SMT工艺标准 无铅焊料二次回流时元器件是否掉件的标准.pdf

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1、无 铅 焊 料 二 次 回 流 时 元 器 件 是 否 掉 件 的 标 准无 铅 焊 料 二 次 回 流 时 元 器 件 是 否 掉 件 的 标 准 Yueli Liu，David A.Geiger，上官东恺伟创力 2007.7.1 摘要摘要 在双面组装时，T 面（top side）元器件第一次回流后，需要将电路板翻转 进行另一面的回流焊接。在第二次回流时，原己焊好的 T 面元器件被表面张力 所固定，防止元器件在重力作用下的掉件。需要有一套方法从元器件重量和焊盘面积角度来判断元器件在 B 面（bottom side）回流时是否会掉件。本文介绍了一个理论模型，该模型给出了元器件在第二次回流是否掉

2、件的 关键值。对无铅焊接电路板采用了实验设计（DOE）和 ANOVA 分析，以验证影响 不同元器件掉件的主要工艺因素的影响，同时对有铅焊接和无铅焊接进行了对 比。为了进一步调查，采用了光学检测和切片分析。实验结果表明：有铅和无铅焊接之间的 CgPa 值没有明显差异。双面回流电路板的应用越来越广泛而且复杂度日 益提高。双面回流电路板的主要优点在于充分 利用了电路板空间，同时降低了产品成本。双 面回流组装时，先进行 T 面元器件回流焊接，然后将电路板 翻转再进行一次回流。在第二次回流时，原已焊好的 T 面元 器件是被熔融焊料的表面张力所固定，防止元器件在重力 作用下掉件；然而，如果 T 面元器件重

3、量太大，那么在二次回流时，元器件的焊点重熔，就会导致掉件现象的发生。有多种方法可以防止双面回流时元器件掉件1。方法 一，用胶固定 T 面元器件，这样在第二次回流时就不可能掉 件，但这种方法需要额外的工序、设备和成本；方法二，两面焊接所用的焊料合金不同，它们的熔点不同，B 面焊接 所用的焊料的熔点较低，这一方法在许多应用场合也有不 少问题，低熔点焊料合金的熔点可能太低，不适应最终产 品的使用温度载荷，反之，高熔点焊料合金可能所需的回 流温度较高，回流时可能会对元器件和基板造成损伤；方 法三，在二次回流时，对电路板 T 面吹冷空气，使 T 焊点低 于液相线温度，这种方法的问题是由于两个面存在温度差

4、 异，可能会引入应力。事实上，对于大多数元器件，熔融焊料的表面张力可 以牢牢地将 T 面元器件固定。为了判断元器件是否适应 T 面 二次回流而不掉件，有铅焊料二次回流有一个经典的判断 标准：CgPa30（gin2），其中 Cg 是元器件重量，Pa 是总焊盘面积123。这一公式已经写入电路板设计规 则中，这样电路板设计者就可以进行计算评估，在 T、B 面 设计布局时选用合适的元器件。对于无铅焊接，由于有铅和无铅焊料的材料特性和回 流曲线不同，需要确定无铅焊料的二次回流掉件标准。本文介绍了一个理论模型，该模型给出了元器件在经 第二次回流时是否掉件的关键值。对无铅焊接电路板采用 了实验设计（DOE）

5、和 ANOVA 分析（方差分析），以验证 影响不同元器件掉件的主要工艺因素的影响，同时对有铅 焊接和无铅焊接进行了对比。为了进一步调查并解释实验 结果，采用了光学检测和切片分析。最后，基于实验和分 析结果给出了判断是否掉件的关键值。理论模型理论模型 1表面张力表面张力 液体内部的一个分子受到各个方向的各种引力，这些 力的矢量总和为零。液 体表面的一个分子受到 一个向内的内聚力，该 力垂直于液面，液体分 子之间的分子间作用力 或结合力产生表面张力 5，表面张力是液体表 面的一种类似拉伸弹性 薄膜的趋向，这种液体 自发趋势使其表面积最 小。接触角接触角 在液固体的界面上，如果液体分子对固体分子的引

