回流焊接温度曲线

回流焊接温度曲线

作温度曲线(profiling)是确定在回流整个周期内印刷电路板

(PCB)装配必须经受的时间/温度关系的过程。它决定于锡膏的特

性，如合金、锡球尺寸、金属含量和锡膏的化学成分。装配的量、

表面几何形状的复杂性和基板导热性、以及炉给出足够热能的能

力，所有都影响发热器的设定和炉传送带的速度。炉的热传播效

率，和操作员的经验一起，也影响反复试验所得到的温度曲线。

锡膏制造商提供基本的时间/温度关系资料。它应用于特定

的配方，通常可在产品的数据表中找到。可是，元件和材料将决

定装配所能忍受的最高温度。

涉及的第一个温度是完全液化温度(full liquidus temperature)

或最低回流温度(T1)。这是一个理想的温度水平，在这点，熔化

的焊锡可流过将要熔湿来形成焊接点的金属表面。它决定于锡膏

内特定的合金成分，但也可能受锡球尺寸和其它配方因素的影

响，可能在数据表中指出一个范围。对Sn63/Pb37，该范围平均

为200 ~ 225°C。对特定锡膏给定的最小值成为每个连接点必须

获得焊接的最低温度。这个温度通常比焊锡的熔点高出大约15 ~

20°C。(只要达到焊锡熔点是一个常见的错误假设。)

回流规格的第二个元素是最脆弱元件(MVC, most vulnerable

component)的温度(T2)。正如其名所示，MVC就是装配上最低温

度“痛苦”忍耐度的元件。从这点看，应该建立一个低过5°C

的“缓冲器”，让其变成MVC。它可能是连接器、双排包装(DIP,

dual in-line package)的开关、发光二极管(LED, light emitting

diode)、或甚至是基板材料或锡膏。MVC是随应用不同而不同，

可能要求元件工程人员在研究中的帮助。

在建立回流周期峰值温度范围后，也要决定贯穿装配的最大

允许温度变化率(T2-T1)。是否能够保持在范围内，取决于诸如

表面几何形状的量与复杂性、装配基板的化学成分、和炉的热传

导效率等因素。理想地，峰值温度尽可能靠近(但不低于)T1可望

得到最小的温度变化率。这帮助减少液态居留时间以及整个对高

温漂移的暴露量。

传统地，作回流曲线就是使液态居留时间最小和把时间/温

度范围与锡膏制造商所制订的相符合。持续时间太长可造成连接

处过多的金属间的增长，影响其长期可靠性以及破坏基板和元

件。就加热速率而言，多数实践者运行在每秒4°C或更低，测

量如何20秒的时间间隔。一个良好的做法是，保持相同或比加

热更低的冷却速率来避免元件温度冲击。

图一是最熟悉的回流温度曲线。最初的100°C是预热区，

跟着是保温区(soak or preflow zone)，在这里温度持续在150 ~

170°C之间(对Sn63/Pb37)。然后，装配被加热超过焊锡熔点，

进入回流区，再到峰值温度，最后离开炉的加热部分。一旦通过

峰值温度，装配冷却下来。

温度热电偶的安装

适当地将热电偶安装于装配上是关键的。热电偶或者是用高

温焊锡合金或者是用导电性胶来安装，提供定期检测板的温度曲

线精度和可重复性的工具。对很低数量的和高混合技术的板，也

可使用非破坏性和可再使用的接触探头。

应该使用装配了元件的装配板来通过炉膛。除非是回流光板

(bare board)，否则应该避免使用没有安装元件的板来作温度曲

线。热电偶应该安装在那些代表板上最热与最冷的连接点上(引

脚到焊盘的连接点上)。最热的元件通常是位于板角或板边附近

的低质量的元件，如电阻。最冷的点可能在板中心附近的高质量

的元件，如QFP(quad flat pack)、PLCC(plastic leaded chip carrier)

