液态焊接技术和工艺优化

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1、液态焊接接技术和和工艺优优化Deniis BBarbbinii，Urssulaa Maarquuez de Tinno，Kauustuubh Kallkunndrii， Geerjaan DDieppstrrateenVVitrroniics Solltecc低缺陷陷波峰焊焊和选择择焊工艺艺案例分分析20009.11.1摘要：在在实施液液态焊接接工艺（liquid soldering process）中，对关键参数的控制对于获得优良的焊点是非常重要的。在本案例中，采用一块特殊的电路板，使用波峰焊和选择性波峰焊这两种工艺进行焊接。前期的研究中比较了波峰焊和选择性波峰焊所形成的焊点，并通过热循环试

2、验显示出它们在焊点强度方面的主要差异，进而分析对产品寿命的影响以及所使用材料的性能。而在观测焊点质量和强度方面，针对镀通孔有引脚元器件推出的新型及改良型液态焊接技术，如选择性波峰焊和组合波波峰焊，要比普通的无铅波峰焊技术更具优势。焊接工艺类型对电子组装质量的影响，可以通过像通孔透锡不良、桥接、漏焊、锡珠等这类的特定的缺陷进行描述。对于波峰峰焊，这这项研究究将确定定工艺参参数包括括助焊剂剂使用量量、预热热温度、锡锡缸温度度和接触触时间等等对缺陷陷形成的的影响。对对于选择择性波峰峰焊，我我们分为为单喷嘴嘴工艺的的和多喷喷嘴工艺艺两类。对对于每一一类选择择性波峰峰焊工艺艺，第一一步是设设计一个个试验

3、来来确定测测试板的的特性。元元器件的的温度曲曲线将决决定焊接接的温度度区间。与与波峰焊焊试验类类似，主主要的四四项参数数包括助助焊剂使使用量、预预热温度度、锡缸缸温度和和接触时时间，这这四个参参数可以以通过拖拖曳速度度（drrag speeed）和和浸锡时时间来定定义。通通过分析析包括通通孔透锡锡不良、顶顶面不润润湿、桥桥接、锡锡珠等主主要缺陷陷，来优优化每一一个元器器件的焊焊接工艺艺。这项项研究的的一个关关键目标标是确定定和优化化关键参参数，以以寻找到到一个高高效稳定定的工艺艺。更进进一步，是是希望了了解通孔孔透锡率率/或孔的的润湿程程度与焊焊点所能能承受的的张力之之间的关关系特性性。在本本

4、文中将将逐一介介绍使用用每一种种技术将将元器件件组装到到印刷电电路板上上发生的的情况，以以及对这这些电路路板进行行不同循循环次数数的热疲疲劳试验验和针对对通孔元元器件的的引脚进进行拉力力测试及及失效分分析的结结果。当为这三三种液态态焊接技技术优化化的工艺艺确定之之后，为为了描述述无铅通通孔焊点点的特性性以及特特定焊接接技术的的影响，采采用了一一种大尺尺寸的组组件分别别进行了了试验。最最后，这这项研究究让我们们了解了了可用于于焊接印印刷电路路板的各各种方法法。虽然在目目前的市市场上，表表面贴装装技术（SMT）在元器件组装中居于统治地位，但是在绝大多数电子产品中，通孔技术（THT）应用仍有一定的增

5、长空间，尤其是在需求弹性和特殊组装有要求的领域；其中就包括航空航天，资产类，以及互连密度要求不高，以及一些很难用表贴元器件替代通孔元器件的产品，THT还是大有可为的。这在iNEMI的液态焊接路线图中有所描述1（见表1）。由于自动动控制技技术的进进步和对对传统波波峰焊工工艺的不不断改进进，可以以使无铅铅波峰焊焊（由不不同的工工艺和材材料参数数组成）获获得与锡锡铅波峰峰焊相媲媲美的工工艺窗口口，像单单喷嘴的的和多喷喷嘴的选选择性波波峰焊这这类液态态焊接技技术也已已经被开开发并且且被EMMS业界界所采用用，这些些技术完完全可以以满足PPCB组组装中不不断上升升的从表表面贴装装到通孔孔元器件件的互连连