6、力 超过液体分子的相互引力（即粘附力大于内聚力）时，就会发生表面润湿，如图 2（a）所示。如果液体分子之间的引力大于与固体分子的引力时(即 内聚力大于粘附力)，那么液体就形成液滴状，不会润湿固 体表面，如图 2（b）所示。焊接时，要求熔融焊料润湿焊盘，这就意味着粘附力（熔融焊料与焊盘之间）必须大于内聚力（熔融焊料内部 分子之间的引力）。二次回流公式二次回流公式 进行双面板的二次回流时，从以下示意图（图 3）可 以看出，一旦焊料处于熔融状态，掉件可能发生在以下三 个位置中的最薄弱处：（1）熔融焊料和电路板侧的焊盘界 面处；（2）熔融焊料和元器件侧的焊盘界面处；（3）熔 融焊料内部。如前所述，如果

7、熔融焊料能润湿焊盘，那在 液固界面上的粘附力会大于内聚力（熔融焊料内部），所以在二次回流时，熔融焊料内部应该是掉件的最薄弱位 置。2 当 CgPa，元器件在二次回流时不会掉件；当 CgPa，焊料充分熔融时就会掉件；其中，Cg 是元器 件重量，是熔融焊料的抗拉强度，Pa 是熔融焊料的横截 面面积。由于要得到精确的焊料熔融横截面面积太费时，所以通常用总焊盘面积近似代替。熔融焊料的抗拉强度 是熔融焊料在断裂前能承受的最大张力强度（单位面积 力），与熔融焊料的内聚力或表面张力成正比，它取决 于熔融焊料在某一温度条件下的材料特性，=Cg/Pa 是评估是否掉件的关键指标。试验样板试验样板 在本研究中使用了

8、伟创力的无铅试验板，试验板的尺 寸为 21.5cm15.1cm0.16cm，试验板为六层双面回流 板，层压板材为普通的 FR-4 环氧树脂，试验用电路板的焊 盘表面镀层有化学镍金（ENIG）和 OSP 两种。试验板上共有 75 种不同的元器件，在本研究中只涵盖 5 种元器件（如表 1 所示），试验元器件的初始 CgPa 值如表 2 所示。Taguchi 试验设计和试验过程试验设计和试验过程 影响二次回流掉件的因素如下鱼骨图所示。3 根据上述鱼骨图，本研究中调查了四个主要工艺影响 因素：焊膏类型、钢网厚度、焊盘表面镀层和回流气氛。Taguchi 方法采用了 DOE 的基本思想，同时简化并规范了全

9、 因子和部分因子试验，以保证试验能得出一致性结果。由 于本研究只评估四个因子，所以采用 L8 OA型试验组合，这样试验所需的次数能减少。如表 3 所示为四个因子和各自水平，对应的 Taguchi L8 OA 如表 4 所示，每个试验组合的样本数为 5 个。另外为 了比较有铅和无铅焊膏的区别，增加了两组应用有铅免 清洗焊膏的试验组合（如表 5 所示）。组装中所用的焊膏 有无铅免清洗焊膏（Sn3.9Ag0.6Cu）、无铅水溶性焊膏(Sn3.9Ag0.6Cu)和有铅免清洗焊膏（Sn63Pb37）。4 印刷所用钢网是厚度为 4mil 或 6mil 的激光切割钢网。回 流炉有九个加热区一个冷却区，充氮回

10、流或空气回流。无 铅和有铅组装用的回流曲线分别如图 5 和图 6 所示。基于有铅焊料的二次回流的元器件掉件的公式（Cg Pa30），预计的重量估算如表 6 所示。然而在二次回流 时，在没有增加重量的情况下，没有一个试验元器件发生 掉件，这表明有铅的计算公式 CgPa30 实际上是保守的。5 为了使元器件在二次回流时掉件，在元器件正面用胶 粘上配重（10g 或 5g 重的标准铜块），由于增加了配重，所 以元器件的热容增大，导致同样的回流炉参数设置不能让 回流曲线达到熔点，如图 7 所示。另一个元器件配重的方法是在将小片电路板粘在一 起，然后粘在元器件正面。使用该方法，尺寸和重量容易 控制和调整，

