回流焊設(shè)備的工藝
*近幾年，SMT生產(chǎn)技術(shù)已發(fā)生了巨大的變化，其中：生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的改變，新型焊膏的利用、不同基材的出現(xiàn)，以及元器件本身材料和設(shè)計的革新都使得熱處理工藝不斷發(fā)展。新型元器件的設(shè)計動力是來自于產(chǎn)品小型化的不斷驅(qū)使。這些新型元器件封裝包括：BGA（球柵陣列）、COB（裸芯片）、CSP（微型封裝）、MCM（多芯片模塊），以及flip chip（倒裝片）等。產(chǎn)品小型化回流焊使得元器件越做越小，并使管腳數(shù)增加，使間距變小。另外為減少成本，免清洗和低殘留焊膏使用的更加廣泛，與之相應(yīng)的是氮?dú)獾氖褂靡搽S之增加。
    市場對手持式電子產(chǎn)品的不斷需求始終是一個強(qiáng)大的驅(qū)動力，它使得封裝工藝必須適應(yīng)這些產(chǎn)品的技術(shù)要求。因此更小、更密、更輕的組裝技術(shù)，以及更短的產(chǎn)品周期、更多、更密的I/O引線，更強(qiáng)的可操控性----都把回流焊技術(shù)提到一個新的層次上來討論。同時也對熱處理工藝的控制手段和設(shè)備提出了新的要求。
    考慮到這些壓力，我們提出了一個簡單的設(shè)想圖，其中的一些方案可以回答回流焊工藝今后會遇到的挑戰(zhàn)。
  
氮?dú)舛栊员Ｗo(hù)
   
    使用惰性氣體，一般采用氮?dú)猓@種方法在無鉛回流焊工藝中已被采用了相當(dāng)長的一段時間，但它的價格還是一個問題。因為惰性氣體可以減少焊接過程中的氧化，因此，這種工藝可以使用活性較低的焊膏材料。這一點對于低殘留物焊膏和免清洗尤為重要。另外，對于多次焊接工藝也相當(dāng)關(guān)鍵。比如：在雙面板的焊接中，氮?dú)獗Ｗo(hù)對于帶有OSPs的板子在多次回流工藝中有很大的優(yōu)勢，因為在N2的保護(hù)下，板上的銅質(zhì)焊盤與線路的可焊性得到了很好的保護(hù)。使用氮?dú)獾牧硪粋€好處是增加表面張力，它使得制造商在選擇器件時有更大的余地（尤其是超細(xì)間距器件），并且增加焊點表面光潔度，使薄型材料不易褪色。
   
    真正*大的好處是降低了成本。氮?dú)獗Ｗo(hù)的費(fèi)用取決于各種各樣的因素，包括氮?dú)庠诨亓骱笝C(jī)器中使用的位置，氮?dú)獾睦寐实?。?dāng)然，我們通常感覺氮?dú)庀氖且环N工藝過程中額外的費(fèi)用，因此總是想方設(shè)法減少氮?dú)獾南?。目前焊膏的化學(xué)成份也在不斷的改進(jìn)提高，以便將來的工藝中不再使用氮?dú)獗Ｗo(hù)；或者至少在較高的O2濃度值下（比如：1000ppm對比目前為50ppm）取得良好的焊接效果，以便減少氮?dú)獾挠昧俊τ谑欠袷褂玫獨(dú)獾谋Ｗo(hù)，我們必須綜合考慮許多問題，包括：產(chǎn)量要求的質(zhì)量等級，以及每一對應(yīng)的氮?dú)庀馁M(fèi)用。使用氮?dú)馐怯匈M(fèi)用的問題，但是如果將它對提高產(chǎn)量與質(zhì)量所帶來的好處計算進(jìn)來，那么它的費(fèi)用是相對微不足道的。
   
    如果焊接爐不是強(qiáng)制回流的那一種，并且氣流是分層狀態(tài)，那么氮?dú)獾南氖潜容^容易控制的。但是，目前大多數(shù)爐的工作方式都是大容量循環(huán)強(qiáng)制對流加熱，爐體內(nèi)的氣流是在不停的流動，這給氮?dú)獾目刂婆c消耗提出了一個新的難題。一般，我們采取這幾種方法降低氮?dú)庥昧?。首先，必須減少爐體進(jìn)口的尺寸，尤其是垂直方向上的開口尺寸，使用遮擋板、卷簾幕，或者利用一些其它的東西來堵住進(jìn)出口的孔隙。由遮擋板、卷簾幕向下形成的隔離區(qū)可以阻擋氮?dú)獾耐庑?，并且使外部的空氣無法進(jìn)入爐體內(nèi)部，也有些回流爐是采用自動的滑動門來隔離空氣。另外一種方法是基于這樣一個科學(xué)概念：被加熱的氮?dú)鈱⑵∮诳諝庵?，并兩種氣體不會混合。因此，回流爐的加熱腔被設(shè)計成比進(jìn)出口的位置高一些，因為氮?dú)鈺匀坏呐c空氣分層，這樣便可以用很少的氮?dú)夤┙o量來保持一個較純的濃度。
  