6、要求22，3。特定电路路板的材材料选择择、工艺艺优化、焊焊点强度度和质量量，对于于评估和和分析使使用这些些技术的的利弊是是非常必必要的。这这样一来来，不仅仅对每种种技术来来说非常常重要的的焊点强强度方面面的定性性研究得得以进行行，而且且还为在在最小缺缺陷（电电路板和和元器件件得到保保护）下下更高温温度的无无铅组装装（通过过工艺和和材料参参数选择择和验证证）建立立起了工工艺窗口口2。液态焊接接技术利利用传统统的波峰峰焊的导导轨系统统，在焊焊接的过过程中将将被焊接接的电路路板在液液态焊接接波上传传送3，4。选择择波包括括单波和和组合波波，多喷喷嘴的焊焊接是另另一种选选择性焊焊接技术术。选择择性焊接

7、接是一种种焊接电电路板正正反面通通孔元器器件的液液态焊接接技术，它它是利用用一个机机器人系系统来拾拾取、夹夹持和拖拖曳电路路板组件件在单个个喷嘴上上方进行行焊接。同同样地，这这个机器器人系统统也可以以用在一一个装有有多个喷喷嘴的特特殊加工工的喷嘴嘴盘上进进行浸焊焊组装。在无铅焊焊接工艺艺中，选选择焊很很有效地地仅使那那些需要要焊接的的元器件件和待焊焊部位暴暴露在高高温中，而而其它的的元器件件和区域域则保持持在临界界温度之之下，这这归功于于这类系系统可以以局部喷喷涂助焊焊剂、预预热和灵灵活地焊焊接3，4。本文文描述了了每种液液态焊接接工艺的的优化：单喷嘴嘴，多喷喷嘴的和和传统的的波峰焊焊（基于于

8、消除了了各种焊焊接缺陷陷）。此此外，还还会进行行一个对对比实验验，来测测量经过过空气条条件下的的热循环环（AAATC）试试验后的的将引脚脚从通孔孔中拔出出的拉力力。热循循环试验验情况大大致如下下：将三三种焊接接方式的的电路板板分成三三组，每每组进行行01000C的的温度循循环，循循环次数数为0，5000， 10000，20000和30000次。0次循环环可以被被认为组组装完成成时刻的的情况。测测量到的的拉力可可以被用用来测量量通孔焊焊点的强强度和质质量。为了观测测三种液液态焊接接技术下下焊点的的一些重重要和系系统性的的行为，将将会测量量金属间间化合物物（IMMC）的的厚度。通通孔焊点点的质量量

9、也许会会随着各各种焊接接方式下下的测量量点的变变化，工工艺的差差异，以以及传输输机构的的改变而而不同。因因此，此此次分析析的双重重目的是是：1. 无无铅焊点点形成的的特性； 2. 通过过使用单单向拉力力测试，分分析和比比较三种种焊接技技术下焊焊点的强强度。实验设计计在设计计实验的的过程中中会选择择许多种种材料。材材料选择择的标准准是基于于EMSS公司的的制造经经验，设设备的使使用和设设置基于于通常制制造中的的经验，基基本的设设置和操操作方式式。材料和组组装工艺艺两个镀金金表面的的直角通通孔器件件被组装装到标准准的622mill厚的FR44材料的的测试板板上，一一个是单单排，一一个是三三排155

10、针。测测试板为为包含了了SMTT/THH元器件件并且是是客户定定制的OOSP表表面处理理的双面面板。每种焊接接方式有有四个主主要的控控制因子子，每个个因子会会选三个个水平进进行组装装测试。基基于观察察到的缺缺陷情况况，可以以计算得得到一组组最优化化的工艺艺参数。使使用这些些最优工工艺参数数在每种种焊接方方式下组组装五块块电路板板。使用的无无铅焊料料合金为为96.5 SSn / 3.0 AAg / 0.5 CCu (SACC3055)。助助焊剂为为酒精基基免清洗洗助焊剂剂Intterffluxx IFF20005。助助焊剂喷喷涂量通通过喷在在玻璃板板上测量量固体来来决定。图图1为测试试板的顶顶面

11、图片片。设备一台台Vittronnicss Soolteec公司司的 DDeltta 666222波峰焊焊设备被被用来组组装部分分电路板板。波峰峰焊设备备的配置置为：一一个双头头的助焊焊剂喷涂涂系统，通通过一个个泵系统统来运作作并且有有一特殊殊设计的的喷嘴。预预热配置置为三段段式预热热，第一一和第二二段是热热风对流流区，最最后一段段是Caalrood模块块。波峰峰设置为为扰流波波(chhip wavve)和和平滑波波(maain wavve)。氮氮气保护护系统的的氮气流流量设置置为300，50和80升/分钟，在在锡缸上上形成一一层氮气气覆盖层层。Vitrroniics Solltecc公司的的

