无铅焊接工艺的优化和监控

无铅焊接工艺的优化和监控

【来源:深圳市拓普达资讯编辑部】【作者:薛竞成】【时间: 2006-3-18 9:19:39】【点击:680】




无铅技术系列文章八：无铅焊接工艺的优化和监控

KIC特约顾问 薛竞成 撰写



前言：

在以往的7篇文章中，我们谈到无铅技术带来的最大变化是材料上的改变。而材料特性上的改变，也连带来工艺上调整的需求。常用的SMT工艺中，受到无铅技术影响最大的是焊接工艺，包括所有常用的波峰、回流和手工焊接。在本文中，我们针对回流工艺技术来进行探讨，看看在无铅技术的更严格要求下，如何对工艺进行优化和监控。



无铅的焊接挑战：

铅是种特性十分适合焊接工艺的材料。当我们将它除去后，到目前还无法找到一种能够完满取代它的金属或合金。当我们在工艺、质量、资源和成本等考虑上找到比较满意的代用品时，我们在工艺和成本上都不得不做出让步。而在工艺上较不理想的有以下几个方面。



较高的焊接温度。大多数的无铅焊料合金的熔点都较传统锡铅焊料合金高。业界有少部份溶点低的合金，但由于其中采用如铟之类的昂贵金属而成本高。熔点高自然需要更高的温度来处理，这就带来了需要较高的焊接温度。不过熔点只是决定焊接温度的一个因素。例如目前被推荐的SAC305材料，其熔点为217oC，而事实上我们目前处理锡铅焊料时多数的焊接温度是达到225oC，甚至是235oC。这已经是超出了SAC305合金的熔点，为什么我们还需要提高呢？就是因为熔点并非唯一的考虑。

较差的润湿性。无铅合金也被发现具有较不良的润湿性能。这不利于焊点的形成，并对锡膏印刷工艺有较高的要求。由于润湿效果可以通过较高的温度来提高，这又加强了无铅对较高温度的需求。熔化的金属，一般在其熔点温度上的润湿性是很差的，所以实际焊接中我们都需要在熔点温度上加上20度或以上的温度以确保能有足够的润湿。这也说明了以上我们提到为什么SAC305不能使用刚过217oC的温度来进行焊接的原因。美国推荐245到255oC。

较长的焊接时间。由于温度提高了，为了避免器件或材料经受热冲击和确保足够的恒温以及预热，焊接的时间一般也需要增长。



以上这些不理想的地方带给用户什么呢？总结来说就是器件或材料的热损坏、焊点的外形和形成不良、以及因氧化造成的可焊性问题等工艺故障。这些问题，在锡铅技术中都属于相对较好处理的。所以到了无铅技术时，我们面对的焊接技术挑战更大。





工艺窗口：

简单来说，无铅的工艺挑战或工艺难处，在于其工艺窗口相对锡铅技术来说是缩小了。例如器件的耐热性，在锡铅技术中一般为240oC，到了无铅技术，IPC和JEDEC标准中建议必须能够承受260oC的峰值温度。这提高只是20oC。但在合金熔点上，从锡铅（Sn37Pb）的183oC到SAC305的217oC却是提高了34oC！这就使工艺窗口明显的缩小。使工艺的设置、调整和控制都更加困难。



如果您不采用较高成本的低温无铅合金，你的最低温度（约235oC），几乎已经是锡铅技术中的最高焊接温度了。而如果你采用美国NEMI的建议，也就是使用SAC305和焊接温度在245到255oC时，你的热-冷点温度窗口只有10oC，而在锡铅技术中这温度窗口有30oC之多。



无铅器件的耐热标准，目前多认同确保在260oC最高温度上（注一），这距离推荐的SAC305合金的最高焊接温度只有5oC。如果我们考虑测量设置的系统误差（注二）的需要保留6oC，以及业界许多回流的波动性时，我们根本无法使用高达255oC的温度。



