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[转载]加热工艺的发展方向和存在的问题

智者不锐，慧者不傲。

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0楼发表于: 2008-07-12 13:16:56

— 本帖被 wudawolf 执行置顶操作(2008-08-16) —

由于不断追求元件的小型化以及增加引脚数目和要求间距更密，因而产生了新型元件设计，象球栅阵列(BGA)、板上芯片(COB)、芯片尺寸封装(CSP)、多芯片模块(MCM)以及倒装芯片等技术就是这种趋势的结果。另外，很多人都在使用免清洗及低残留物焊锡膏以降低成本，其中一些相关工艺更适合在氮气环境下使用。手持式及方便易用产品将继续是电子市场背后的推动力，封装技术也将向前发展以满足产品的要求。因此更小更快更轻的产品、更短的产品市场生命周期、更多I/O数和更密间距以及更高的工作频率，都在推动对于加热工艺的要求，这将会更进一步使得必需改进工艺控制和进行设备优化。针对这些种种推动力，已经研究出了多种加热工艺方法以响应这些挑战。

惰性氮气回流焊

在回流焊工艺中使用惰性气体(通常是氮气)已经有一段时间了，但对于成本效益的评估还有很多争论。在回流焊工艺中，惰性气体环境能减少氧化，而且可以降低焊膏内助焊剂的活性，这一点对一些低残留物或免洗焊膏的有效性能来讲，或者在回流焊工艺中需要经过多次的时候(比如双面板)，可能是必需的。如果涉及到多个加热过程，带OSP的板子也会受益，因为在氮气里底层铜线的可焊性会得到比较好的保护。氮气工艺其它好处还包括较高表面张力，可以扩宽工艺窗口(尤其对超细间距器件)、改善焊点形状以及降低覆层材料变色的可能性。

另一个方面是成本，在一个特定的工厂里氮气的成本根据地理位置和用量的不同差别很大。严格的构成成本研究通常都显示出，在将生产率和质量改善的成本效益进行分解后，氮气的成本就不是一个主要的因素了。

在没有强制对流同时气流又呈薄片状的炉内，控制气体的消耗量(图1)相对比较容易。有几种方法可用来减少氮气的消耗，包括减小炉子两端的开口大小，使用空白档板、涡形帘子或其它类似的设置将入口和出口的孔缝没有用到的部分挡住等。用档板或帘子隔开的区域可以用来控制流出炉子的气流，并尽量减少与外部空气的混和。另一种方法应用回流炉改进技术，它利用热的氮气会在空气上面形成一个气层，而两层气体不会混和的原理。在炉子的设计中加热室比炉子的入口和出口都要高，这样氮气会自然形成一个气层，可以减少为维持一定气体纯度所需输入的气体数量。

OmniFlo 7 LC是OmmiFlo强制对流回焊炉的低消耗改进型，和现在大多数回焊炉相比，它可减少30%到40%的气体消耗，并保持氧气含量稳定在30-1000ppm，它可以运行在较高的对流程度而不会有损惰性环境的性能。

双面回流焊

双面板正变得更加普遍并日趋复杂，它使PCB可用空间达到最大，而且有助于降低成本。直到最近，双面板的装配通常都还是将上面过回流焊而把底面过波峰焊。如今的趋势是朝向双面回流焊，但这种工艺本身也不是没有问题。质量较大的底面元件会在第二次过回流焊时掉落，另外底面的焊点在此过程中会局部重新熔解，可能会对焊点的可靠性造成危害。

已经研究出了几种方法可以完成双面回流焊。一个方法是将第一面的元件粘在装配组件上，这样在反转过来过第二次时就会留在原位，这是一种常用的方法，但要牵涉到额外的步骤和设备。还可以在顶部和底部用具有不同熔点的合金，在第二次过的时候，用低熔点材料。在许多场合用这种方法会有一些严重的问题，比如所用合金的熔点相对最终产品的工作温度而言可能会过低，而另外一类合金可能需要更高的回焊温度又会在回焊过程中对元件或者底板造成损坏。对很多元件来讲，在焊点上熔化的金属表面张力足够将底面元件托住，其可靠性非常高。可以用元件的重量和引脚/焊盘接触面积的比来确定是否可以用这种方法成功地装上底面的元件，而不需要对每个元件都去做实验，30克/平方英寸是一个比较保守的比率数字，可将其纳入线路板设计规范中。

另外一种方法使用的原理是在组装件底面吹入冷风，使得在过第二次回流焊时底面焊点的温度保持在液相点以下，这里的缺点是由于上面和底面温度的差异会造成潜在应力。

穿孔回流焊

穿孔回流焊(又称为插入式回流焊)已逐渐变得普通起来，因为它可以取消波峰焊或者选择性焊接工艺步骤。这种方法的一个主要好处是可以在利用表面安装制造工艺优点的同时，使用能提供穿孔焊点机械完整性的穿孔型连接器。

