鉴于本文的重点是研究接触时间对无铅波峰焊的影响,文章将继续讨论多层服务器厚板类型,并解决使用无铅焊接时透锡难题。大于0.093”电路板的穿孔
在延长接触双波系统出现之前,工艺工程师仅局限于通过减慢传送带速度来增加接触时间以达到更高收益。不幸的是,这样做会降低生产率,加大产品热降解。为解决此问题,减慢A型波和平滑波喷嘴系统的速度,可以实现*后一个预热器和**个波之间温度进一步降低同时也可以降低双波系统中两个波之间的温度。另外,各个波之间焊点的固化也会加大残余助焊剂的降解。
解决的办法是当电路板从两波之间经过,为它提供更多的接触时间,并尽量减少温度下降。这可以通过大幅度增加初始扰流波的宽度和减小扰流波和平滑的波之间的间隙来实现。图4显示焊点热曲线图,可作为A型波,平滑波,延长接触双波系统的参考。
图4-焊点热曲线图工艺测试
对延长接触双波和平滑双波作了DOE(Design of Experiment)比较测试。为QFP,通孔元件和Pin脚记录透锡,少锡,多锡(结块)现象。使用的测试板厚度为0.093”,内层铜为2oz.外侧涂层为OSP,所有的测试都使用一种助焊剂和一种焊料合金(SAC 305)。初期筛选测试为了确定助焊剂低端沉积速度,此沉积的助焊剂用在整个测试中。测试分别在空气和氮气整体充气环境下进行,并设定了传送带速度,它们和平滑波接触时间分别为3秒和
6秒。使用的测试载体见图5.
图5-测试载体
通过数据的测试和统计分析,结果表明,无论是在空气还是在氮气环境下,延长接触双波要优于平滑波。图6-7显示此次测试的重要结果。参照测试数据,DOE总结如下:
1. -空气环境下延长接触双波 2. - 空气环境下双平滑波
3. - 氮气环境下双平滑波
4. - 氮气环境下延长接触双波
图6总测试结果
图7总测试结果
接触时间和铜耗
增加接触时间需要考虑由于焊料溶解和腐蚀,而造成铜pad和电镀穿孔(PTH)降解问题,尤其在使用含锡量较高的无铅焊料时。因此,额外增加了一项DOE测试来分析焊料腐蚀的影响。DOE测试四个因素:合金类型,传送带速度,波的形态及电路板供应商。电路板供应商只作为一个变量来稳定数据,否则有可能使用一个供应商的一个板子,只得到一组数据。使用来自2个供应商的2个板子能确定结果会是多种多样的。影响因素还包括填充电镀穿孔焊料的铜的厚度,使用的合金是SAC305还是锡铜镍合金无铅焊料。传送带速度为1.5,3.0,及 4.5 ft/min,由两个电路板供应商提供基板。下图8中列明了厚度改变前后的测定方法。
图8-测试方法说明
应当指出的是,铜在电路板中的变化是很明显的,内板达到50微米高。当前后效果进行比较时,就要考虑这些变化。下图9显示了测试样品的典型剖面。
图9 - SPTH(波形 - 芯片+主板,SAC 305,传送带速度1.5FPM,电路板供应商 - A)这四个因素中,波形对铜的腐蚀影响*大。这三个波形分别是:单宽扰流波,单平滑波及两种双波。图10显示了使用三种传送速度时,两种合金间铜的损耗。
铜的损耗及SAC305和Sn-Cu-Ni
图10-铜传送时损耗 传送带速度
测试总结如下:
1.铜会随着接触时间增加而有所消耗。
2.像在其他工作中预测的那样,锡铜镍合金会损耗较少材料。
3.没有迹象显示腐蚀比溶解明显。
4.使用不同电路板和供应商的调查结果是非常有必要的,不仅因为孔到孔的范围不一样,也因为应该使用不同的方法对由于使用合金造成铜的损耗 做出严格的测定。
5.任何合金长时间接触焊料都会有影响,因此在工艺设计中,这也是一个要考虑的因素。不巧的是进行微观截面分析所需数据资料非常少,并且单 独电路板和电路板之间变量很少,同时不同电路板供应商是完全不可控变量。
实践经验使用延长接触双波一直受到用户的好评。在某一现场,不合格率降低47%,合格率从25dpm增加到47dpm。该产品是大型服务器厚板。透锡质量得到提升,焊料空洞完全消除。此外,锡渣从1.4公斤/小时减少到30 克/小时,除渣维护间隔从8小时增加到72小时。图11显示在空气系统中(右),局部惰性气体系统中(中)及整体惰性气体系统中(左)锡渣产生的视觉对比。
图11-锡渣对比总结
在波峰焊喷嘴设计中,存在许多变量,每种变量都有各自的优缺点。这些系统中,波接触时间也有所差异,并且接触时间是能否提供高质量焊点的关键因素。工艺工程师应当根据焊接的产品选择*合适的喷嘴系统。无铅焊料在波峰焊系统中继续创造全新的工艺挑战。使用当前传统标准的喷嘴来焊接厚重复杂的电路板非常困难。不过,使用延长接触双波就可以克服这些困难,并提高产量,降低运营成本,创造更可靠的产品。由于长时间接触焊料喷嘴,铜的溶解和腐蚀对任何一种焊料喷嘴来说都是一个问题。因此应该先理解这些再进行设置。长期的工作经验表明,如果长时间接触一些LF合金,它们能彻底溶解一个环孔。电路板设计者在研制需长久接触的厚重电路板时,应该把这些因素也考虑进去。无论是无铅焊接还是传统的锡/铅焊接,在整体充惰气环境下长时间接触波,可以使焊接工艺更加灵活,成本更加低廉。