或BGA(ball grid array)。其它的热电偶应该放在热敏感元件(即

MVC)和其它高质量元件上，以保证其被足够地加热。

如果用前面已经焊接的装配板，则必须从那些热电偶将要安

装的连接点上去掉焊锡。因为板可能是用Sn63/Pb37焊接的，而

现在将要用Sn10/Pb90，用后者来简单焊接热电偶将会产生一种

“神秘”合金，或者一种不能维持测试板所要求的多个温度变化

的合金。在去掉老的焊锡后，用少量助焊剂，跟着用少量而足够

的高温焊锡。如果用导电性胶来安装热电偶，同样的步骤去掉下

面的Sn63/Pb37(或其它合金)。这是为了避免破坏热电偶的胶合

附着，从而可能导致回流期间的托焊。

推荐使用K型、30 AWG 的热电偶线，最好预先焊接。在

安装之后，热电偶引线引到PCB装配的后面(相对行进方向)。有

人宁愿用一个接头接在热电偶引线的尾沿。这样测量设备可很快

连接和分开。开普敦(Kapton)胶带(一种耐高温胶带)用来在适当

位置固定热电偶的引线。

多数回流机器装备有机上作温度曲线的软件，允许热电偶引

线插在炉子上，实时地从系统显示屏幕上跟踪。有人宁愿使用数

据记录设备，和测试装配板一起从炉中通过，以可编程的时间间

隔从多个热电 偶记录温度。这些系统是作为“运行与读数

(run-and-read)”或数据发送单元来使用的，允许实时地观察温度

曲线。对后者，系统必须不受射频干扰(RFI, radio frequency

interference)、电磁干扰(EMI, electromagnetic interference)和串扰

(crosstalk)的影响，因此当来自发射机的数据还没有来时，不会

去“猜测”温度。不管用哪一种数据记录器，定期的校准是必要

的。

渐升式温度曲线(Ramp profile)

