表面组装技术第四讲

表面组装技术SurfaceMountTechnology覃春林博士哈尔滨工业大学(威海)材料学院电子封装技术专业Presentby:SCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGIBEERING第四章表面组装焊接技术1.表面组装焊接技术的原理及特点2.波峰焊3.再流焊第一节焊接成形机理所谓焊接是将焊料、被焊金属同时加热到最佳温度，依靠熔融焊料添满被金属间隙并与之形成金属合金结合的一种过程。物理化学材料学电学第一节焊接成形机理1.1机械啮合理论•由于固体表面由吸附气体、吸附水膜、氧化物、油脂、尘埃等组成，因而是不清洁的。•另外，宏观清洁的表面，在微观却是非常粗糙的、凹凸不平，呈峰谷交错状态。•在210～250℃焊接温度下，熔融锡铅钎焊流入元器件引脚和铜箔焊盘凹凸不平的多孔表面内，冷却后像小钩子一样使锡铅钎料与元器件引脚及铜箔焊盘结合在一起，形成强有力的机械啮合。第一节焊接成形机理1.2润湿理论(横向)是指熔融焊料在金属表面形成均匀、平滑、连续并附着牢固的焊料层。主要决定于焊件表面的清洁程度焊料的表面张力第一节焊接成形机理1.2润湿理论固体表面金属液滴接触角金属液滴固体表面第一节焊接成形机理1.3描述润湿的基本方程slslslssglgltotalAAAAEsss+-+=)(•固液界面张力•固体表面张力•液体表面张力•固体表面积•液体表面积•固液接触面积slσsgsglssAlAslA第一节焊接成形机理1.4润湿的好坏判断Θ=180当θ=180°时，液体在固体表面呈球体，完全不润湿当90°＜θ＜180°时，液滴在固体表面上呈滚珠状，不能润湿当0°＜θ＜90°时，液滴在固体表面呈凸透镜状，能润湿。当θ=0°时，液滴在固体表面上铺展成薄膜，称为完全润湿。第一节焊接成形机理A点，试件开始放入熔融锡料之前B点，试件同熔融锡料接触的时刻，也是测试开始点。C点，试件浸演到规定的深度。如果试件有很好的可焊性，并且试件的热容量小的话，在C点发生润湿。第一节焊接成形机理D点，如果试件需要的热容量大或试件涂的焊剂过多，在D点才开始润湿和焊接。E点，正在润湿过程中。F点，熔融焊料凹下去的液面这时回到水平，表面张力的方向是水平的，垂直方向的主要作用力是浮力。有些标准将过F点的时间定义为零交时间，作为衡量可焊性的一个指标。第一节焊接成形机理G点:在指定的时间所测的合力值。H点:最大合力点。这时焊料“爬升”高度最高，润湿力最大。K点:测试结束前一瞬何的合力值，通常K点的值同H点的值比较接近，表明润湿的稳定性好。如果K点比H点低很多，表明焊料沿着焊端“回落”，凸面有所下降，即失润现象。第一节焊接成形机理1.5扩散理论•扩散现象•在焊接过程中，焊盘上铜原子经过活化与锡铅钎料中的原子互相扩散，冷却后在固体金属钎料的交界处形成一层金属间化合物。•扩散连接有四个阶段：–局部的接触产生塑性变形使氧化膜破碎–氧化物通过分解、扩散消失–由于融变变形使接触面扩大，通过体积扩散和表面扩散使空洞逐渐缩小–晶界的移动使接合线消失第一节焊接成形机理1.6合金理论•焊接时，钎料成分向母材金属组织内扩散，母材金属也向钎料中扩散溶解，在接触界面形成合金。焊点依靠合金将元器件及焊盘与锡铅钎料接合在一起。•合金主要以两种形式存在，一种时金属元素按各种原子量比结合在一起的金属间化合物，另一种是元素之间在固态下相互溶解而形成的固溶体合金。