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回流焊工艺

大面积薄板回流焊工艺的优化设计

发布时间:2015-02-04  新闻来源:

随着电子产品的发展,要求散热、信号屏蔽或者信号收发的电子产品中需要进行大面积焊盘的对焊。目前常使用方形开孔印刷焊膏,再进行回流的方法实现对焊。但由于回流焊时,助焊剂中的挥发物难以及时溢出,从而造成了焊缝中大量残留气孔等缺陷,造成焊料填充不匀,不同位置散热性能不致,焊接质量不能满足要求。目前已经有学者在模版设计和印刷技术方面做了些研究,也有学者对回流焊工艺进行了调整试验,试图实现对回流焊的高可靠性控制。但这些研究都只针对于电子封装域,而对于电子器材内面积超过1 000 mm2的大面积焊盘间的焊接还鲜有报道。在焊接面的质量检测方法上,除了常规的显像设备,有学者提出用激光全息检测印刷电路板钎焊缺陷[8]。笔者尝试使用X 射线断层扫描对焊接面进行检测分析,研究不同印刷工艺和回流工艺对回流焊后焊面焊接质量的影响。

1 试验

先研究了不同印刷模版设计对焊接质量的影响,分别设计面积相等的方形孔和圆形孔两种网格的印刷模版。

中方形孔为边长0.27 mm 的正方形,圆形孔为直径0.3mm 的圆,焊点中心间距均为1 mm,钢片模版厚度为0.1mm。印刷后焊点呈矩阵式非连续排布。

回流焊过程中使用夹具对焊盘进行固定并施加预应力。为解决助焊剂反应过程中的气体排出问题,设计了种分步印刷工艺,在占待焊端面80%的中心区域先印刷熔点为191 ℃的低熔点焊膏,再在剩余20%的周边区域印刷熔点为223 ℃的焊膏。进行回流焊时,采用三段式加热曲线,预热温度温区选择在130~175 ℃,低熔点焊料熔化平台选择为215 ℃,保证高熔点焊膏此时处于固态,起保持待焊表面间隙的支撑作用,高熔点焊料加热平台选择为245 ℃,并保持定时间,实现气体的充分排出和焊料的流动填充,完成焊接。

焊盘间的焊接质量检测采用Y CTPRECISION S X 射线断层扫描仪进行。采用Image-Pro Plus 软件对获得的断层图像进行分析,先对图像进行二值化处理,取个介于两者间的灰度作阈值,将这个图像转化为黑白二色,然后统计焊接面的孔隙率。

2 结果与分析

2.1 不同印刷模版开孔设计的影响

先,通过对两种不同开孔的网板印刷及回流后的焊板进行外观检查,主要是焊料层边缘的检查,没有发现焊料外溢或者焊料不足现象,焊后焊料与焊接平面边缘保持致,这说明通过夹具施加预应力以抵抗焊料熔化后产生的表面张力是必要的。需要注意的是,为保证焊接面厚度为0.07 mm,焊接平面印刷的焊料用量是经过计算设计的,由此而确定印刷钢网的厚度和开孔大小。

对不同印刷点阵的焊接面进行了 X 射线断层扫描分析。

回流焊不同印刷点阵的焊接面X 射线断层扫描照片

可以看出,方形焊点获得的焊接面形成大量褶皱状孔洞,有大量孔洞发生合并形成了大面积缺陷。采用圆形焊点获得的焊接面也出现了部分缺陷,主要是呈孤立的圆形孔洞。两种开孔设计获得的焊接面缺陷都集中在中间部位,边缘缺陷都较少,这主要是由于内部气体在回流焊过程中法及时排除,在随后的冷却过程形成这些气孔,而边缘气体易于排除,焊接面缺陷明显减少。两种印刷都采用非连续分布的焊膏结构,内部形成大量二维扩散通道,回流焊加热时有利于使形成的气体及时溢出,减少焊缝中的孔洞等缺陷。通过对比两种方法焊接面孔隙率,可以看出采用圆形开孔印刷的焊面孔隙率比采用方形开孔的减少了23.5%。相等面积时,圆形点阵与方形点阵相比,四个相邻焊点间的空隙更大,有利于气体沿多个方向排除。同时焊点与焊点间的间距变小,进步促进熔融焊料合并,从而减少缺陷。

2.2 不同印刷和回流工艺的影响

为研究不同印刷和回流工艺的影响,采用圆形孔模版,并且都采用三段式加热曲线,对比普通印刷和分步印刷焊接面的X 射线断层扫描照片。可以看出普通印刷焊接面缺陷主要集中在中心部位,以大的圆形孔洞为主,而采用分步印刷获得的焊接面缺陷呈细小点状或长条状分布,分布比较均匀。从孔隙率数据也可以看出,分步印刷产生的缺陷数量较普通方法也更少些,孔隙率减少10.6%。

还可以看出,普通印刷方法缺陷易集中于心部,不仅缺陷数量多,而且易于合并形成更大的缺陷。对于这种面与面进行对焊的器件,焊接主要为了获得连接和散热作用,少量的点状缺陷并不影响其使用性能,但如果缺陷过于集中就可能造成不同位置散热性能不致,导致局部过热,影响其使用性能。分析形成缺陷的原因,是助焊剂挥发的气体不能及时排除,被凝固的焊料封堵,二是由于施加应力不平均,导致上下两个平面变形,在器件中部间距增加,从而造成焊料不足。

为使焊接平面中心的焊膏在坍塌时有足够的时间和空间排除助焊剂中挥发出的气体,本文提出了这种分区焊接的新工艺,在焊面的中心区域印刷低熔点焊料,在焊面边缘印刷高熔点焊料。这样在回流焊时,边缘焊膏具有更高的熔点,在熔化坍塌前可以作为支点,支撑两个对焊表面,保留气体外溢的空间和通道,让中心区域的气体尽量排出。在回流焊时,针对不同熔点的焊膏制定三段式升温曲线,

与普通升温曲线的区别在于设定了个中温加热段,中温加热平台的温度范围介于高熔点焊料和低熔点焊料的熔点间,从工艺上保证了在高熔点焊料熔化前,中心区域的低熔点焊料有充分的时间铺展和排出气体。从试验结果来看,大尺寸缺陷显著减少,小尺寸缺陷分布更加均匀,焊接质量显著改善,提高了器件散热的可靠性和效率。

普通印刷回流焊分步印刷三段式回流焊

然而,小尺寸缺陷并未完全消失。通过 X 射线CT 进步检测了缺陷的厚度,其结果所示,颜色越深表示缺陷厚度越大。采用普通印刷回流工艺形成的大面对焊面上,中心区域出现了厚度大的缺陷(深色区域),即形成了虚焊。而采用分布印刷和三段式回流工艺进行焊接,中心部位的焊接质量大大改善,厚度大缺陷(深色区域)出现在靠近边缘的部位,但并不对称,可能是夹具局部施加的压力不够导致。因此,表面分布焊接的设计达到了预期效果,但夹具设计仍需进步改进。

3 结论

使用方形孔模版印刷获得的焊接面形成大量褶皱状孔洞,孔洞易合并形成更大缺陷。而使用圆形孔模版设计产生的焊接面缺陷以圆形孔洞为主,孔隙率减少23.5%。采用分步印刷结合三段式升温方法制备的焊接面不仅缺陷数量减少,而且孔洞不易合并,分布较均匀,提高了焊接的可靠性。

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