保温区(soak zone)有热机械的(thermomechanical)重要性，它

允许装配的较冷部分“赶上”较热部分，达到温度的平衡或在整

个板上很低的温度差别。在红外(IR, infrared)回流焊接开始使用

以来，这个曲线是常用的。在加热PCB装配中，SMT早期的红

外与对流红外炉实际上缺乏热传导能力，特别是与今天的对流为

主的(convection-dominant)炉相比较。这样，锡膏制造商们配制它

们的几乎松香温和活性(RMA, rosin mildly active)材料，来满足回

流前居留时间的要求，尝试减少温度差别(图二)。另一方面，以

对流为主要热机制的对流为主的(convection-dominant)炉通常比

其前期的炉具有高得多的热传导效率。因此，除非装配的元件实

在太多，需要保温来获得所希望的温度差别，否则回流前的保温

区是多余的，甚至可能是是有害的，如果温度高于基板玻璃态转

化温度(substrate glass-transition)Tg的时间过长。在大多数应用

中，渐升式温度曲线(ramp profile)是非常好的(图三)。尽管有人

认为锡膏助焊剂配方要求回流前保温(preflow soak)，事实上，这

只是为了能够接纳那些老的、现在几乎绝种的、对流/IR炉技术。

一项最近的有关锡膏配方的调查显示，大多数RMA、免洗

和水溶性材料都将在渐升式温度曲线上 达到规定要求

1

。事实

上，许多有机酸(OA, organic acid)水溶性配方地使用的保温时间

也要尽可能小 — 由于有大量的异丙醇含量作为溶剂，它们容易

很快挥发。

在使用渐升式温度曲线(ramp profile)之前，应该咨询锡膏制

造商，以确保兼容性。虽然一些非常量大或复杂的PCB装配还

将要求回流前的保温，但大多数装配(即，那些主要在线的)将受

益于渐升式温度曲线(ramp profile)。事实上，后者应该是如何锡

膏评估程序中的部分，不管是免洗，还是水溶性。

氮气环境

一个焊接的现有问题是有关在回流焊接炉中使用氮气环境

的好处。这不是一个新问题 — 至少一半十年前安装的回流炉被

指定要有氮气容器。而且，最近与制造商的交谈也显示还有同样

的比例存在，尽管使用氮气的关键理由可能现在还未被证实。

首先，重要的是理解使回流环境惰性化是怎样影响焊接过程

的。焊接中助焊剂的目的是从要焊接的表面，即元件引脚和PCB

焊盘，去掉氧化物。当然，热是氧化的催化剂。因为，根据定义，

热是不可能从基本的温度回流焊接过程中去掉的，那么氧 — 氧

化的另一元素 — 通过惰性的氮气的取代而减少。除了大大地减

少，如果没有消除，可焊接表面的进一步氧化，这个工艺也改善

熔锡的表面张力。

在八十年代中期，免洗焊锡膏成为可行的替代品。理想的配

方是外观可接受的(光亮的、稀薄的和无粘性的)、腐蚀与电迁移

良性的、和足够薄以致于不影响ICT(in-circuit test)针床的测试探

针。残留很低的锡膏助焊剂(固体含量大约为2.1 ~ 2.8%)满足前

两个标准，但通常影响ICT。只有固体含量低于2.0%的超低残留

材料才可看作与测试探针兼容。可是，低残留的好处伴随着低侵

蚀性助焊剂处理的成本代价，需要它所能得到的全部帮助，包括

回流期间防止进一步氧化的形成。这个要用氮气加入到回流过程

来完成。如果使用超低残留焊锡膏，那么需要氮气环境。可是，

近年来，也可买到超低残留的焊锡膏，在室内环境(非氮气)也表

现得非常的好。

原来的有机可焊性保护层(OSP, organic solderability

preservative)在热环境中有效地消失，对双面装配，要求氮气回

流环境来维持第二面的可焊性。现在的OSP也会在有助焊剂和

热的时候消失，但第二面的保护剂保持完整，直到印有锡膏，因

此回流时不要求惰性气体环境。

氮气回流焊接的最古老动机就是前面所提到的改善表面张

力的优点，通过减少缺陷而改善焊接合格率即是归功于它。其它

的好处包括：较少的锡球形成、更好的熔湿、和更少的开路与锡

桥。早期的SMT手册提倡密间距的连接使用氮气，这是基于科

学试验得出的结论。可是，这测试是实验室的试验，即，“烧杯

试验”与实际生产的关系，没有把使用氮气的成本计算在内。

应该记住，在过去十五年，炉的制造商已经花了许多钱在开

发(R&D)之中，来完善不漏气的气体容器。虽然当使用诸如对流