第一节焊接成形机理1.6.1电路焊接的三个方式手工焊第一节焊接成形机理波峰焊第一节焊接成形机理回流焊第一节焊接成形机理第一节焊接成形机理焊点机械强度第一节焊接成形机理Electronicsoldersandtheirmeltingbehaviour第一节焊接成形机理Solubilityofcopperinnon-antimonialsolder第一节焊接成形机理ss-sectionthroughasolderedjoint,madewitheutecticsolder第一节焊接成形机理Relationshipbetweensolderingparametersandzonethickness第一节焊接成形机理第一节焊接成形机理HASL处理的PCB表面焊点OSP处理的PCB表面焊点化学Ni/Au处理的PCB表面焊点第一节焊接成形机理•HASL的PCB焊盘与焊锡形成IMC厚度比OSP的要厚，实际上是发生了二次生长•在HASL的过程中Sn已经与Cu焊盘形成一定厚度的Cu6Sn5•明OSP和化学Ni/Au的处理方式与HASL在焊接后，焊锡与焊盘的结合紧密，均有一定厚度的IMC生成第一节焊接成形机理BGA样品启封后发现部分金球脱落(箭头所示)焊盘上的铝层已完全脱落第一节焊接成形机理•只有焊锡与焊盘金属的表面有合金层形成，焊锡才能牢固的附着在PCB板上；•只有这两个合金层都很好，才能使元件牢固的固定在PCB的焊盘上。第一节焊接成形机理1.7SMT焊点成形机理•钎焊•SMT焊点由钎焊形成，属于微连接，在采用再流焊、波峰焊等焊接形式进行焊接组装时，熔融的锡铅钎料与元器件引脚及焊盘形成的焊点，主要是通过•机械啮合机理•润湿机理•扩散机理•中间合金机理等共同作用而产生的。第一节焊接成形特点1.8SMT焊点的基本要求•电学性能：中间过渡区的焊点材料应具有较高的电导率•热性能：钎料和基板应具有较高的热导率•相稳定性：焊点组织不能在热循环过程中发生相变•力学性能：焊点应能经受起组装过程中产生的应力，经受起在产品服役过程中由于热循环产生的热膨胀差而引起的应力•腐蚀抗力：焊点材料具有抗腐蚀能力•工艺性能：钎料与焊盘及引脚具有良好的润湿性及可焊性第一节焊接成形特点1.9SMT焊接技术特点•元器件本身受热冲击大•要求形成微细化的焊接连接•由于SMD的电极或引线的形状、结构和材料种类繁多，因此要求对各种类型的电极或引线都能进行焊接•要求表面组装元器件与PCB上焊盘图形的接合强度和可靠性都高第一节焊接成形1.10微电子封装与组装中的连接方法•固相连接–热压焊、超声焊、超声热压焊•固相-液相连接–钎焊、反应钎焊–波峰焊、再流焊：红外、激光、热风•熔化焊–激光焊接、电阻焊第二节波峰焊钎料流钎料槽第二节波峰焊图f1波峰焊流程简图第二节波峰焊第二节波峰焊视频第二节波峰焊2.1波峰焊机的工位组成装板涂焊剂预热焊接热风刀冷却卸板(1)装载:将所焊接的PCB置于机器中(老式波峰机中需配置框架式夹具)。(2)焊剂涂覆:在PCB上喷涂助焊剂，常用的方法有发泡、浸演、刷涂和喷雾等。(3)预热:预热PCB/焊点，活化助焊荆。(4)焊接:完成实际的焊接操作。(5)热风刀:去除桥连，并减轻组件的热应力。(6)冷却:冷却产品，减轻热滞留带来的损坏。(7)卸载:取出焊好的电子组件板。第二节波峰焊2.2波峰面与氧化皮•波的表面，均被一层氧化皮所覆盖•PCB推动氧化皮前进•PCB与氧化皮速度一致•特点是形成的焊料渣最少第二节波峰焊2.3焊点成型与防止桥联通常采取下列办法来解决桥联的形成:(1)使用可焊性好的元器件和PCB;(2)提高助焊剂的活性;(3)提高PCB的顶热温度，增加焊盘的润湿性能;(4)提高焊料的温度;(5)去除有害杂质，减低焊料的内聚力，以有利于两焊点之间的焊料分离。第二节波峰焊2.4波峰焊接主要工艺因素•2.4.1助焊剂–喷流式：适于不规则SMD。依靠喷流滚筒的旋转实现喷流。–发泡式：适于全面接触PCB。将一个有网孔的发泡圆筒沉入配有发泡剂的液体助焊剂槽中，用洁净的压缩空气吹入这个筒，使其发泡，让发泡的助焊剂对PCB进行喷涂。–喷雾式：适于免清洗助焊剂。喷雾式有两种方法，一是采用超声波击打助焊剂，使其颗粒变小，再喷涂到PCB上；二是采用微细喷嘴在一定空气压力下喷雾助焊剂。这种喷涂均匀、粒度小，易于控制。第二节波峰焊发泡式第二节波峰焊发泡式的优化设计第二节波峰焊发泡式的优化设计1.气泡高度不高于10-15cm，倾斜的气泡边缘应该形成尖锐的角度，泡和泡间分开；2.双并行气泡发生器好于垂直并排方式；3.