[原创]通孔接头返修工艺的新发展

smtlinda

在无铅焊料得到普遍应用的今天，镀通孔接头的返修变得愈加困难。接头焊接的典型焊锡喷泉返修使得包括焊盘铜分解、锡裂等特殊缺陷高频发生。在此环境下，一种新的接头返修方法应运而生。它利用对流加热移除接头并自动吸除孔壁上的残留焊料。对流加热将镀铜暴露在无铅软料下降至最低程度，从而使镀铜分解最小化，并避免了锡裂缺陷的发生。该工艺的自动化及快速性可为我们带来可重复的成效、高产出及高质量。其自动化得益于广受好评的返修系统的应用，其中包括新的装置及为该返修工艺特别设计的软件。其对流加热效率通过底部加热器、底部局域加热器及顶部加热风嘴的协同工作得以最大化。真空清除所用的软件利用预编程的自动针脚状焊道模式，可吸除每个孔壁上的焊料。在实施真空清除时，利用氮气进行顶部加热可达到最佳效果。 关键词：波峰焊；对流加热；返修；无铅；通孔接头 绪论 无铅焊料的使用使得镀通孔接头的传统焊锡喷泉返修面临困难。无铅合金中更高的含锡比例以及焊锡喷泉无限供给的新焊锡使得镀通孔接头返修在不去除太多滚镀的情况下难以进行，这将造成不可焊的表面。 由于滚镀液被稀释，当孔壁表面从通孔旋转90度至表面时，明显变薄的弯头或转角很容易断裂。针对这种情况，正在开发另一种可替代的返修方法。它利用热风对流加热进行回流，从而取下接头并清除残留焊料。对流加热的使用可使镀铜分解及锡裂的发生降到最低程度。本文将对这种返修方法进行介绍并讨论正在研究的几个问题。 背景 无铅镀通孔接头的焊锡喷泉返修会产生一系列缺陷，包括焊接桥连、焊料过多、填孔缺陷、镀铜分解及锡裂。其中镀铜分解及锡裂会带来焊点连接的可靠性问题。 原始的贴装及返修工艺会导致镀通孔接头焊点多次暴露在无铅焊料的熔锡下。在最坏的情况下，环孔及孔壁弯头上的镀铜会完全分解，造成焊点表面不可焊的状态。 另有研究人员针对镀铜分解作用提出了一种略为不同的观点，称该效应可能在更大程度上是一种腐蚀作用1。具体来讲，在波峰焊工艺中形成了一层锡铜金属互化物的脆化层，被随后的新焊锡流洗去。这样的金属间化合物被再三重复并再三打破，随着时间的推移，镀铜被渐渐去除。 接头焊点的多次暴露导致了对PCB不可挽回的损坏。针对这一难题，有研究人员进行了相关试验，他们企图通过修改用于波峰焊的合金及助焊剂化学成分使损坏最小化，并提高产品可靠性。不幸的是，改变助焊剂或焊锡合金成分的方式对于工艺工程师来说不一定可行。而这些替代方法当前仍在接受热循环和机械可靠性研究的评估。 材料及工具 天弘公司为我们提供了他们的工艺开发电路板，称为“Jasper”，如图1所示。它含有多种接头，可用于返修工艺的开发。试验模型被设计成一块中度复杂的PCB，它的尺寸是203mm×254mm（8.0翩?0.0翩^，厚2.36mm （0.093翩^。该PCB层共有12层，其中4层接地层（2盎司）。表面处理为HTOSP（用以呈现最高难度的焊接条件），高玻璃转化温度FR-4层压板，适用于无铅波峰焊处理。焊锡合金为SAC405。 首次开发的工艺是针对5.5英寸 （141mm）长的DIMM接头，任务是取下接头，并清除孔壁上的残留焊料。 原始的贴装及返修工艺将镀通孔接头焊点多次暴露在热漂移及无限制供给的焊锡下。传统的返修方法使用迷你波峰焊锡炉对接头焊料进行回流，以便将其移除并重新贴装。这种方法会导致包括孔壁锡铜分解及锡裂的典型缺陷。鉴于此，人们迫切希望能弃用迷你波峰焊锡炉，转而通过利用全新的替代型返修方案以避免以上缺陷的产生。对此，我们特别在Summit 1800A返修系统上应用了热风对流加热，包括对流顶部加热、底部加热及底部局域加热功能在内。该设备还配备了自动化的真空清除系统，可用于清除残留焊料。首次工艺开发主要致力于接头的移取及自动化的焊料吸除。 我们所用的返修系统为VJ Electronix Summit 1800A。该设备经过改良，采用了线性局域加热器，可对返修区域下方进行集中式对流加热。设备包括一套对基板及返修区域温度进行自动反馈控制所需的软件。此外，Summit 1800A亦使用了对流加热真空清除器，拥有可编程的电动X-Y工作台，可便捷地进行PCB贴装。