为主的(convection-dominant)这类紊流空气时，不容易将气体消耗

减到最小，但是有些制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消

耗，已经达到非常低的氧气水平。这样做，他们已经大大地减低

了使用氮气的成本。

随着连接的密度增加，过程窗口变小。在这个交接口，在有

CSP(chip scale package)和倒装芯片(flip chip)的应用中使用氮气

是很好的保证。

双面回流焊接

人们早就认识到的SMT的一个优点是，元件可以贴装在基

板的两面。可是，问题马上出现了：怎样将前面回流焊接的元件

保持在反过来的一面上完好无损，如果第二面也要回流焊接？人

们已经采取了无数的方法来解决这个困难：

一个方法是有胶将元件粘在板上，这个方法只用于波峰焊接无源

元件(passive component)、小型引脚的晶体管(SOT)和小型引脚集

成电路(SOIC)。可是，这个方法涉及增加步骤和设备来滴胶和固

化胶。

另一个方法是为装配的顶面和底面使用两种不同的焊锡合金，第

二面的锡膏的熔点较低。

第三个方法是企图在炉内装配板的顶面和底面之间产生一个温

度差。可是，由于温度差，基板Z轴方向产生的应力可能对PCB

结构，包括通路孔和内层，有损耗作用。在有些应用中，虽然这

种应力可能是有名无实的，但还是需要小心处理。

事实上，有更实际的解决办法。人们不要低估熔化金属的粘性能

力 — 它远比锡膏的粘性强。 记住这一点，元件绑解的表面积

越大，保持它掉落的力就越大。

为了决定哪些元件可用作底面贴附与随后的“回流”，导出

了一个比率，评估元件质量与引脚/元件焊盘接触面积之间的关

系

2

：

元件重量(克)

焊盘配合的总面积(平方英寸)

这里，第二面的每平方英寸克必须小于或等于30。

侵入式焊接(Intrusive Soldering)

波峰焊接是一个昂贵的工艺，因为伴随着越来越多的对其废

气排放的研究 — 这也是工业为什么要减少波峰焊接需求的一

个理由。另一个理由是随着表面贴装元件(SMD)的使用，放用回

流焊接传统通孔元件(特别是连接器)的兴趣越来越多。取消波峰

焊接不仅经济上和制造上有好处，而且消除了一个处理中心，通

过减少周期时间和占地面积使得装配线更流畅。从工艺观点来

看，PCB减少一次加热过程，这一点对潜在的温度损害和金属间

增长是很重要的。

侵入式焊接(即通孔回流through-hole reflow、单中心回流焊

接single-center reflow soldering、引脚插入锡膏pin-in-paste，等)

是一个表面贴装和通孔元件都在回流焊接系统中焊接的工艺。采

用该工艺可减少波峰和手工焊接。这不是一个“插入式(drop-in)”

的工艺 #151; 因为沉积的焊锡用来连接SMD和传统两种元件，

控制锡量是必须的。

有人用模板(stencil)来将锡膏印刷到孔内。这里，小心是很

重要的，以保证插入的通孔元件引脚不会带走太多的锡膏。其它

的使用者将焊锡预成型结合到工业中，来提供足够的锡量给插入

的元件。可是，这是一个昂贵的选择，并且不太适合于自动过程。

一个更先进的方法是调节围绕电镀通孔周围的焊盘直径与几何

形状。最主要的问题是多少锡量才达到“足够的”通孔连接(以

及“最佳的”锡膏沉积方法)，该工艺还处在试验阶段。

侵入式焊接(Intrusive soldering)也要求回流系统比平常多的

加热能力。工艺中增加的通孔元件数量对回流系统的热传送效率

的要求更高。许多混合技术装配的复杂表面几何形状要求一个很

高的热传送系数，以可接受的温度差来充分地回流装配。虽然大

多数对流为主的炉可胜任这个任务，在某些装配上的某些元件的

热敏感性可能阻碍其通过回流焊系统。这个情况可能在使用较高

熔点的无铅焊锡时，变得更富挑战性。可是，对大多数应用，侵

入式焊接具有很大的吸引力，理所当然应该得到考虑。

结论

虽然本文重点在量的回流焊接上面，但相同的原则与惯例对

其它的(选择性的)回流工艺，包括激光，都是可应用的。虽然回

流焊接是一个高要求的工艺，但它不是“火箭科技” — 必须控

制但非常可受的。适当的设备与材料选择，以及理解主要的热、

化学和冶金的工艺，将向高合格率的焊接工艺迈出一大步。

溅锡的影响减到最小

罗丝.伯恩逊、大卫.斯比罗里和杰弗里.安卫勒(美)