11、但与第一种方法一样，由于增加了电路板热容，所以回流曲线需要改变，电路板重量及其相应的回流 曲线如图 8 所示。6 考虑到配重电路板的热容，电路板配重后的无铅和 有铅试验板进行二次回流的回流曲线需要调整，如图 9 所 示。对于无铅焊料，最高温区设置为 320，峰值温度约为 260，过液相线时间约 100 秒，这样就保证元器件有足够 的时间掉件；对有铅焊料，最高温区设置为265，峰值温 度约为 225，过液相线时间约 95 秒。结论和讨论结论和讨论 无铅和有铅焊料的无铅和有铅焊料的 CgPa 比较比较 试验设计（DOE）组合 1 和组合 4 是比较有铅焊料和 无铅焊料条件下，二次回流掉件的元7器件

12、配重情况（如图 10 所示）。对于不同的元器件，用有铅焊料组装的元器件掉件所 需配重比无铅组装要稍微大些，无铅和有铅焊料的 Cg Pa 的中值比较见表 7。从总焊盘面积考虑，有铅焊料 Cg Pa 的值比无铅焊料的大 13左右，以切片分析得到的实际 接触面积考虑，有铅焊料 CgPa 的值比无铅焊料的大 6左 右。众所周知，有铅焊料的润湿力比无铅焊料要强，其润 湿铺展性能更好，因此，有铅焊料比无铅焊料的接触面积 要大，因此，发生掉件元器件的重量也要大。(未完，下期续)无 铅 焊 料 二 次 回 流 时 元 器 件 是 否 掉 件 的 标 准无 铅 焊 料 二 次 回 流 时 元 器 件 是 否 掉

13、 件 的 标 准 Yueli Liu，David A.Geiger，上官东恺伟创力 2007.8.1(接上期)进行 F检验来验证有铅和无铅焊料的 CgPa 的等变 量假设的有效性。等变量检验生成了一个图表，显示每个 水平的响应标准差为 Bonferroni 95置信区间。图 11（a）为基于总8焊盘面积，有铅和无铅焊料的 Cg Pa 的 F 一检验；图 11（b）为基于切片样品得到的实际接 触面积，有铅和无铅焊料的 CgPa 的 F 一检验。0.158 和 0.796 的 p 值都大于显著性水平=5，所以不能拒绝关于 变量相同的零假设。因此，这些数据没有提供足够的证据 表明总体分布有不同的变量

14、，这就是说，有铅和无铅焊料在 CgPa 值方面，没有统计上的显著差异。无铅焊料的 ANOVA 和 Taguchi 分析 为了调查影响无铅焊料 CgPa 值的主要因子的影响，本文进行了 ANOVA 分析和 Taguchi 分析。使用 Minitab13 进行 CgPa 计算值的统计分析。对于 ANOVA 分析，F 值可以用来调查所收集数据的置 信度，如果 F4，说明与试验误差相比，控制因 子是显著的。如表 8 和图 12 的 CgPa 中值的主要影响图所示，电路 板焊盘表面镀层类型对 CgPa 值有最显著影响，因为其 F 32.27；钢网厚度也是一个显著因子，因为其 F5.054；同时焊膏类型和

15、回流气氛没有显著影响，因为 F1。上述 结论同样可以从 P 值情况得出，当 p0.059时，因子有显著 影响，置信度为 95。对于钢网厚度，使用 6mil 厚的钢网 时 CgPa 值会比使用 4mil 钢网大，这是因为与 4mil 钢网相比，6mil 钢网会导致焊料的接触面积变大。使用无铅焊料的不同元器件的 CgPa 值如图 13 所示。需要注意：当 CgPa60 时，使用无铅焊料的元器件在本 研究中都不掉件。为考虑不同工艺条件和不同元器件的情 况，我们将安全系数 K 设定为 2，并将 CgPa30 定为无铅 焊料二次回流时元器件是否掉件的标准。10同样地，使用有铅焊料的不同元器件的 CgPa