图一是典型无铅焊接的峰值温度（回流）部份。图中注明了和锡铅技术不同的地方。而这些差异，都增加了工艺调整的限制和难度。







在回流焊接工艺中，现在的主流设备是强制热风回流炉。炉子在整个焊接过程中只有一个速度（链速），炉子的温区数量和长度是固定的，而整个回流曲线中的5个阶段都有不同的要求，PCBA上的不同器件和焊点也都有不同的要求。加上在无铅技术中，我们发现焊接的冷却工艺参数对某些焊料比锡铅技术敏感而可能需要加以控制，又增加了一项需要考虑的参数和设备限制（冷却区的效率、尺寸等）。所以用户想很好的调整到满足所有焊点的一个设置其实是不容易的。



工艺设置：

回流焊接的工艺设置，就是通过炉子的各温区温度，以及传送链速度的设置来取得最适当的‘回流温度曲线’的工作。最适当的意思，表示没有单一的曲线是可以供所有用户使用的。而必须配合用户的材料选择，板的设计，锡膏的选择来决定。不论是锡铅技术还是无铅技术，其实工艺设置的方法都是一样的。所不同的是其最终的参数值。基本上，无铅由于前面提到的工艺窗口缩小的问题，使得工艺设置的工作难度较高。这需要更高的工艺能力，以及对技术的了解和掌握上做得更完整更细化。



工艺设置的首要条件，是用户必须知道所要焊接产品的温度时间要求。对于大多数用户来说，这就是回流曲线规范。为了方便技术管理，一般只制定了一个规范，规范中清楚的指出各参数的调整极限。在锡铅技术中，绝大多数用户的这个规范曲线都来自锡膏供应商的推荐。在工艺窗口较大的锡铅技术中，人们遇到的问题似乎不大（但绝非没有问题）。但进入无铅后，这做法未必可靠。原因是锡膏并非决定焊接温度曲线的唯一因素，以及供应商提供的曲线并不精确。例如温度的上升速度参数，除了考虑锡膏中焊剂的反应外，我们也必须照顾到所使用器件的耐热冲击特性。锡膏供应商不可能知道你将选择什么器件材料，所以更不可能在其推荐曲线中照顾到用户的具体情况。在掌握工艺技术较好的企业中，选择锡膏前都必须对锡膏等进行测试评估。这工作在无铅技术中是个必要而非可有可无的工作。只有当用户具体、清楚的了解锡膏等特性后才能有效的找出最好的曲线特性。



相信有小部份读者有以下的经历。在生产过程中某些器件因热受到损害。而当时所设置的炉温曲线符合锡膏供应商的指标，而器件的耐热性也高于所设的温度曲线。但经过调整较低温度或缩短焊接时间后问题就获得解决。从我的经验中，这有两个原因。最大的来自炉子的稳定性。这里我们不谈这设备的问题。另外一个问题是目前器件供应商们在谈论耐热这一特性时未精确完善的结果。事实上，当我们谈论器件的耐热性时有四个方面的特性。这些就是‘升温热冲击抗力’（还可分高温和低温），‘降温热冲击抗力’，‘绝对最高温度’，以及‘热量承受力’。而业界目前常用的方法是以一条焊接温度曲线来表示器件的耐热性能。因此缺乏精确。尤其是第二和第四个特性指标，业界更是缺乏讨论和标定。这种情况，将影响我们工艺的准确性。



器件焊端镀层是另外一项没有被仔细了解和控制的材料参数。镀层的材料（例如NiPd或Sn等等）、镀层的工艺（例如无极电镀，浸镀等等）、以及镀层的厚度，将决定用户的库存能力，可焊性以及质量问题或故障模式。而这些也会因为无铅技术到来而有所变化。以往不太需要注意的，现在也许会成为不得不给于关注的。PCB焊盘的镀层也一样，材料、工艺和厚度都必须了解和给于适当的控制。读者可以参考我以往相关的文章，以及去需求更多的知识。总之，要有良好的工艺设置，用户必须首先知道自己的材料和设计需求。从需求上制定应该有的温度曲线标准。



