真空回流焊工艺实践

一、空洞率对产品可靠性的影响

随着电子产品的功能不断增强,印制电路板的集成度越来越高,器件的单位功率也越来越大,特别是在通信、汽车、轨道交通、光伏、军事、航空航天等领域,大功率晶体管、射频电源、LED、IGBT、MOSFET 等器件的应用越来越多,这些元器件的封装形式通常为 BGA、QFN、 LGA、CSP、TO 封装等,其共同的特点是器件功耗大,对散热性能要求高,而散热焊盘的空洞率会直接影响产品的可靠性。

贴片器件在回流焊接之后,焊点里通常都会残留有部分空洞,焊点面积越大,空洞的面积也会越大;其原因是由于在熔融的焊料冷却凝固时,焊料中产生的气体没有逃逸出去,而被“冻结”下来形成空洞。影响空洞产生的因素是多方面的,与焊膏选择、器件封装形式、焊盘设计、 PCB 焊盘表面处理方式、网板开孔方式、回流曲线设置等都有关系。

由于受到空洞的影响,焊点的机械强度会下降,而且热阻增大,电流通路减小,会影响焊点的导热和导电性能,从而降低器件的电气可靠性。研究表明,电子产品失效约有 60% 的原因是由温度升高造成的,并且器件的失效率随温度的升高呈指数趋势增长,温度每升高 10℃失效率将提高一倍。

   在 IPC-A-610、IPC7095、IPC7093 等规范中,对于 BGA、BTC 类封装器件的焊点空洞进行了详细描述,对于可塌落焊球的 BGA 类器件,规定空洞率标准为 30%,而其它情况均没有明确标准,需要制造厂家与客户协商确定;对于大功率器件的接地焊盘,一些高可靠性产品的用户对空洞率的要求往往会高于行业标准,进一步降低到10%,乃至更低。

因此,对于如何减少此类 SMT 器件焊点中的空洞,是提升产品质量与可靠性的关键问题之一。行业内目前有多种解决方案,如采用低空洞率焊膏、优化 PCB 焊盘设计、采用点阵式网板开孔、在氮气环境下焊接、使用预成型焊片,等等,但最终的效果并不不是很理想,针对大面积接地焊盘,但很难将空洞率稳定控制在 10% 以下。

真空焊接工艺可以稳定实现 5% 以下的空洞率,是解决空洞率问题非常有效的手段;其中的真空气相焊技术,由于工艺原理与设备结构的原因,并不太适合大批量生产;因此我们下面要讨论的是近年来出现的真空回流焊工艺。

 

二、真空回流焊技术

真空回流焊接工艺是在回流焊接过程中引入真空环境的一种回流焊接技术,相对于传统的回流焊,真空回流焊在产品进入回流区的后段,制造一个真空环境,大气压力可以降到 5mbar(500pa)以下,并保持一定的时间,从而实现真空与回流焊接的结合,此时焊点仍处于熔融状态,而焊点外部环境则接近真空,由于焊点内外压力差的作用,使得焊点内的气泡很容易从中溢出,焊点空洞率大幅降低,参见图 1。低的空洞率对存在大面积焊盘的功率器件尤其重要,由于高功率器件需要通过这些大面积焊盘来传导电流和热能,所以减少焊点中的空洞,可以从根本上提高器件的导电导热性能。

真空回流焊接技术的工艺参数,相对于传统回流焊接,在温度、链速等参数基础上,增加了四个真空参数,包括真空度、抽真空时间、真空保持时间与常压充气时间(参见图 2),其中还可以通过阶梯式分段抽真空,逐步降低大气压,以防止器件受到真空冲击引起熔融态的焊点发生异常 , 同时防止焊料在熔融状态时,内部气泡与真空腔体之间压差变化太快太大而导致炸锡现象,从而使得器件周围有锡珠问题。

三、真空回流焊设备结构解析

真空回流炉是在传统回流炉的基础上,增加了一个真空腔体,位于高温回流区的末段。目前国内主流的真空回流炉品牌有 SMT 和 REHM,两家的设备结构存在不同,其中 SMT 采用的是三段可以拼接分体结构,REHM 采用的是一体结构,以下以 SMT 品牌为例,进行解析。

由图 3 可见,真空回流炉由三段结构拼接而成,第一段为预热回流模组,一般分为 6-8 温区,第二段为真空区,分为两个区,第三段为冷却区,分为 2-5 个区,可以根据不同产品的焊接工艺需要进行配置。其中真空区的腔体大小也可以根据产品的尺寸不同而进行选择。

真空回流炉的真空腔体结构如下图 4,腔体的下部与设备基座、链条轨道系统连接固定,而上盖可以垂直上下升降,从而实现腔体的开启与密闭,腔体侧壁开孔与外置真空泵连接,用于进行抽真空与回压;而腔体的加热则依靠腔体上方和相邻的两组热风加热器。