16、 值如图 14 所示。当 CgPa80 时，使用有铅焊料的元器件在本 研究中都不掉件。同样我们将安全系数 K 设为 2，并将 Cg Pa40定为有铅焊料二次回流时元器件是否掉件的标准。在实际操作中，以前的有铅焊料 CgPa30 的标准设定得 较保守。光学检测光学检测 为检查元器件掉件后焊盘和引脚情况，进行了光学检 测，相应的光学照片如图 1518 所示。11 从上述图片可以看出，元器件掉件后的焊盘、引脚和 焊球是光亮的，而且大多数焊料是留在电路板焊盘上，同 时也有少部分焊料留在元器件的引脚和焊球上，这说明掉 件的断裂位置发生在熔融焊料内最小截面积处，这一点验证了关于二次回流时熔融焊料是薄弱位置

17、和元器件掉件发 生在熔融焊料中的理论模型假设。切片分析切片分析 基于 CgPa，二次回流时元器件重量是否可承受 取决于抗拉强度和接触面积。接触面积可以会由于在不同 的工艺条件下润湿性能的差异而发生变化。在本研究中，为了比较不同工艺条件下的接触面积情况，进行了切片分 析。切片后，测量并比较了它们的焊点长度，图19 表示了 在不同工艺条件下，元器件焊点切片的 SEM 照片。比较图 19 中电路板 1(无铅 4mil OSP 空气回流)和电路板 2（有铅 4mil OSP 空气回流）的情况，我们可以发现有铅 比无铅的润湿性能更好。比较电路板 2(有铅 4mil OSP 空气回 流)和电路板 3（有铅

18、 6mil ENIG 空气回流）的情况，未发现 电路板 2 和电路板 3 之间有明显的润湿性能差异。图 20 表明 有铅（电路板 1）和无铅（电路板 2）焊料条件下，焊点长度和元器件掉件的配重对比。有铅比无铅的焊点长度要略 长，同时有铅的元器件掉件相应配重要比无铅大一些。12 总结总结 为了判断元器件是否适应 T 面二次回流而不掉件，可 以从元器件重量和总焊盘角度，用 CgPa 进行判断。本研 究中未看到有铅和无铅焊料在 CgPa 值方面的显著统计差 异。ANOVA 分析表明电路板上焊盘的镀层类型和钢网厚 度对 CgPa 有显著性影响，同时焊膏类型（免清洗和水溶 性）和是否氮气回流（空气和氮气

19、）对 CgPa 没有显著性 影响。使用 6mil 钢网要比 4mil 钢网的承受的元器件重量更重，因为两者的接触面积不同。光学检测表明元器件掉件发生在熔融焊料中最小截面 处，而不是焊料和焊盘的界面处。通过对样品进行切片，测量比较了焊点长度，结果表明：对于 OSP 电路板，有铅 焊料比无铅焊料的润湿性能更好，同时有铅焊料比无铅焊 料的接触面积更大。致谢致谢：感谢伟创力的 Ninh Vu 在试验方面、伟创力的 Dan Rooney 在切片和 SEM 分析 方面所提供的协助。参考文献参考文献：1.Philip Zarrow,“Soldering”,Surface Mount Technology（S

20、MT）,August 2000.2.Philip Zarrow,“Fear and loathing with double sided reflow soldering,Circuit Assembly,June 1997.3.Philip Zarrow,“Reflow Soldering of Through-hole Components,SMT Express,Volume 2,Issue No.1 January 2000.4.Joe Belmonte and Phil Zarrow,“Single Center Reflow of Through Hole Components.Circuit Assembly,September 1996.5.http:/hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/surten.html#c1 13