热耦的设置：

有了工艺标准后，要确保焊接温度和时间的准确设置，首先我们必须要有较可靠的测量方法来协助判断。热耦测量几乎是SMT界统一的做法。虽然历史悠久，用户也不陌生，但这方面在无铅技术中的讲求精准上还有需要注意的地方。



首先是PCBA上热冷点的选择。为了同时照顾到PCBA上所有焊点的质量，这是个十分关键的工作。因为一旦最热和最冷点的温度设置对了，那其他各点的温度肯定就在合格范围内。由于无铅的温度窗口小了，以往靠目视判断热冷点的方法就越来越不可靠了。必须使用观察熔化次序的做法来达成目的。再由于温度的提高，工艺工程师还必须注意一些无法从熔化情况看出而属于较热或较敏感的器件封装的温度。例如QFN，BGA和一些接插座等等。



接下来就是热耦的选择和安装方法。目前使用的热耦基本上几乎都是K类热耦。这是因为市面上的测温仪器都设计来对这类热耦进行测量误差补偿。但即使都是K类热耦，也有不同的线直径和长短之分。选择适当您安装热耦方法的直径。在不需要利用热耦的机械或弹力时尽量选择细小热耦。在任何情况下都尽量选择短些的热耦，长度只要够布置测量就行了。安装热耦一般有几种方法，包括高温焊接、高温胶纸、固定胶、机械固定等。它们之间在操作性和精度上都有不同的表现。该注意的，是各种方法都有安装技巧要掌握。我个人比较推荐两种做法的配合使用。一是高温焊接，另一是固定胶+高温胶纸。高温焊接可以提供高精度和可靠的测量，但K类热耦的材料相当难焊接。尤其是使用过和氧化较高的热耦。对于较冷的点也焊接不容易。市面上的电烙铁，虽然标示可以设置到400度或更高，但实际上其热容量和回温能力，在较冷的焊点情况下多不足以处理高温焊接。高温焊接的另外一个弱点是无法使用在不可焊的表面上（如器件封装表面），所以必须配合其他方法来使用。



固定胶的安装方法也很有效。要点是采用遇热不会软化的胶水，以及不能在热耦上造成太大的胶点。尤其应该避免热耦和焊点接触面之间。否则测量结果会偏低几度。由于胶点很小，其作用并没有包括建立防止热耦脱落的功能。所以安装时还必须配合使用小片的高温胶纸来固定。切记跑线和胶纸的连接不能太改变测试点和周边上的对流条件。



不良的热耦安装可以给您带来超过5度的测量误差，而无铅技术中您并没有太大的空间容许这些误差的出现。这是用户们该记住的。所以以往我们不是太重视的技术，在无铅中可能就不能不管了。



曲线的设置和调整：

现在您有了温度曲线规范，也有了准确的测试装置。您就可以开始测量和调整PCBA上的实际温度曲线了。此时你所需要的，是良好的工艺知识和对设备性能的足够了解。您必须很清楚曲线中的每一段时间和相应的温度变化是起什么作用。你必须知道您使用的炉子中有哪些地方有限制（例如冷区域，气流不足等）。你首先是从传送链速开始定。然后以初始参数开始，顺序从炉子进入部份开始调整。一直到PCBA上的热冷点以及其他敏感或较热的非焊点都符合您的工艺规范为止。对于一个新产品来说，以上的决定热耦点，设置和调制的过程，有经验的工艺工程师也许要40到60分钟时间来完成。虽然工艺可以抓得准，但在时间上稍嫌长了些。尤其对一些加工服务厂来说，这可能是个影响生产力的问题（注三）。