在回流之后，内存模块的连接器“金手指”可能出现溅锡的

污染，这意味着产品的品质和可靠性问题和制造流程问题。

溅锡只是表面污染的一种，其它类型包括水渍污染和助焊剂

飞溅。这些影响较小，但由于焊锡飞溅，焊锡已实际上熔湿了“金

手指”的表面。

“小爆炸”

溅锡有许多原因，不一定是回流焊接时热的或熔化的焊锡爆

发性的排气结果。例如，通过观察过程，以保证锡膏丝印时的最

佳清洁度，溅锡问题可以减少或消除。

任何方法，如果使锡膏粉球可能沉积在金手指上，并在回流

过程时仍存在，都可以产生溅锡。包括：

在丝印期间没有擦拭模板底面(模板脏)

误印后不适当的清洁方法

丝印期间不小心的处理

机板材料和污染物中过多的潮汽

极快的温升斜率(超过每秒4° C)

在后面的原因中，助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊接点中

的小爆炸，促使焊锡颗粒变成在回流腔内空中乱飞，飞溅在PCB

上，污染连接器的“金手指”。PCB材料内夹住潮气的情况是一

样的，和助焊剂排气有相同的效果。类似地，板表面上的外来污

染也引起溅锡。

溅锡的影响

虽然人们对溅锡可能对连接器接口有有害的影响的关注，还

没有得到证实，但它仍然是个问题，因为轻微的飞溅“锡块”产

生对连接器金手指平面的破坏。这些锡块是不柔顺的，锡本身比

金导电性差，特别是遭受氧化之后。

第一个最容易的消除溅锡的方法是在锡膏的模板丝印过程。

如果这个过程是产生溅锡的原因的话，那么通过良好的设备的管

理及保养来得到控制，包括适当的丝印机设定和操作员培训。如

果原因不在这里，那么必须检查其它方面。

水印污染：其根本原因还未完全理解，虽然可能涉及许多根

源。因为已经显示清洁的、未加工的、无锡膏的和没有加元件的

板，在回流后也会产生水印污染，所以其中包括了许多的原因：

PCB制造残留、炉中的凝结物、干助焊剂的飞溅、清洗板的残留

和导热金的变色等。

水印污染经常难于发现，但其对连接器接口似乎并无影响。

事实上内存模块的使用者并不关心这类表面污染，常常看作为金

的变色。

助焊剂飞溅：一般理解为，助焊剂水滴在回流炉中变成空中

乱飞，分散和附着在整个板上，包括金手指。有两种理论试图说

明助焊剂飞溅：溶剂排放理论和合并理论(丝印期间的清洁再次

认为有影响，但可控制)。

溶剂排放理论：认为锡膏助焊剂中使用的溶剂必须在回流时

蒸发。如果使用过高温度，溶剂会“闪沸”成气体(类似于在热

锅上滴水)，把固体带到空中，随机散落到板上，成为助焊剂飞

溅。

为了证实或反驳这个理论，使用热板对样板进行导热性试

验，并作测试。使用的温度设定点分别为190° C，200° C和

220° C。膏状的助焊剂(不含焊锡粉末)在任何情况下都不出现

飞溅。可是，锡膏(含有粉末的助焊剂)在焊锡熔化和焊接期间始

终都有飞溅。表一和表二是结果。

表一、溶剂排气模拟试验

测试描述 材料 结果

在试样上没有明显的

助焊剂飞溅，第二次结

果相似

助焊剂载体(无粉末)印助焊剂载体B

于铜箔试样，放于设定助焊剂载体D

为190° C、200° C

和220° C的热板上

将锡膏印于铜箔试样，锡膏B：90%金属含量，两种金属含量都可以

放于设定为190° C、Sn63/Pb37，-325/+500 看到助焊剂飞溅， 金属

200° C和220° C锡膏D：92%金属含含量较高的产生飞溅

的热板上回流 量，Sn63/Pb37，可能较少，但很难说。

-325/+500 第二次结果相似

助焊剂A：Kester244，助焊剂B：92，助焊剂C：92J，助焊剂D：

51SC，助焊剂E：73D，助焊剂F：75

表二、从金属焊接中的助焊剂飞溅模拟试验

测试描述 材料 结果

锡膏(有粉末)印于铜箔锡膏B，90%，在所有温度设定上，锡

试样，放于设定为Sn63/Pb37，-325/+500 膏 B明显比锡膏D湿

190° C、200° C和锡膏

220° C的热板上

D，90%，润较快，结合更积极，

Sn63/Pb37，-325/+500 结果助焊剂飞溅较多

也看到锡膏D在所有

温度上的助焊剂飞溅，

但比锡膏程度要小

温度越高，飞溅越厉害

保温区(干燥)模拟--锡锡膏B，90%，在较高温度下保温超

膏印于铜箔试样，在设Sn63/Pb37，-325/+500 过 2分钟，减少或消除

定不同的温度热板上

预热不同的时间，保温

范围150° C~170°

C，时间1~4分钟。试

样然后转到第二块热

板上，以220° C回

流，并观察助焊剂飞

溅。

Sn62的锡膏和Sn63的锡膏B：90%金属含量，Sn62和Sn63都观察到

锡膏比较，看是否Sn63/Pb37，-325/+500 助焊剂飞溅， 飞溅数量

Sn62较慢的结合速度锡膏

会减少飞溅

B：90%，的差别肉眼观察不出，

，观察到Sn62的结合速

了助焊剂飞溅

Sn62/Pb36/Ag2

-325/+500 度较慢

助焊剂A：Kester244，助焊剂B：92，助焊剂C：92J，助焊剂D：

51SC，助焊剂E：73D，助焊剂F：75

可以推断，如果助焊剂沸腾引起飞溅，那么当助焊剂单独加

热时应该看到。可是，由于飞溅是在焊锡结合时观察到的，这里

应该可找到其作用原理。测试说明溶剂排气理论不能解释助焊剂

飞溅。

结合理论：当焊锡熔化和结合时熔化材料的表面张力―一个

很大的力量―在被夹住的助焊剂上施加压力，当足够大时，猛烈

地排出。这一理论得到了对BGA装配内焊锡空洞的研究的支持，

其中描述了表面张力和助焊剂排气之间的联系(助焊剂排气率模

型)。因此，有力的喷出是助焊剂飞溅最可能的原因。接下来的

实验室助焊剂飞溅模拟说明了结合的影响，甚至当锡膏在回流前

已烘干。尽管如此，完全的烘干大大地减少了飞溅(表三)。

表三、来自金属结合的助焊剂飞溅模拟―烘干研究

温度

150oC

160oC

170oC

一分钟 二分钟 三分钟

无飞溅

无飞溅

无飞溅

四分钟

无飞溅

无飞溅

无飞溅

观察到飞溅 1-2飞溅

1-2飞溅

无飞溅

无飞溅

无飞溅

用锡膏B 90% Sn63/Pb37 合金作试验

熔湿速度

因为结合模型看来会成功，所以调查了各种材料的熔湿速度。

熔湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境的影响。如

图一所说明，温度对熔湿速度有戏剧性的影响，温度越高，速度

越快。

图一、一种焊锡配方在不同温度测试的熔湿速度，影响因素包括

合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境。

李宁成博士在其论文，“通过缺陷机制分析优化回流曲线”