这使真空清除工艺得以自动化，从而实现了可重复性及工艺可靠性。 图2所示是Jasper电路板。PCB顶部装有1个热电耦，用于监测顶部加热器温度并提供反馈控制，以调节基板预处理温度。接头下方装有3个热电耦，用以监控焊料温度。这些热电耦是用于确定何时所有通孔接头会达到回流，以及取下接头的时间。返修区下方的热电耦放置于返修区中央，用于监控顶部局域加热的效果，同时也用于帮助确定局域加热设置点的适当变动，并提高整个工艺的热效率。 工艺开发 返修工艺分成两个不同的任务连续运行——移除接头和清除镀覆通孔的残余焊料。Summit 1800A允许程序堆，从而可使我们在运行完移除曲线后马上进行清除操作。这就实现了两个返修步骤的单一热循环。 移除过程中局域加热器及顶部加热风嘴的位置如图3所示。底部对流加热器是用于在底部局域开始加热及顶部加热之前将电路板加热到135 ℃。 随后，对底部局域加热器及顶部加热器进行调节，在软件提示操作员移除接头之前将焊料加热至235℃。操作人员可使用手动或自动拆卸装置上配备的独立拾取管来移除接头。 移除接头后，电路板预处理温度将维持在135℃，返修区域保持发热，但低于回流温度。返修区的温度变化范围在190 - 210℃之间。 接着，为真空清除器更换顶部加热风嘴，以吸除孔壁上的残留焊料。如图4所示，清除器位于电路板及返修区域上。这种清除焊料的方法使用了聚焦对流加热及直径6mm的真空管。真空管端头位置经过校准，可自动清除每个孔壁上的残留焊料。 返修区孔型可在我们的专利软件中进行设置，其界面与图5所示相似。在该界面，可对孔型、温度、空气或氮气的使用及其它清除参数进行一一设置。孔型决定了电动工作台的动作控制，使其以顺应孔型的曲线动作吸除每个孔壁上的焊料。同时可对工作台的运动速度及伸缩高度进行设置。工作台运动速度决定了清除器在各孔壁间运动的速度，可高达0.35英寸/秒（9mm/秒）。 伸缩高度设定了清除器向上的运动量，因为它需要从一个孔壁移动到另一个孔壁。在每一个孔壁上，清除器下降并用真空端垫压孔壁，这样可以将作用到孔壁的真空力度最大化，并确保焊料清除的彻底性。 所有的接头移除和焊料清除加热都使用了氮气4。预热及冷却步骤则使用空气。典型的温度数据记录如图6所示。图中的锯齿线型代表清除器在孔壁上下降、升起动作时真空传感器输出所发生的变化。将清除器真空端头下降到孔壁会暂时阻碍真空的自由流动。清除焊料后，恢复真空流，提起真空端头。 通过热电耦反馈系统，基板温度得到了很好的调节和控制。清除器氮气对流加热的预设温度控制在375℃。整个清除工艺以高速运行，以便限制返修区域在高温下的暴露。此处利用了线性对流局域加热器，它从返修区下方实施加热。在本操作中，用于局域加热器的温度设定值为330℃。 分析及返修结果 为达到工艺最优化的效果，我们对以此方法返修的电路板进行了分析。初步分析显示，孔壁镀层厚度所受的影响是很小的，虽然，在弯头处可见一些镀铜腐蚀现象，但不足以造成锡裂。 所有孔壁的焊料清除得到可靠证明。氮气的使用使得清除后的镀面更具反射性，表明焊料浸润了镀面。利用氮气加热改善了表面处理及清除过程中的焊料回流特性。 我们所做的分析还将对锡-铜金属间化合物的形成及接头回贴的可焊性影响进行了研究。基于目前的观察，我们尚未发现任何负面结果。 我们将持续致力于为热曲线的开发探索最佳工艺条件及更广的反馈控制，目的是为温度曲线的开发开创自动化的方法，从而使不同电路板的热曲线开发变得更为便捷。此外，我们的研究还同时涉足接头回贴方法，具体对回贴步骤中预成型焊料和/或锡膏的使用进行了研究。 目前看来，我们的初步研究成果相当振奋人心。对流加热的使用为镀铜功能性的扩展开发了潜力，同时也为固定返修区可承受的返修周期数的增加提供了可能。随着研究的进一步深入和更多数据的产生，我们将对此项课题进行更新报告。 鸣谢 最后，我想对天弘公司多伦多公司的Michael Berry先生表示感谢。他热情地为本文的研究及滚镀断面的分析工作提供了测试板。Mike及其团队所做的贡献已经成为该项工作持续进步及取得最终成功的重要组成部分。