12、mySSeleectiive 67448被用用来组装装剩余的的电路板板。选择择性波峰峰焊的助助焊剂系系统是由由一个泵泵控制的的下沉式式喷涂系系统。预预热系统统包含一一组加热热管模块块可以设设置不同同的热度度，以达达到需要要的顶面面预热温温度。液液态焊接接部分有有两种工工艺：一一种是选选择波或或者称为为单点焊焊接方式式，还有有一种为为组合波波或者称称为多喷喷嘴焊接接方式。单单点喷嘴嘴是一个个12mmm直径径的喷嘴嘴有氮气气保护，喷喷嘴安装装在喷嘴嘴盘上，喷喷嘴盘上上有两个个喷嘴可可以同时时分别焊焊接不同同的通孔孔器件。对于每个个子系统统的参数数都根据据DOEE中的需需要分别别进行控控制。另另外所

13、有有的系统统包括传传送都进进行了校校准，以以输出相相同的结结果。温度测量量和接触触时间在在不同的的地方放放置热电电偶来进进行记录录，包括括： 顶面面表层 viia孔内内部 两个引引脚：内内排和其其它排这样做的的好处是是可以记记录预热热温度，接接触时间间以及不不同引脚脚之间的的温度差差。记录录接触时时间的热热电偶被被放置在在通孔中中，突出出通孔大大约1mmm。记记录结果果如图22所示。L9 TTaguuchii实验L99 Taagucchi实实验是一一个正交交的部分分因子试试验，每每个试验验有4个因子子，每个个因子有有3个水平平，然后后随机化化排列成成9次运行行，来替替代一个个81（34 = 8

14、81）次次运行的的全因子子试验。下下面的三三张表为为三个试试验的参参数。质量标准准一个打打分系统统用来记记录缺陷陷。对通通孔填充充率，分分成1 5分，1分是指指最好的的情况，5分是指最坏的情况。图3a和3b描述的是这两种情况。部分顶面润湿，焊锡爬升达到或者超过95%通孔填充和焊锡爬升小于95%分别给予4、3和2分。对于桥接接，计算算桥接中中包含的的引脚数数。图44是其中中的一个个例子。对于锡珠珠，计算算所有在在器件引引脚范围围内的锡锡珠数量量而与体体积大小小无关。图图5是其中中的一个个例子。空气条件件下的热热循环测测试（AAATCC）每种焊焊接方式式组装的的电路板板在空气气条件下下都经过过01

15、000C的的热循环环。循环环温度曲曲线上升升和下降降斜率为为10C/ 分钟，在在两端停停留300分钟。每每种焊接接方式下下的4/5的电电路板分分成三组组进行在在测试房房内进行行5000，10000，20000和30000次空气条条件下的的热循环环测试；剩下的的1/55的电路路板作为为没有进进行过热热循环条条件下的的评估。引脚拉力力测试使使用一个个夹具安安装在IInsttronn 55500RR测试系系统上来来进行测测试。夹夹具由一一组可以以调节的的齿状卡卡钳组成成，在拉拉力测试试过程中中牢牢抓抓住引脚脚。图66为试验验安装方方式。三排，448个引引脚的器器件被用用来进行行拉力测测试。引引脚分成

16、成三排，每每排166针，如如图7所示。每每块电路路板都夹夹在X-Y轴平平台上然然后固定定在Innstrron的的底座上上，并且且调整角角度使得得引脚拔拔出时可可以垂直直于夹具具。夹具具有一个个可以移移动的（Y轴）字头连接。Instron的测压元件最大负载值为5kN，并且进行过校准，然后用来进行测量引脚发生失效时的拉力。拉升率或或者机头头速度设设置得非非常慢，为为0.55mm/分钟，这这样才可可以在失失效的时时候能够够获得整整块的焊焊锡。引引脚进行行了预准准备处理理，在拉拉拔前先先在900度转角角处将其其剪断，这这样夹具具可以有有效地夹夹住引脚脚的底部部并且可可以通过过Insstroon机头头的

17、运动动来控制制，进行行稳定的的拉拔，用用这种方方法可以以避免滑滑动。最最外面一一排和中中间一排排的引脚脚被拔出出，在失失效时的的拉力会会被测量量和记录录，失效效的模式式也会通通过观察察引脚被被记录下下来。最最内部的的一排引引脚将被被保留用用来进行行失效后后的典型型性分析析。失效模式式在引脚脚拉力测测试实验验过程中中，观察察到了三三种失效效模式： 孔壁壁铜层失失效 焊锡失失效 孔壁铜铜层和焊焊锡混合合失效孔壁铜层层失效在在这种模模式中，引引脚拔出出后孔壁壁的铜层层与孔分分离，铜铜层全部部包在引引脚上。图图8(aa)所示示为一个个孔壁铜铜层失效效模式下下的引脚脚。在整整个系统统中，孔孔壁铜层层是最