中说，惰性气体(氮)也会增加熔湿速度。SMT专栏作家珍尼.黄

博士和其它人的报告说，共晶合金的熔湿速度倾向于比非共晶材

料快。因此，Sn63/Pb37一般比Sn62/Pb36/Ag2熔湿速度更快。

影响熔湿、从而影响结合和潜在飞溅的因素如表四所示。

表四、可能引起溅锡的因素

因素

助焊剂载体

活性剂

机制 对飞溅的影响

不同的活性剂在回流快速的结合将增加助

时提高不同程度的湿焊剂被夹住的可能性，

润和结合速度 将可能增加受夹助焊

剂的压力，因此引起助

焊剂爆发性的排出。

助焊剂载体溶剂溶剂类型和含量将影增加溶剂含量将引起

及其含量 响预热期间烘干程度 受夹住焊剂更激烈的

排出

合金类型 合金影响回流期间的快速的结合将增加助

湿润和结合速度 焊剂被夹住的可能性，

将可能增加受夹助焊

剂的压力，因此引起助

焊剂爆发性的排出。

回流气氛 惰性(氮)环境增加回快速的结合将增加助

流期间的湿润和结合焊剂被夹住的可能性，

速度 将可能增加受夹助焊

剂的压力，因此引起助

焊剂爆发性的排出。

焊锡熔化温度 更高的熔化温度增加快速的结合将增加助

回流期间的湿润和结焊剂被夹住的可能性，

合速度 将可能增加受夹助焊

剂的压力，因此引起助

焊剂爆发性的排出。

溅锡的解决方案

预防：防止溅锡沉积的一个方法就是在金手指上涂敷一层可

驳除的阻焊层，在丝印锡膏后涂敷，回流后拿掉。这个方法还没

有印证，可能成本高，因为牵涉手工作业，涂敷板上选择性区域

会造成困难，中断生产流水作业。另外可选择在金手指上贴临时

胶带。这个方法也有同样的缺点。

最小化：优化助焊剂载体的化学成份，和回流温度曲线，将

溅锡减到最低。为了证明这一点，得到内存模块制造商的支持，

通过评估对材料和回流温度曲线优化的影响，来评价表准锡膏系

统。清楚地表明活性剂、溶剂、合金和回流温度曲线对溅锡程度

有重要影响。因此，有信心着手解决问题，这些参数的适当调整

可以将溅锡减到最小。

非标准材料，如聚合助焊剂系统由于成本高、货架寿命丝印

寿命短、工艺变化范围小、并返工困难，不包括在本研究范围。

但是，聚合助焊剂有希望最终提供一个可能最小化的溅锡解决方

案，因为潜在的飞溅材料在温度激化的聚合过程中被包围。因此，

没有液体助焊剂留下来产生飞溅。

测试样板是一块六个小板的内存模块，没有贴装元件。(已

发现元件回减小溅锡的影响，因为元件会阻隔助焊剂从金手指上

排出)。现有生产材料和温度曲线作基本的试验条件(表五)。生产

电路板的飞溅水平大约每100块组合板有一个飞溅锡球。两个工

程师通过20倍的显微镜观察所有的板，以评估溅锡程度。

表五、测试材料

助焊剂载描述

体

相对湿溶回流环境 溶剂挥

润速度 剂

含

量

助焊剂A 现有生产材料(内未知 中 推荐惰性 高

存模块制造商的)