业界目前有供应商如美国的KIC公司，提供了方便用户设置和优化温度曲线的软件（注四）。该软件有学习的智能，可以在一次测试后，从其以往的经验中预测和推荐该设置的参数。当用户使用次数达到一定的量后，软件有可能在第一次推荐值中就达到优化的目的。这功能虽然还没有解决目前的所有问题（例如热冷点的选择），但已经可以大大的减少了工艺设置和优化的时间。



每个不同型号的回流炉子的对流和加热性能都不一样，所以当对炉子的性能还没摸清楚之前，工艺调整的效率就比较差。也就是说工程师可能需要较多次的尝试才能得到优化。软件的学习智能比一般的工程师高，能够较快的掌握所使用炉子的特性，并更快的找到优化点。除此之外，软件还可以将优化的结果和产品的质量（重量）关系整理和记录起来。在往后的应用中，当用户提供所需焊接PCBA的质量（重量）时，就可以很快的从其处理过的历史经验中找出最接近的曲线（注五）。减少调整的次数和时间。当PCBA的设计变化不大，而软件有足够使用次数或经验的情况下，软件是可以在首次建议就满足工艺窗口要求的。所以这类软件可以提高用户的工艺设置准确性和效率。



该软件还有一个好处，就是能够从用户的工艺设置结果中计算出一个称为PWI（Process Window Index，工艺窗口指数）的值。从这值中，用户可以很直观的评估其工艺‘风险’的大小。进而决定是否需要更细的工艺调整，或必须通过修改设计或工艺路线来保证质量。事实上，该软件的优化原理就是根据每一次计算所得的PWI来进行比较和尝试修改参数，一直到所有工艺参数都合格并整体具备最低PWI（也就是最少风险）时为止。这方面更多的解释，读者可以参考我以前有关PWI的专门文章或联系KIC公司的技术人员。



很不幸的是，由于工艺表现受限于产品的设计（包括材料选择和布局）和设备性能，用户并非每一次都能够如愿的设置出完全合格的温度曲线。例如PCBA上的热冷点，在最优化工艺设置情况下还是超过了工艺规范的范围。这时候，工艺和质量工程部就必须做出‘质量取舍’了。所幸的是，我们的PCBA上所有的器件焊点并非具有同样的寿命。所以我们就可以再作出一些取舍了。原理很简单，就是舍弃寿命原本较长的器件（例如SOP,SOT,PLCC等）而保护寿命原本偏短的（大器件，陶瓷件，无引脚件，BGA等等）。关键在于工艺和质量工程师必须了解PCBA上的质量等级，各种封装的故障模式和成因等原理。



上过我的课程的朋友也许都知道，我十分抵触正交试验（DOE）在炉温设置优化上的使用。我多年前在欧洲曾也因为了解不深而使用过这工具。但后来和我推荐的一套优化设置方法比较下，发现DOE做法在能力、操作性和成本方面都远不能达到要求。在找出其中原因后我就放弃使用这门不适合应用在这里的技术。我这里再作一个提醒，因为我发现业界已经有一些工程师沉迷这种做法。而且还有继续被推广的迹象（注六）。



由于用户的规范可能会出错，或照顾不到特别的工艺情况，所以单单靠调整曲线到符合规范曲线范围的做法，也不能绝对保证产品不会出错。一般而言，在试生产中，我们就是仔细的观察和收集所有故障或不理想的焊接结果的信息，进而针对这些故障原理对工艺参数进行微调。切记我们目前的测温方法还不够细，也因此有些故障是无法从所测得的炉温曲线来得知和分析的。例如焊端出现吸锡现象时，炉温曲线未必看得出。但这种故障经常通过分别调整上下温度的不同配合来获得解决。