尽管用穿孔回焊可得到良好的工艺效果，但还是存在一些工艺问题。在穿孔回焊过程中焊膏的用量比较大，由于助焊剂挥发物质的沉积会增加对机器的污染，因而有效的助焊剂管理系统是很重要的；此外，许多穿孔元件尤其是连接器没有设计可以承受回焊温度。大风量强制对流炉更适合在这种场合中使用，它具有较高热量传递率，不需要很高的IR发射管温度(象纯粹红外(IR)炉那样)。必须要保证穿孔内焊膏的所有部分都会经历回焊良好的正确热量曲线，尽管热沉积和遮挡会影响一些元件。

无铅回焊

虽然电子工业产生的铅不到周围环境所含铅的1%，但一些观察家们还是在考虑如果采用立法措施来限制焊接中铅的使用，可能就会找到可靠经济的无铅替代品。很多替代合金的液相温度比锡-铅焊料大约要高40℃，这就意味着回流焊接必须在更高的温度下进行。就增加基板材料氧化和老化程度而言，惰性的氮气可用来部分弥补高温的影响。

最新的回流炉设计可以工作在300℃以上，不过，对于生产BGA、双面板及厚膜电路，无铅焊料和非共晶焊料的回焊需要更高的炉温。这些新工艺中有些经常需要高峰区的对流温度为350℃到400℃，因此必须更改炉子里的热敏感机械元件以满足这些要求。

垂直炉技术

市场对减小尺寸的推动增加了用在直接芯片粘接(DCA)中倒装芯片的使用。将芯片倒装再用焊接突起将其直接连接在基板上可以得到更快的信号速度和更小的占地面积。芯片和基板之间的缝隙再用底部灌封剂加强焊点的强度，以克服由于硅裸片和基板间热膨胀不匹配而造成的应力。此外，还需要用到glob-top或闭合填充技术，在表面涂敷环氧树脂材料，以保护裸露的硅片。很多这种材料都需要较长的固化时间，而这对在线式炉子来说就做不到。垂直炉在这方面则略胜一筹，它在把板子送出到生产线之前，用一个传送带系统作为垂直缓冲器/存储器，这样可以在小面积的炉内保持较长的停留时间。

污染问题

机器污染继续给回焊炉造成极大问题。焊锡膏中挥发性物质会在炉内较冷的表面重新凝结而污染机器，在带有内部冷却区的空气受控炉内，这个问题更加严重。通过抽风系统去除这些挥发物在这里是不可以用的，因为要满足将炉内气体消耗量减至最少的需要。因此设计了一种助焊剂管理系统从炉内抽出助焊剂的挥发物，它将挥发物质流经一个外部组件，经过凝结和过滤，再把清洁的空气送回工艺腔内。这种方法大大减少了在冷却部分及炉内其它地方凝结的助焊剂残余物，使得机器的维护和污染擦除不一定非要在停产状况下进行。

还可以将助焊剂管理系统送出的冷气流送回到冷却区内，正好有利于高于液相温度时的降温，并降低PCB出来的温度。另外一种作法是直接将返回的气流送到工艺腔的其它部分以得到其它特性，比如区与区温度隔离或顶部与底部产生温差等。

冷却问题

在自然空气条件下工作的回流焊炉利用周围的空气作为冷却媒介，这样能以较低的成本使用大量的气体，并有效地使板子冷却。在惰性气体环境下，冷却过程必须在一个受控的环境下执行，因此情况是非常不同的。必须要从系统中排出热，通常采用热交换器，利用气体或液体作为热交换媒介，冷却的气流还要在炉内循环，以减少惰性气体(一般用氮气)的总体消耗。

目前这部分的设计，是利用风扇使空气通过热交换器到达板子而得到冷却的，由于助焊剂会沉积在风扇和热交换器上，因此这种冷却方法需要定期作机器的维护(虽然这个问题的严重性可通过使用助焊剂管理系统而大大降低)。本公司已开发出一种称为NitroCool(图2)的系统，利用增强的空气风刀产生高速气流，作为热交换介质。风刀产生的循环气流横向吹过板子而不通过热交换器，减少了可能发生的阻塞，另外增强空气风刀内还具有自身清洁循环装置，在气流变质以前从风刀中除去助焊剂的沉积物。该系统可提供一致的冷却效果，而不会在性能方面有什么改变，不象热交换器和风扇在维护期内逐渐变脏 ..

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