18、薄薄弱的界界面。焊锡失效效这种模模式中，断断裂发生生在焊接接后的焊焊锡块内内部，在在整个焊焊点中它它是最薄薄弱的地地方。图图8(bb)为拉拉力测试试后一个个发生焊焊锡失效效的引脚脚。混合（部部分孔壁壁铜层与与部分焊焊锡）失失效在这种模模式中，断断裂发生生的情况况就像孔孔壁铜层层失效和和焊锡失失效两种种情况合合并发生生。图88(c)所示为为混合失失效。器件引脚脚失效第四种模模式是存存在的，但但是在此此次研究究中间没没有发生生所以也也就没有有记录。在在这种模模式中，器器件的引引脚是最最薄弱的的地方，在在测试中中会断裂裂。结果和讨讨论波峰焊工工艺流程程的优化化控制波波峰焊焊焊接质量量的关键键因子是是

19、：助焊焊剂喷涂涂量(mmg/ccm2)，预热热温度(C)和导轨轨速度(cm/minn)；导导轨速度度与接触触时间和和焊接温温度有直直接的比比例关系系8。每个个因子的的三个水水平的选选择如前前所述。分分析观察察到的缺缺陷情况况，结果果如四张张响应图图，四张张图分别别为通孔孔填充率率、漏焊焊、锡珠珠和桥接接。这些些响应图图如表55、6、7、8所示。基于以上上测试的的结果，对对于波峰峰焊推荐荐如下的的参数设设置：利用如上上的参数数，再运运行5次组装装仿型来来确认结结果。通通过分析析缺陷可可以证明明，上述述计算出出来的最最优工艺艺对通孔孔填充、漏漏焊和锡锡珠非常常有效。仍仍观察到到表面贴贴装的桥桥接。

20、验验证运行行的结果果表明这这些参数数对减少少上述缺缺陷是最最优的。选择性波波峰焊工工艺流程程的优化化对于选选择性波波峰焊，其其助焊剂剂工艺是是使用一一个下沉沉式喷射射系统。焊焊接过程程是在可可控制的的氮气保保护环境境下进行行的。控控制焊接接质量的的关键因因子是助助焊剂喷喷涂量(mg/cm22)，预预热温度度(CC)，焊焊料温度度(CC)，拖拖曳速度度(mmm/seec)。关关键值使使用DOOE方法法来决定定。这里里的评估估标准是是通孔填填充、桥桥接和焊焊盘爬锡锡，基于于上述因因素选择择性波峰峰焊的参参数推荐荐如下：组合波焊焊接工艺艺流程的的优化对对于组合合波焊接接，助焊焊剂工艺艺也是使使用一个

21、个下沉式式喷射系系统，焊焊接过程程也是在在可控制制的氮气气保护环环境下进进行的。控控制焊接接质量的的关键因因子是助助焊剂喷喷涂量(mg/cm22)，预预热温度度(CC)，焊焊料温度度(CC)，浸浸焊速度度(mmm/seec)。关关键值使使用实验验设计矩矩阵方法法来决定定。这里里的评估估标准是是通孔填填充率、最最小桥接接发生，基基于以上上因素，选选择性波波峰焊的的参数推推荐如下下：使用这些些参数焊焊接五块块不同的的电路板板，来进进行引脚脚拉力测测试评估估它的焊焊点强度度。拉力测试试结果测测得每个个引脚的的拉力值值并记录录，包括括是哪一一排的外排排或中间间排，焊焊接方式式，以及及具体每每一块板板的

22、AAATC循循环次数数。焊点点强度数数据用点点图随AAATCC循环次次数的增增加标注注出来，用用以推出出其可能能的变化化趋势。波峰焊对对于波峰峰焊，从从图9可以看看出，随随着循环环次数的的增加，孔孔壁铜层层（的附附着力）变变得越来来越弱。经经过第一一组5000次循循环，强强度大约约有155%的下下降。在在这个初初次下降降之后，拔拔出引脚脚的拉力力基本保保持稳定定，即使使在经过过30000次循循环之后后也只有有很小的的改变。对对于失效效机理，样样本在00次循环环时是铜铜层和焊焊锡的混混合失效效；在110000次循环环以上，90%的失效是孔壁铜层失效。选择性波波峰焊对对于选择择性波峰峰焊，从从图1