工艺管制和监控：

以上所谈的内容，如果掌握的好，就能协助用户设置出一个较好的回流焊接工艺。而在整个产品产业化过程中，以上的内容要点可以协助用户进行试制和试生产的工艺阶段。当以上工作处理的好后，接下来的就是面对批量生产了。批量生产的重点，在与推动快速生产的同时，确保每一个产品都是完好的被制造出来。所以我们就有所谓的质量管理工作和责任部门。



时至今日，大多数工厂的质量管理，还是较依赖传统的一些检验和返修的做法。例如采用MVI（目检）、AOI（自动检验）等手段，配合以一些量化统计做法如SPC等。但在今天的先进生产技术中，这些都属于较落后的手段方法。以下指出几个常遇到的缺点。



1．对故障的改正成本高；

2．属于事后更正的概念，无法取得零缺陷成绩；

3．目前的检查技术无法检出所有问题（一些故障的可检性还不好）；

4．目前检查技术在速度和精度上都还跟不上组装技术；

5．太多和滥用检查技术，反会对它形成不良的依赖性，而忽略了从工艺着手；

6．SPC不适合于小批量和高质量的生产模式。这情况下其能力非常低。



较好的做法是检查设备和工艺能力，控制过程，而不是检查加工的结果（也就是产出品的检查）。厂内的所有炉子的性能必须给于测量和量化。在保养管理中确保Cm和Cmk的受控。这是良好质量的前提条件之一。这方面的讨论不在本文的范围之内。而工艺能力以及加工过程的控制，在生产现场又如何进行呢？



最好的做法就是能够监控每个产品的焊接过程中温度的变化情况。也就是说对每一个产品进行温度曲线测量。当然这如果通过热耦测量的做法，在实际上是不可能的。我们不可能对每一个产品都焊上热耦！有一种技术可以做到，就是非接触式测量的红外测温技术。曾有炉子供应商在炉子内部设计这样的温度监控，但由于技术不成熟，效果不理想而最终没有大量推广。过后就没有见到有开发这类技术的。



数年前，美国KIC公司设计出一套使用固定热耦测试和模拟的技术，达到一定的效果。这是目前他们命名为‘24/7’型号的温度监控系统（注七）。该系统的基本原理是在炉子内部，沿着轨道边上近PCBA平面的地方安装了一些热耦。使用时当调温用的PCBA通过每一个热耦的位置时，该热耦就会测量当时的炉内热风的温度情况，并与测试板上的测温热耦所实际测得的温度情况进行比较、记录和进行模拟。这样当测试板完全经过整个炉子后，也就是整个焊接工艺完成后，炉子内部的固定热耦就能够模拟出完整的，和实际测温板上一样的一条温度曲线。有了这一虚拟的标准曲线，在接下来的每个产品过炉时，所有炉内的固定热耦会不断测量热风并不断模拟每一PCBA上的温度曲线。同时对该虚拟曲线上的温度和时间参数进行计算。并显示和记录每一个产品焊接过程中的工艺状态。用户可以看到类似PWI、Cpk等用来表示工艺风险或能力的信息。用户可以设置预警和警报标准，当某一块PCBA在焊接过程出现问题，或即将出现问题时，系统可以发出警报通知相关技术人员。而每一块PCBA的焊接过程的参数变化也将被全部记录下来。可供质量信息追踪管理使用。



这类系统通过以下的途径提供用户很好的质量控制方法：



1．100%不间断的检查；

2．实时测量和监督；

3．提供预警；

4．完整的纪录方便质量跟踪；

5．完整的报告可以提高客户的信心；



除了以上功能之外，其实这类系统还可以协助监控炉子的表现，提高炉子的维护保养管理，以及将来的采购工作。是个先进数据管理系统中重要的一个工具。



我在一个设备选型项目中做过一项计算评估，这系统可以在初期（采购时） 为该用户节省近两万美金，并提供其他方案无法提供的质量管理水平。而每年由于省去生产前或生产中认证用的曲线测试工作而节省的工时，高达2千9百多小时。相当于多生产26万多个产品的额外产量！这还不包括在设备维护保养上，以及在工艺设计改善上，以及预先防止问题出现和节省返修上的种种节省。所以这类质量监控系统，只要其精度符合要求，是个很值得投资的工具。