雙面加工
   
    雙面板工藝越來越多的被采用，并且變得更加復(fù)雜。這是因為它能給設(shè)計者提供更大、更靈活的設(shè)計空間。雙面板大大加強(qiáng)了PCB的實際利用率，因此降低了制造成本。到目前為止，雙面板經(jīng)常采用的工藝是上面過回流爐，下面過波峰焊爐。今天大家都逐漸傾向于雙面都過回流爐是一種更佳的方法。但工藝上仍有一些問題，比如：再次回流時，底部較大的元件或許會掉下來，或者底部的焊點會部分重新熔化，以至于影響到焊點的可靠性。
   
    **面的元件上膠固化，使它在翻面過二次回流時不會從板上掉下來，并且保持正確的位置。另外一種方法是使用不同熔點的焊膏，其中**次回流時使用的焊膏熔點較**次的要低。但是使用方法有一些嚴(yán)重的問題需要注意：**個是造成了*后的成品在維修有一個“太低”的熔化溫度；**個是如果使用更高**的回流溫度又會造成對元器件和基板的熱沖擊。
    對于大多數(shù)元件來說，二次回流時，焊點熔錫的表面張力是足已維持元件在底部的粘力，使元件牢牢的固定在基板上。這里有一個元件重量與引腳（焊盤）張力的比例關(guān)系，它可以計算出元件在二次回流時能不能粘貼在基板底部而不會掉落，從而不用對每一個元器件都做實際的測試。30g/in2是一個保守值，可以作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。
   
    另外一個方法是采用一種概念：即將冷的氣體吹拂過基板底部，使底部的溫度在二次回流時始終達(dá)不到熔點，但是由于基板上下面的溫差可能會導(dǎo)致有潛在的應(yīng)力產(chǎn)生。雖然二次回流的工藝并不簡單，但許多問題都在被不斷解決掉，今后幾年內(nèi)，我們可以肯定的說，無論是在數(shù)量上還是在復(fù)雜程度上，高密度的雙面板都將有一個長遠(yuǎn)的發(fā)展。
  
通孔
   
    通孔回流焊（也稱插入式或帶引針式回流焊）工藝在*近一段時期內(nèi)應(yīng)用得越來越廣泛，因為它可以少過波峰焊這個工序，或者混裝板（SMT與THT）也會用到它。這樣做*主要的好處是可以利用現(xiàn)有的SMT設(shè)備來組裝通孔式的接插件，因為通孔式的接插件有較好的焊點機(jī)械強(qiáng)度。在許多的產(chǎn)品中，表面貼裝式的接插件不能提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度。另外，在大面積的PCB上，由于平整度的關(guān)系，很難使表面貼裝式的接插件的所有引腳都與焊盤有一個牢固的接觸。
   
    雖然好的工藝可以用來處理通孔回流焊，但仍有一些值得討論的問題。首先是通孔回流焊的焊膏用量特別大，因此在助焊劑揮發(fā)后形成的殘留物也很多，會造成對機(jī)器的污染，所以助焊劑揮發(fā)管理系統(tǒng)有尤為重要。另外一個問題是許多通孔元器件，尤其是接插件，并非設(shè)計成可以承受回流焊的高溫。
   
    基于紅外回流爐（IR）的經(jīng)驗，如果用在通孔回流焊上是錯誤的。因為它沒有考慮到熱傳遞效應(yīng)對于大塊元器件與幾何形狀復(fù)雜的元器件（比如有遮敞效應(yīng)的元器件）的不同，現(xiàn)有混裝經(jīng)常使用SMD與THT元器件。但對于強(qiáng)制熱風(fēng)回流爐來說，它有著極高的熱傳遞效率，并不依靠紅外輻射的高溫。因此在混裝產(chǎn)品中，普遍使用強(qiáng)制熱風(fēng)回流工藝。為了得到一個滿意的焊接效果，問題的關(guān)鍵是要確保通孔回流焊基板各部份的焊膏量都恰到好處，以及注意那些不能承受溫度變化與遮蔽效應(yīng)的元器件，這個工藝發(fā)展的主要方向還是在工藝的完善與器件的改良上。
  