中等残留，RMA

型

助焊剂B 高级、高性能、长快

丝印寿命，中等残

留

助焊剂C 高级、高性能、长快

丝印寿命，中等残

留

助焊剂D 高性能、RMA型，慢

长丝印寿命，中等

残留

助焊剂E 低残留，高溶剂含慢

量，空气或氮气回

流

高 推荐惰性 中

中 空气或惰性 低

中 空气或惰性 低

中 空气或惰性 低

发性

助焊剂F 极低残留，惰性回慢

流

高 惰性 中

助焊剂A: Kester244, B: 92, C: 92J, D:51SC, E: 73D, F:75

在线研究中使用不同特性的表准锡膏。根据其不同的湿润速度和

溶剂性能来选择这些材料。为减少研究中的变量参数，所有锡膏

使用同一种合金：Sn63/Pb37，粒度-325/+500目。

最小化试验结果

回流温度曲线的选择：试验期间得到明确，回流曲线和材料

类型两者都必须调整以使飞溅最小。测试使用的两条主要的回流

曲线不同在于其保温区的特性。没有平坦保温区的线性上升温度

曲线(图二)结果是所有材料都存在一些溅锡，在原来的生产材料

上增加了溅锡。因此，这个曲线形状没有作继续研究。基于飞溅

机制的假设，这个线性的曲线没有充分烘干助焊剂。

一个更有前途的基本曲线形状包括一个160oC的高温保温(烘

干)，以蒸发所有溶剂(图三)。这种溶剂失散增加助焊剂剩余的粘

性，减少挥发成份，因此减少飞溅。可是，这样烘干的潜在问题

包括熔湿变差和产生空洞。使用惰性气体(氮气)可以帮助改善熔

湿和减少空洞，但对飞溅却无效果。这个曲线也是一个“长”曲

线，消除了过快温升率的需要(最高每秒175oC)。

图二、线性温升曲线，没有保温平台区，对任何焊锡和助焊剂材

料都造成一些溅锡

图三、有一个高温保温区的温度曲线，溶剂的消失提高余下的助

焊剂粘性，因此减少溅锡

所有温度曲线研究的结果在图四和表六中总结。光板上测

得的飞溅程度，在已贴装元件的生产板上大大减少。估计表明，

光板上少于10-20个飞溅锡球，将在贴装元件板上不产生飞溅。

因此，助焊剂类型D，E和F(表五)都提供了可行的溅锡解决方

案。D型助焊剂载体有其它有点，工艺范围大和可以空气回流。

三种材料的特点都是熔湿速度慢，但溶剂种类不同，这显示所有

溶剂都可以有效烘干，熔湿速度才是助焊剂飞溅的关键因素。

图四、每一种材料在内存模块六合一板上的飞溅结果。

Series1: 平坦、滞色的助焊剂小滴数量

Series2: 有形、光泽的助焊剂小滴数量

表六、材料研究结果

锡膏类型

助焊剂A

助焊剂A

助焊剂B

助焊剂B

助焊剂B

助焊剂B

助焊剂B

助焊剂B

助焊剂C

Series1

0

0

12

4

0

0

0

0

2

Series2

34

42

5

20

21

21

21

29

7

带速

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

环境

氮气

氮气

氮气

氮气

空气

空气

空气

空气

空气

助焊剂C

助焊剂D

助焊剂D

助焊剂D

助焊剂D

助焊剂E

助焊剂E

助焊剂F

助焊剂F

0

0

0

0

0

0

0

2

1

35

0

2

2

4

3

3

0

0

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

26”/min

空气

空气

空气

空气

空气

空气

氮气

氮气

氮气

助焊剂A: Kester244; B: 92; C: 92J; D: 51SC; E: 73D; F: 75

检查与清洁

如果在清洁的连接器内产生溅锡，那么检查和清洁是对溅锡

的昂贵和费时的改正行动。当然，通过锡膏残留中配方的变化，

检查可以通过染色和荧光化学品来简化。清洁也可以用适当的残

留构思来改进。不幸的是，和预防措施一样，成本和时间使得检

查和清洁是人们所不希望的。

结论

锡膏结合正确的温度曲线，可以达到实际消除焊锡和助焊剂

的飞溅。相对易挥发溶剂含量高和熔湿速度慢的锡膏可达到最好

的效果。遮盖连接器手指和检查与清洁可提供临时的解决办法，

但没有找到溅锡的根本原因。

少一些普通工艺问题

By Craig Pynn

欢迎来到工艺缺陷诊所。这里所描述的每个缺陷都将覆盖特

殊的缺陷类型，将存档成为将来参考或培训新员工的一个无价的

工艺缺陷指南。

大多数公司现在正在使用表面贴装技术，同时又向球栅阵列

(BGA)、芯片规模包装(CSP)和甚至倒装芯片装配迈进。但是，

一些公司还在使用通孔技术。通孔技术的使用不一定是与成本或

经验有关 - 可能只是由于该产品不需要小型化。许多公司继续

使用传统的通孔元件，并将继续在混合技术产品上使用这些零

件。本文要看看一些不够普遍的工艺问题。希望传统元件装配问

题及其实际解决办法将帮助提供对在今天的制造中什么可能还

会出错的洞察。

静电对元件的破坏

从上图，我们使用光学照片与扫描电子显微镜(SEM, scanning

electron microscopy)看到在一个硅片表面上的静电击穿。静电放

电，引入到一个引脚，引起元件的工作状态的改变，导致系统失

效。在实验室对静电放电的模拟也能够显示实时发生在芯片表面

的失效。如上面的照片所示，静电可能是一个问题，解决办法是

一个有效的控制政策。手腕带是最初最重要的防御。

树枝状晶体增长

树枝状结晶发生在施加的电压与潮湿和一些可离子化的产

品出现时。电压总是要在一个电路上，但潮湿含量将取决于应用

与环境。可离子化材料可能来自印刷电路板(PCB)的表面，由于

装配期间或在空板制造阶段时的不良清洁。

如果要调查这类缺陷，不要接触板或元件。在失效原因的所

有证据毁灭之前，让缺陷拍成照片并进行研究。污染可能经常来

自焊接过程或使用的助焊剂。另一个可能性是装配期间带来的一

般操作污垢。 工业中最普遍的缺陷原因来自助焊剂残留物。

在上面的例子中，失效发生在元件的返修之后。这个特殊的

电话单元是由一个第三方公司使用高活性助焊剂返修的，不象原

来制造期间使用的低活性材料。

焊盘破裂

