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介紹PCBA加工錫膏溶焊工藝

點擊數:1  發布日期:2017/3/29
各種表面貼裝元件在電路板面上的互連引腳,不管是伸腳、勾腳(J-Lead)、球腳或是無腳而僅具焊墊者,均須先在板面承墊上印著錫膏,而對各“腳”先行暫時定位貼著,然后才能使之進行錫膏融熔的永久焊接。原文的Reflow是指錫膏中已熔制成的焊錫小球狀粒子,又經各種熱源而使之再次熔融焊接而成為焊點的過程。一般PCBA業者不負責任的直接引用日文名詞“迴焊”,其實并不貼切,也根本未能充份表達Reflow Soldering的正確含義。而若直譯為“重熔”或“再流”者更是莫名其妙不知所云。

一、錫膏的選擇與儲存:
目前錫膏最新國際規范是J-STD-005,錫膏的選擇則應著眼于下列三點,目的是在使所印著的膏層都要保有最佳的一致性:
(1)錫粒(粉或球)的大小、合金成份規格等,應取決于焊墊與引腳的大小,以及焊點體積與焊接溫度等條件。
(2)錫膏中助焊劑的活性(Activity)與可清潔性(Cleanability)如何?
(3)錫膏之貼度(Viscosity)與金屬重量比之含量如何?
由于錫膏印著之后,還需用以承接零件的放置(Placement)與引腳的定位,故其正面的貼著性(Tackiness)與負面的坍塌性(Slump),以及原裝開封后可供實際工作的時程壽命(Working Life)也均在考慮之內。當然與其他化學品也有著相同觀點,那就是錫膏品質的長期穩定性,絕對是首先應被考慮到的。
其次是錫膏的長時間儲存須放置在冰箱中,取出使用時應調節到室溫才更理想,如此將可避免空氣中露珠的冷凝而造成印點積水,進而可能在高溫焊接中造成濺錫,而且每小瓶開封后的錫膏要盡可能的用完。網版或鋼板上剩余的錫膏也不宜刮回,混儲于原裝容器的余料內以待再次使用。

二、錫膏的布著及預烤:
板面焊墊上錫膏的分配分布及涂著,最常見的量產方法是采用“網印法”(Screen Print),或鏤空之鋼板(Stencil Plate)印刷法兩種。前者網版中的絲網本身只是載具,還需另行貼附上精確圖案的版膜(Stencil),才能將錫膏刮印轉移到各處焊墊上。此種網印法其網版之制作較方便且成本不貴,對少量多樣的產品或打樣品之制程非常經濟。但因不耐久印且精淮度與加工速度不如鋼板印刷,故在大量生產型的臺灣PCBA組裝廠商較少使用前者。

至于鋼板印刷法,則必須采用局部化學蝕刻法或雷射燒蝕加工法,針對0.2mm厚的不銹鋼板進行雙面精淮之鏤空,而得到所需要的開口出路,使錫膏得以被壓迫漏出而在板面焊墊上進行印著。其等側壁必須平滑,使方便于錫膏穿過并減少其積附。因而除了蝕刻鏤空外,還要進行電解拋光(Electropolishing)以去除毛頭。甚至采用電鍍鎳以增加表面之潤滑性,以利錫膏的通過。

錫膏的分布涂著除上述兩種主要方法外,常見者尚有注射布著法(Syringe Dispensing)與多點沾移法(Dip Transfer)兩種用于小批量的生產。注射法可用于板面高低不平致使網印法無法施工者,或當錫膏布著點不多且又分布太廣時即可用之。但因布著點很少故加工成本很貴。錫膏涂布量的多寡與針管內徑、氣壓、時間、粒度、貼度都有關。至于“多點沾移法”則可用于板面較小等封裝載板(Substrates)之固定陣列者,其沾移量與貼度、點移頭之大小都有關。

某些已布著的錫膏在放置零件貼著引腳之前,還需要預烤(70~80℃,5~15分鐘),以趕走膏體中的溶劑,如此方可減少后來高溫熔焊中濺錫而成的不良錫球(Solder Ball),以及減少焊點中的空洞(Voiding);但此種印著后再熱烘,將會使降低貼度的錫膏在踩腳時容易發生坍塌。且一旦過度預烤者,甚至還會因粒子表面氧化而意外帶來焊錫性不良與事后的錫球。