柔性基板
   
    為了處理表面安裝柔性基板的焊接問題，一種專用的回流爐也被設(shè)計出來了，和一般回流爐*大的不同是在于它特殊的處理柔性基板的導(dǎo)軌。但是，這種回流爐也必須同時滿足已連續(xù)式的柔性PCB與分離式PCB的焊接需要。
   
    在處理分離式PCB基板時，回流爐的工作連續(xù)性并不受前道工序的影響。在卷式柔性基板的生產(chǎn)中，由于柔性基板是整條貫穿生產(chǎn)線，所以生產(chǎn)線上任何一處造成的停機(jī)都會使柔性基板帶停止傳遞。這樣就會產(chǎn)生一個問題：停在爐內(nèi)的柔性基板便會因高溫而遭到破壞。因此，這種特殊的爐必須允許這樣情況發(fā)生：可以處理停在爐內(nèi)的基板，并且在傳送帶恢復(fù)正常后立刻重新恢復(fù)正常的焊接操作。
  
無鉛焊膏
   
    雖然近幾年要求使用無鉛焊膏的壓力不象以前那樣大，但人們依然關(guān)心焊膏中的含鉛量與它對環(huán)境的影響，雖然電子業(yè)的鉛污染只占所有鉛污染量的百分之一以下，但有觀察家還是認(rèn)為有關(guān)禁止用含鉛焊膏的法律在今后幾年中將出臺。這樣就只能努力去尋找一種可靠、經(jīng)濟(jì)的替代品。許多代用品的熔點都比錫一鉛合金高大約40°C。這意味著回流爐需要工作在一個更高的溫度環(huán)境中，這時使用氮?dú)獗Ｗo(hù)可以部份的消除高溫所帶來的PCB氧化與破壞的影響。但是在實現(xiàn)無鉛生產(chǎn)前，工業(yè)界是必須走一段痛苦的學(xué)習(xí)過程來解決將會面臨的問題。
   
    目前大多數(shù)爐的設(shè)計工作溫度都在300°C以下，但無鉛錫膏、非低熔點錫膏，在用于BGA、雙面板、混裝板的生產(chǎn)時，常需要更高的溫度。有一些工藝在回流區(qū)的溫度需要350°C～400°C左右，因此必須改進(jìn)爐的設(shè)計方案以迎合這種需求。另一方面，進(jìn)入高溫爐的熱敏感元件必須做改進(jìn)，減少在進(jìn)行高溫操作時這些元件的受熱量。
  
垂直烘爐http://www.smtde.com    
    市場對產(chǎn)品小型化的要求使倒焊片與DCA（芯片直接焊裝）的應(yīng)用越發(fā)的廣泛。倒焊片技術(shù)是將芯片倒裝后用焊球?qū)⑵渑c基板直接焊接，這樣可以提高信號傳輸速度及減少尺寸。另一種是底部填充工藝，這是將填充材料灌注入芯片與基板之間的空隙中，這是因為芯片與基板材料之間膨脹系數(shù)不一致，而填充材料則能保護(hù)焊點不受這種應(yīng)力的影響。還有是球狀封頂以及圍壩填充技術(shù)，這兩種技術(shù)是用覆蓋材料將已焊接的裸芯片加以封裝的工藝。幾乎所有這幾種封裝材料都需要很長的固化時間，所以用在線式連續(xù)生產(chǎn)的固化爐是不實際的，平時大家經(jīng)常使用“批次烘爐”，但垂直烘爐的技術(shù)也趨于完善，尤其在加熱曲線比回流爐簡單時，垂直烘爐完全能夠勝任。垂直烘爐使用一個垂直升降的傳送系統(tǒng)作為“緩沖與累加器”，每一塊PCB都必須通過這一道工序循環(huán)。這樣的結(jié)果就是得到了足夠長的固化時間，而同時減少了占地面積。
   
    在目前*先進(jìn)的回流爐設(shè)計思想中，如何在增加產(chǎn)量的同時減少設(shè)備的維修量是一個關(guān)鍵的問題。隨著免洗焊膏與低殘留焊膏的大量使用。如何處理爐膏的助焊劑殘留物這個問題也相應(yīng)變得突出起來，因為這些焊膏內(nèi)有大量的高沸點的溶劑來取代原來的松香，以獲得理想的焊膏流變性。目前焊膏供應(yīng)商正在研究性能更加優(yōu)越的焊膏，但由于質(zhì)量與工藝認(rèn)證是一個費(fèi)工費(fèi)時的過程，所以它們的應(yīng)用經(jīng)常相對滯后。
   