当我们进入无铅技术后，缩小的工艺质量窗口对于参数等的偏移敏感得多，也推动了我们对这类质量监控工具的需求。其作用就像质量管理学中的一句常用名言：“不要靠猜测，测量和理解它！”



技术整合：

最后想提醒读者们。良好的PCBA组装并不只靠良好的工艺。而是必须依赖良好的技术整合的。这种技术管理和应用的理念方法，对于窗口更小的无铅技术显得更加重要。技术整合就是同时考虑和控制设计、材料、工艺、设备和质量标准，使它们能够最适当的配合互补。例如在设计上，良好的钢网设计使印后锡膏在焊盘上的覆盖面适合所用锡膏和焊盘镀层的润湿，钢网的开口设计也便于锡膏印刷的完整脱锡；在设备方面，适当的测试评估和选择加热效率高、温区多的炉子可以协助确保PCBA上温差的调控。炉子一致性的测量和保养调整，确保参数调用时可能出现的工艺误差降至最低；在材料方面，良好的锡膏特性，器件镀层材料、工艺和厚度，以及PCB焊盘镀层材料、工艺和厚度的配搭，使工艺参数要求更加一致而减少造成过小的工艺窗口。。。等等。如果用户能够做到这些，无铅对您来说，也不是件十分困难的工作。您一定能够顺利的导入无铅，并比他人更快的使质量稳定受控！



结束语：

无铅技术和锡铅技术相比之下，在工艺、设备性能、DFM、质量管理等课题上的要求更多，也更严格。进入无铅后，我们将处在质量和成本风险较高的环境里。要降低风险，我们必须更好和更多地掌握相关知识。这八期的系列文章，我和读者们分享了各方面的一些要点。虽然文章系列已经到了尾声，但所能提供给读者的也只是九牛一毛。希望读者们能够更广和更努力的去追求无铅技术的知识。



由于篇幅关系，我在本文中的好些部份都只做了总结性的要点描述。读者如果觉得不甚清楚，可以参考我过去的其他相关文章，或发邮件询问。



随着文章系列的结束，我也借此机会对支持我的读者朋友，以及KIC公司表示感谢。希望将来我还能安排出时间，在文章上或讲座上再和大家交流分享。希望我们做得越来越好。制造中心转移到中国，中国人应该起来影响SMT的发展，而非等待使用其他国家的研发结果。祝你们成功！







技术兼管理顾问

薛竞成

2005年12月



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注一：IPC/JEDEC标准允许较大较厚器件的最高封装测试温度低于260oC。详情请参考该标准。



注二：测量系统误差包括热耦误差、测温器误差、热耦设置误差、测试点选择误差。



注三：目前许多加工服务厂（CM或EMS厂）并没有试制或试生产的真正概念。在报价上也因此没有很好的照顾这方面。所以许多加工厂还是十分注重生产速度，不论是试产还是量产。



注四：读者可向KIC公司查询有关其Autofocus软件的功能详情。



注五：PCBA的质量（重量）并不是决定热特性的唯一因素。所以这类软件尚无法完全和高素质的人工方法比美。但在大部分情况下是能胜任的。主要原因在于具备高工艺能力的工程师不容易培养。一般的工程师就未必能够做的比依照PCBA质量来预计热特性来得好。加上软件的速度快，学习和记忆能力特强，所以虽然不算完美，但对绝大多数用户来说是个值得考虑的工具。



注六：有兴趣更深了解DOE在这应用上的缺点的读者可以留意我2006年的回流工艺、SMT设备工程或SMT管理培训班。



注七：24/7是个值得研究和考虑的焊接质量监控系统。读者可以向KIC公司了解更多的信息。