幾率，造成器件移位、反面元件掉落、甚至 BGA 焊球短路等缺陷，需使用治具過爐來降低風(fēng)險(xiǎn)。

（2）真空區(qū)的運(yùn)動部件較多，長期處于高溫工作（≥ 250℃），真空區(qū)域的設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)要求應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，特別是鏈條系統(tǒng)、傳感器、密封圈等，均應(yīng)在良好狀態(tài)下工作，否則會影響真空參數(shù)的精確控制，或者發(fā)生卡板、傳輸故障等問題。

6.5 操作風(fēng)險(xiǎn)

真空回流爐在生產(chǎn)過程中，PCB 會在真空區(qū)停留一段時(shí)間，而此時(shí)，前段預(yù)熱區(qū)的鏈條還在持續(xù)傳輸，因此要嚴(yán)格保證電路板進(jìn)爐的間隔距離，雖然設(shè)備本身會通過 SMEMA 接口控制進(jìn)板軌道的信號連接，而實(shí)際生產(chǎn)中，操作員有時(shí)采用手工推板的方式進(jìn)爐，若板與板之間的距離<設(shè)備設(shè)定的最小間隔，則會在真空區(qū)發(fā)生“撞板”、卡板事故，造成不必要的損失。如圖7 所示。

圖7