三、高溫熔焊(Reflow)
1、概說
高溫熔焊是利用紅外線、熱空氣或熱氮氣等,使印妥及已貼著各引腳的錫膏,進行高溫熔融而成為焊點者,謂之“熔焊”。80年代SMT興起之初,其熱源絕大多數是得自發熱效率最好的輻射式(Radiation)紅外線(IR)式機組。后來為了改善量產的品質才再助以熱空氣,甚至完全放棄紅外線而只用熱空氣之機組者。近來為了“免洗”又不得不更進一步改采“熱氮氣”來加溫。在其能夠減少待焊金屬表面的氧化情形下,“熱氮氣”既能維持品質又能兼顧環保,自然是最好的辦法,不過成本的增加卻是無比的殺傷力。

除了上述三種熱源外,早期亦曾用過蒸氣焊接(Vapor Soldering),系利用高沸點有機溶劑之蒸氣提供熱源,由于系處于此種無空氣之環境中,不會氧化之下既無需助焊劑之保護也無需事后之清洗,是一種很清潔的制程。缺點是高沸點(B.P.)溶劑(如3M的FC-5312,沸點215℃)之成本很貴,且因含有氟素,故長期使用中免不了會裂解產生部份的氫氟酸(HF)之強酸毒物,加以經常出板面小零件之“豎碑”(Tombstoning)不良缺點,故此法目前已自量產中淘汰。

還有一種特別方法是利用雷射光的熱能(CO2或YAG),在非焊槍式的接觸下,可對各單獨焊點進行逐一熔焊。此法具快熱快冷的好處,而且對極微小纖細的精密焊點相當有利。對于一般大量化之電子商品則顯得非常不切實際了。其他尚有類似手工焊槍式做法的“熱把”(Heat Bar)烙焊,系利用高電阻發熱的一種局部焊接法,可用之于修理重工,卻不利于自動化量產。

2、紅外線與熱風
常見紅外線可按其波長概分為:
(1)波長為0.72~1.5μm接近可見光的“近紅外線”(Near IR)。
(2)波長1.5~5.6μm的“中紅外線”(Middle IR)。
(3)以及熱能較低波長為5.6~100μm的“遠紅外線”(Far IR)。
紅外線焊接的優點有:發熱效率高、設備維修成本低、“豎碑”之缺點較蒸氣焊接減少、并可另搭配高溫熱氣體共同操作。缺點為:幾無上限溫度,會常造成燒傷,甚至導致待焊件過熱的變色變質,且也只能焊SMD無法焊PTH之插裝元件腳。
IR的熱源有日光燈式長管狀的T3鎢絲燈管,屬Near IR直曬熱量很大,但也容易出現遮光而熱量不足的情形。其次是鎳鉻絲(Nichrome)的燈管,屬Near或Middle之IR類。第三種是將電阻發熱體埋在硅質可傳熱的平板體積中,屬Middle/Far之 IR形式。此全面性熱量,除了正面可將熱量凌空傳向待焊件外,其背面亦可發出并針對工作物反射熱能,故又稱為“二次發射”(Seconding Emitter)。使各種受熱表面的熱量更為均勻。

由于紅外線在高低不同的零件中會產生遮光及色差之不良效應,故還可吹入熱風以調和色差及輔助其死角處之不足處,并可進行PTH之插焊;因而使得早先之單純IR者幾乎為之除役。所吹之熱風中又以熱氮氣最為理想,其優點如下:
(1)大幅減少氧化反應,故助焊劑已可減量使用,并亦減少清洗及降低錫球。
(2)無氧環境中助焊劑被點燃機率減少,故可提高焊溫(如300℃)加快輸送速度。
(3)樹脂表面變色機率減少。

3、自動輸送流程:
連線熔焊之整體溫度變化曲線(Profile);有預熱(吸熱),熔焊及冷卻等三大階層。每階層中又有數個區段(Zones),區段較少者(3-4段)輸送速度較慢(26cm/min),區段較多者(7段以上)則速度加快(接近50cm/min)溫控也較淮確。一般批量者以6段較合適。全線行經的時間以4-7分鐘之間為宜。

預熱可使板面溫度達150℃,而助焊劑在120℃中90-150秒內即可發揮活性去除銹漬,并能防止其再次生銹。板材的Tg溫度愈高愈好,因超過Tg以上的塑膠材料,不但會呈現軟化之塑性而大大傷害到尺度安定性,且各方向(X.Y.Z)的膨脹加劇下PTH也容易斷孔。每種不同料號板面,均有其最佳的輸送速度,但一般性熔焊區之停留時間可規定在30-60秒之間,焊溫以220℃為宜。量產前應分別訂定出實用標淮作業程序(SOP)。
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