23、00可以看看出，随随着AAATC循循环次数数的增加加没有观观察到明明显的拉拉力值的的差异。基基于观察察到的失失效模式式，孔壁壁铜层的的强度随随着循环环次数的的增加而而增强，一一直到220000次循环环，900%的失失效模式式为焊锡锡或混合合失效。但但是在330000次循环环后，990%的的失效是是孔壁铜铜层失效效。组合波焊焊接对于于组合波波焊接，从从图111可以看看出，铜铜层（附附着强度度）随着着循环次次数增加加而加强强。随着着AATTC循环环次数增增加，同同一组循循环次数数下的变变差也加加大了带带有向外外扩散的的趋势并并且表现现出不同同的失效效模式。相相对而言言，在较较高的AAATCC循环次

24、次数中，观观察到相相对较多多的焊锡锡和混合合失效模模式(990%)。为了验证证得到的的结果是是否表现现出任何何统计显显著性，针针对焊接接方式、AATC循环次数和排数这三个因子，进行了一次ANOVA分析(方差分析)。响应变量是实验中获得的拉力强度值；同一排的不同引脚被作为仿型；其他任何不可控因子都假设为对强度值的影响可以忽略不计。基于ANNOVAA的结果果发现，所所有三个个因子，焊焊接方式式、AAATC循循环次数数和排数数对张力力强度都都有显著著影响。虽虽然有些些两次交交互对结结果也有有显著影影响，但但是这不不在本次次研究范范围内；三次交交互没有有显著影影响。到到目前为为止，为为什么引引脚所在在

25、的排数数对于结结果有显显著影响响还无法法给出合合理的解解释。由由于结果果显现出出各种各各样的失失效模式式，这增增加了解解释结果趋趋势的复复杂性。但但是，从从观察到到的强度度值中间间进行一一些比较较还是可可以得到到一些结结果：波波峰焊对对于电路路板和器器件是最最有害的的，因为为所有的的焊点的的强度值值的范围围为15501755N，相相对于选选择性波波峰焊和和组合波波焊接的的范围（200-225N）要低。但无论是否经过热循环试验，通孔元器件的焊点强度都要比表面贴装的焊点强度要高。金属间化化合物的的厚度在在每种液液态焊接接技术中中得到的的样本都都被做了了切片，抛抛光和腐腐蚀，这这是为了了得到铜铜层壁

26、和和焊锡之之间的IIMC的的厚度。表表12给出出了每种种焊接技技术下使使用SEEM得到到的IMMC厚度度(mm)300次测量量的均值值。IMMC厚度度的增加加与AAATC成成函数关关系，和和焊接方方式无关关。虽然然观察到到个别例例外，但但是总体体的趋势势是IMMC的增增长呈指指数衰减减。这种种现象被被认为是是在热循循环过程程中由于于热扩散散造成的的。此外，从从剖面中中发现在在所有焊焊接方式式中，焊焊点或孔孔壁中的的裂痕从从非常靠靠近爬锡锡面弯曲曲处开始始。从显显微镜中中观察到到，剖面面的裂纹纹在那些些为了获获得额外外接触时时间而暴暴露于过过高的焊焊接温度度中的电电路板中中是最糟糟糕的。如如图1

27、22和13所示示。结论本研研究的目目的是为为了有针针对性地地了解在在三种液液态焊接接技术下下焊点的的形成，优优化的消消除缺陷陷的工艺艺流程，以以及(在这些些焊接技技术下形形成的)焊点强强度的比比较。本本研究提提供给读读者在同同一块电电路板上上的三种种不同的的焊接方方式，但但是每种种焊接方方式有着着独一无无二的机机会去得得到想要要的结果果。本研研究的另另一个目目标是为为了定义义缺陷发发生的参参数边界界值。每种焊接接技术下下的焊点点的机械械测试的的结果表表明，所所有的焊焊点都非非常牢靠靠，但是是存在着着显著的的差异，这这些差异异与在特特定时间间区间内内电路板板暴露在在过高的的温度中中相关。致谢：真

28、真诚地感感谢Unnoviis SSoluutioons的的Petter Borrgessen与与作者进进行的富富有深刻刻启发性性的讨论论。参考资料料：1. Exxcerrpt froom tthe Boaard Asssembbly Chaapteer oof tthe 20007 iiNEMMI RRoaddmapp. 22. BBarbbinii, DD., “Immpleemenntattionn off a Leaad FFreee Waave Sollderringg Prroceess: Ann inn-deepthhLoook aat tthe Criiticcal Isssue

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