    同時，助焊劑造成的污染也成為回流爐的一個重要課題。從焊膏中揮發(fā)出來的物質(zhì)重新凝結(jié)在機(jī)器冷卻區(qū)表面形成污染物，這在充氮保護(hù)設(shè)備中表現(xiàn)得尤為突出，想要通過抽氣口將揮發(fā)物抽走的方法在充氮爐中是不現(xiàn)實的。因為抽氣口會帶走大量有用的氮?dú)狻，F(xiàn)在新型的助焊劑管理系統(tǒng)采用的方法是讓氣流在機(jī)內(nèi)循環(huán)，經(jīng)過一個凝結(jié)過濾裝置，將助焊劑凝結(jié)在上面后除去，并將干凈的氣體（N2）放回爐內(nèi)。這套系統(tǒng)大大減少了助焊在冷卻區(qū)及其它地方的殘留量，并且使維修和除去污染物的工作可以在不停機(jī)的情況下進(jìn)行。
   
    從助焊劑管理系統(tǒng)出來的冷氣流重新回到冷卻區(qū)，對于焊點的冷卻與降低PCB出口溫度都有額外的好處。另一方面，回流的冷氣體進(jìn)入爐內(nèi)的其它地方還可以表現(xiàn)出另外一些好處，例如：分隔不同加熱區(qū)的溫度，或者擴(kuò)大上下加熱區(qū)的溫差。但是不停機(jī)時間與費(fèi)用是非常重要的，當(dāng)公司的注意集中在運(yùn)行費(fèi)用上時，助焊劑管理系統(tǒng)就會顯得非常重要。
    回流焊設(shè)備的工藝
    回流焊爐如果使用周圍的空氣作為冷卻介質(zhì)，則可以采用大流量的方式冷卻PCB，而且效率很高。在充氮爐中，因為氣流量受到嚴(yán)格控制，所以這是另一種情況。熱量必須從系統(tǒng)中被抽走，通常熱交換采用的介質(zhì)是氣體或液體。冷卻氣體必須循環(huán)使用以降低氮?dú)庀摹?br>   
    在目前的冷卻組件中，是通過一個鼓風(fēng)機(jī)將氣流循環(huán)應(yīng)用，氣流在熱交換后被吹向PCB。這種冷卻方式需要定期清理鼓風(fēng)機(jī)與熱交換系統(tǒng)上的助焊劑沉淀（雖然助焊劑管理系統(tǒng)已大大減少了助焊劑的沉積）。
   
    Speedline集團(tuán)現(xiàn)已開發(fā)了一種獨(dú)特的NitroCool系統(tǒng)，它使用氣流放大風(fēng)刀來產(chǎn)生高速率的氣流充當(dāng)交換介質(zhì)。循環(huán)氣流是通過風(fēng)刀而不是通過熱交換器，以此來減少被阻塞的機(jī)率。在風(fēng)刀上集成有自動清潔裝置，使得氣量在被阻塞物減弱之前就將助焊劑沉積物**干凈，因此，當(dāng)其它設(shè)備的熱交換器和鼓風(fēng)機(jī)逐漸被助焊劑污染時，這套系統(tǒng)可以提供一個恒定不變的冷卻速率。NitrCool系統(tǒng)還可以引導(dǎo)集中助焊劑管理系統(tǒng)里冷卻的冷氣流，進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻的性能與效率。
   
    額外的冷卻組件使PCB出爐的溫度控制在35°～50°C之間。這樣就允許將PCB直接輸入下一工序而不需緩沖區(qū)間。另外，氮?dú)獗Ｗo(hù)同時也可以保護(hù)PCB的可焊性（而非用熱空氣來保護(hù)PCB的可焊性），這對于使用OSP的工藝尤為重要。
  
設(shè)備
   
    制造費(fèi)用是制造廠商*關(guān)心的一個問題，隨著工廠地價的上漲，如何有效的利用空間也變得越來越重要，通常如果要增加產(chǎn)量就需加長加熱區(qū)的長度。但自動寬度可調(diào)的雙軌技術(shù)的應(yīng)用則可以在很小的空間里完成同樣的工作，這種雙軌工藝技術(shù)，在印刷、點膠、貼片與回流都已開始應(yīng)用，對于減少占地面積和節(jié)省資金都有巨大的潛力。
    
    無鉛回流焊設(shè)備的可靠性與連續(xù)工作時間是非常值得研究的，因為許多工廠都采用三班倒與七天工作日的方式生產(chǎn)，極少有時間安排維修，還需處理臨時的故障。對于回流爐的工藝及自動化操作的研究還有很長的路要走，使用復(fù)雜的軟件可以進(jìn)行多任務(wù)操作、通訊（通過GEM）、診斷、操作**保護(hù)、以及在線顯示與實時幫助。在將來，單位面積的產(chǎn)出量將大大增加，設(shè)備功能也大在加強(qiáng)，而且回流爐也越來越依靠軟件與傳感器來提高它的性能。