气泡发生器产用多孔结构，孔径10-20um，总直径3-4cm，两个好于一个大的，材料用陶瓷或聚合物；4.发生器到倾斜边缘的高度要精确设计。第二节波峰焊发泡式设计的其他问题1.沉积量主要取决于板的输送速度；2.低粘度助焊剂可采用小气泡的方法；3.不建议沉积量太高，因为在板子倾斜的边缘，焊剂会流淌，造成不均匀，从而影响预热不均匀，焊接不均匀；4.压缩空气需要过滤。第二节波峰焊发泡式设计的缺点1.浪费焊剂；2.不适用于SMD器件的焊接。第二节波峰焊压缩空气喷雾式第二节波峰焊转鼓喷雾式第二节波峰焊转刷喷雾式第二节波峰焊超声喷雾式第二节波峰焊喷雾式设计的优点1.雾滴能够进入SMD细小的焊脚处；2.目前，系统能够实现单元面积内的定量控制；3.每次的助焊剂都是新的，而不是像其他方式那样回流利用；4.对粘度不用监控，对含水量等影响不用监控；5.不用处理废弃的焊剂，对老板来说节约了成本。第二节波峰焊助焊剂质量的监控1.固体数量和粘度成正比；第二节波峰焊2.目前，通过监控PH值等化学方法已经可以实现监控固体含量，但取决于焊剂的种类3.含水量的控制不受重视；4.松香基焊剂考虑分解问题；5.由PCB带入尘土、钻削、切削、油脂、铜线等，需要定期清理焊剂池。第二节波峰焊2.4.3助焊剂的密度控制第二节波峰焊2.4.4助焊剂的烘干•焊剂的预热可以使焊剂中的大部分溶剂及PCB制造过程中夹带的水汽挥发•使焊剂保持适合的粘度•降低焊接期间对元器件及PCB的热冲击第二节波峰焊•2.4.2预热系统–预热的目的是蒸发助焊剂中大部分溶剂，增加助焊剂的粘度，加速助焊剂的化学反应，提高可清除氧化的能力，同时提高电子组件的温度，以防止突然进入焊接区时受到热冲击–预热温度一般为130～150℃–预热温度控制得好，可防止虚焊、拉尖和桥连，减小焊料波峰对基板得热冲击，有效地解决焊接过程中PCB翘曲、分层和变形问题第二节波峰焊Thermalpropertiesofsubstancesinvolvedinwavesoldering第二节波峰焊Thermalauditofwavesoldering第二节波峰焊Thepreheatingsection第二节波峰焊•波峰焊机中常见的预热方式–空气对流加热–红外加热器加热–热空气和辐射相结合的方法加热第二节波峰焊•焊接系统–波峰结构：双波峰、喷射式波峰和Ω波形–焊后温度一般在240～250℃，时间7～10s•传输系统–框架式：适于多品种、中/小批量生产–手指式：适于少品种、大批量生产•控制系统–仪表或数控开环控制系统–计算机封闭控制系统第二节波峰焊2.4波峰焊接工艺曲线解析预热开始与焊料接触达到湿润与焊料脱离焊料开始凝固凝固结束预热时间湿润时间停留/焊接时间冷卻时间工艺时间第二节波峰焊•预热时间•润湿时间•停留时间•预热温度•焊接温度•波峰高度第二节波峰焊•传送倾角(3-7o)倾角大焊接时间短，焊锡回落快倾角小焊接时间长，焊锡回落慢第二节波峰焊•阴影效应第二节波峰焊•阴影效应第二节波峰焊•THT没有阴影效应一说第二节波峰焊•Peelback第二节波峰焊不对称波第二节波峰焊•Peelbackandsolderthieves第二节波峰焊•inarowoffootprints第二节波峰焊•热风刀窄长的开口能吹出4-20个大气压温度500-525℃的气流可以吹掉多余的焊锡可以填补金属化孔内焊锡对有桥接的焊点可以立即得到修复第二节波峰焊•焊料纯度的影响过量的铜拉尖、桥连和虚焊过高的锡锅温度细小的氧化层进入锡料之中第二节波峰焊•工艺参数的协调以焊接时间为基础，协调倾角与带速，焊接时间一般为2-3s，它可以通过波峰面的宽度与带速来计算V=W/tN=60V/(L+L1)L:PCB的长度L1:PCB之间的间隔V:传递速度T:停留时间N:每小时产量W:波宽第二节波峰焊2.6双波峰焊存在锐角，出现焊接死区焊脚与焊盘的润湿时间不一样，出现焊接死区第二节波峰焊2.6动荡波峰第二节波峰焊2.6喷射波第二节波峰焊复合波-OmegaWave第二