当元件或导线必须作为一个第二阶段装配安装时，通常使用

C 形焊盘。例子有，重型元件、线编织或不能满足焊接要求的元

件。在某些情况中，品质人员不知道破裂的原因，以为是PCB

腐蚀问题。

上面的照片是一个设计陷井，不是PCB缺陷。在焊盘上存

在两个破裂，但只有一个需要防止焊接并且通常防止焊接过程的

方向。

锡球

锡球是对于任何引入免洗技术的工程师的一个问题。为了帮

助控制该问题，他必须减少其公司使用的不同电路板供应商的数

量。通过这样，他将减少使用在其板上的不同阻焊类型，并帮助

孤立主要问题 - 阻焊层。

锡球可能由许多装配期间的工艺问题引起，但如果阻焊层不

让锡球粘住，该问题就解决了。如果阻焊类型不允许锡球粘住表

面，那么这就为工程师打开工艺窗口。锡球的最常见的原因是在

波峰表面上从助焊剂产生的排气，当板从波峰处理时，焊锡从锡

锅的表面弹出。

IC座的熔焊点

集成电路(IC)引脚之间的焊锡短路不是那么常见，但会发生。

一般短路是过程问题太高的结果。这种问题可能来自无钱工艺，

必须为将来的工艺装配考虑。

在座的引脚和/或IC引脚上使用锡/铅端子，增加了短路的可

能性。零件简直已经熔合在一起。问题会变得更差，如果改变接

触表面上的锡/铅厚度。如果我们全部使用无铅，在引脚和座的

引脚上的可熔合涂层将出现少，问题可以避免。该问题也可以通

过不预压IC来避免。

焊点失效

单面焊接点的可靠性是决定于焊锡数量、孔对引脚的比率和

焊盘的尺寸。上面的例子显示一个失效的焊点，相对小的焊点横

截面。

该例中的孔对引脚比率大，造成焊点强度弱。随着从引脚到

孔边的距离增加，横截面上焊接点的厚度减少。如果有任何机械

应力施加于焊接点，或者如果焊接点暴露于温度循环中，其结果

将类似于所显示的例子。是的，你可以增加更多焊锡，但这只会

延长寿命 - 不会消除问题。这类失效也可能由于对已经脆弱的

焊接点的不当处理而发生。

不完整焊接圆角

上面的照片显示一个单面板上的不完整焊接圆角的一个例

子。这个缺陷的发生，由于许多理由。不完整的焊接圆角由不当

的孔与引脚的比率、陡峭的传送带角度、过高的波峰温度和焊盘

边缘上的污染所引起。照片显示不当的孔与引脚比率的一个清楚

的例子，这使得该联系的大量焊接很难达到。引脚对孔的比率的

设计规则是引脚尺寸加上至少0.010"(0.25mm)。加上

0.015"(0.38mm)的孔在焊接期间还可得到满意的焊点。一个经常

忘记的问题是，随着引脚对孔的比率增加，焊接点的尺寸减少，

这正影响焊点的强度和可靠性。

上面的例子也显示铜焊盘上的去毛刺。在钻孔或冲孔期间，

板面上的铜已经在某些区域倾斜，使得焊接困难。如果松香从或

者基板或者基板与铜焊盘之间的结合点上涂在焊盘边缘上。

无铅焊接工艺要求

By Carmen 无铅焊丝对应的新的手工焊接工具要求

1． 含铅焊接材料对环境的影响：

由于Pb是一种有毒的金属，对人体有害。并且对自然环境有很

大的破坏性。

2． 无铅焊接的起源：

由于环境保护的要求，特别是ISO14000的导入，世界大多

数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅的成分。

日本在2004年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生

产设备。欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电

子生产设备。据估计，中国没有多久也将采用无铅焊接。

因此，在这种情况下，电子材料开始生产无铅焊料。例如：

美国 Alpha metal焊丝：reliacore 15的主要组成成分为S nAgCu.

3． 焊丝的氧化速度特性示意图

假设：lA． 焊丝在室温24℃的氧化速度的数值＝5。

B． 焊丝在其他温度下的氧化速度的数值＝该温

度氧化速度/室温 24℃的氧化速度×5。

说明：焊料的成分不同，氧化速度不一样。如需详细了解焊

料的氧化特性，请向供应商联系

4． 有铅焊丝及无铅焊丝的区别：

一：成分区别

通用6337焊丝组成比例为：63％的Sn；37％的Pb。l

无铅焊丝的主要组成（Alphal metal的reliacore 15一种

SnAgCu为例）： 96.5%Sn；3.0％Ag；0.5％Cu

二：熔点及焊接温度：

温度 焊丝种类 熔点 焊接温度

6337焊丝 183℃ 350℃

无铅焊丝 220℃ 390℃

5． 使用无铅焊丝，采用现有焊台将产生的影响（以HAKKO936/

WES51为例）

温度 焊丝种类 熔点 焊接温度 焊接速度

6337焊丝 183℃ 350℃ 大约4秒/个

无铅焊丝 220℃ 390℃ 大约6秒/个

产生问题lA． 焊点的氧化严重，造成导电不良、焊点脱落、

焊点不光泽等质量问题。

B． 工厂的产能下降。

6． Weller@，Hakko @,Metcal@等主要焊台生产厂家的解决方

案

A． Hakko的解决方案：（代表产品：Hakko931; Hakko941）

l 提高焊台的功率：从60W提高到100W

l 提高焊笔的导热性能：改变焊笔的结构，将烙铁头与发

热体做成整体。

缺点：由于烙铁头与发热体整体化，使用户使用成本出现

巨大提高。HAKKO931的烙铁头售价为360元/个

B． Metcal的解决方案：（代表产品：MX500; SP200） 提高

焊台的功率：从 60W提高到100Wl

l 提高焊笔的导热性能：改变焊笔的结构，将烙铁头与发

热体做成整体。

缺点：由于烙铁头与发热体整体化，使用户使用成本出现

巨大提高。Metcal的烙铁头售价为160元/个

C． Weller 的解决方案：（代表产品：WS81； WSD81） 提

高焊台的功率：从50W提高到80Wl

l 提高焊笔的导热性能：改变导热材质。由一般合金改为

贵金属，极大提高导热性能。

优点，基本不增加用户的使用成本

7． 争论：在使用焊台的时候，是否需要氮气保护和提供预热：

根据个人观点，不需要提供氮气保护和提供预热。

因为改用新的焊台，每一个焊点需要的时间一般只有3

秒，因此已经达到并超过有铅焊接的工艺标准，因此，不

需要