真空区的长度有两个规格可选,分别为320、450毫米,轨道宽度是可以在程式设定自动调节,可调范围 65—510 毫米;由于 PCB 板需要在真空区停留进行抽真空、保持真空及回复常压的操作,真空区链条轨道的前后设置有专用传感器,以防止发生传输问题导致卡板、夹板;同时在真空回流炉的入口,通过 SMEMA 信号控制、阻挡机构来控制进板的间隔,防止传输中的 PCB 板发生“撞车” 事故。

四、真空回流焊炉温曲线特点

1、炉温曲线测量方式

真空回流炉在实际焊接过程中,PCB 板需要在真空区停留约 10--30 秒左右,所以真空回流的测温过程与传统回流炉存在差异。设备软件中设有专用测温模式,当该模式启动后,测温板到达真空区时,链条整体停止运转,真空腔的上盖并不会下降(避免压住测温仪、测温线),真空泵也不会启动,测温板停留时间达到真空参数设定的累计时间后,链条恢复运转,从而完成模拟测试回流曲线。为了更精确的进行炉温测试,也可使用专用治具,此时可以不使用测温模式,关闭真空腔,启动真空泵进行实际测试;此时需要考虑测温仪、测温板的整体长度与真空腔体长度的匹配。

 

2、回流时间延长

PCB 板在真空区需要停留进行真空焊接处理,循环时间一般在 30 秒左右,然后才能继续传输至冷却段,因此,整体回流时间将较普通回流焊要长,其 TAL 时间将达到 100 秒左右,图 5 为典型的真空回流炉温曲线。一些对回流时间敏感的元器件会带来一定风险,需要在进行工艺设计时进行规避。

3、三段式链条传输轨道

真空回流炉的传输链条分为三段,分别是回流段、真空段、冷却段,一般情况下默认设定三段轨道链速一致;在开启真空焊接功能后,冷却段链速可以单独设定,从而出现前后传输段 PCB 板的速度不同的情况,此时炉温曲线的回流参数会改变,同时也会影响到冷却斜率,也可以减低产品出炉温度。

 

五、去气泡效果显著

在真空回流过程中,理论上可以完全去除焊锡中的空洞,而实际应用中,要根据 PCB 及器件情况,对真空参数进行调试。

普通回流焊焊盘的空洞率在 25% 左右,而采用真空焊后,焊点空洞率显著降低;在不同真空度下,空洞比例均可达到 5% 以下;真空度越低,空洞率越低;真空保持时间越长,空洞率亦越低。具体参见下表对比照片。

六、应用风险点

真空回流焊在去除焊点空洞方面有显著的优势,对于提升焊点的可靠性,带来很大帮助。但是,在另一方面,元器件生产厂家一般没有为真空回流焊接工艺进行针对性的可靠性验证,在实际生产应用中,还是存在一定工艺风险,需要在工艺设计中予以优化和规避。

1、器件封装失效风险

真空回流焊对于大多数元器件来说是可以耐受的,但是,仍有极少数器件会存在失效风险。

内部带有空腔的非气密性元器件,腔体中的空气在高温下受热膨胀,与真空环境叠加之后,器件内外的压力差较普通回流焊条件下更大;与此同时,当环境温度大于材料的 Tg 温度之后,材料的 CTE 会显著增大,各项机械强度指标均急剧下降;在材料本身的热应力与内外部的空气压力下,可能会导致封装开裂。

图 6 为某 QFN 封装器件在模拟回流焊接环境下的表面热变形测量数据图(常压环境),可以看到 5 个样品器件中,2 个变形量超过 140um ;而在真空回流环境中,其变形量将进一步扩大,并最终在基板与上盖的粘接处发生开裂。

2、回流时间超限

真空回流焊的回流时间比普通回流焊更长,一般会达到 80 秒以上,部分元器件会超过 100 秒;对于一些 TAL 规格参数较短的器件,会超出其的规格范围,从而有导致器件损坏的风险。对此,应在炉温调试中对这些器件进行准确测量,并采取措施进行规避。

 

3、焊点风险

真空回流焊对 BTC 类器件焊点的影响在于,器件焊点的 Stand-off 高度有明显降低,导致焊锡向四周延展,从而产生焊点桥连的风险;因此,必要时需要对部分焊盘的网板开孔进行适当缩小。

在焊接 BGA 器件时,当 BGA 球的 pitch ≤ 0.4mm,使用真空制程,易产生焊点桥连现象,所以在焊接球距过小过密时不建议使用真空制程。也可以通过适当缩小网板开口来减少 BGA 桥连的风险,但同时也要考虑到网板面积比要求。

而对于大面积接地焊盘,由于空洞的大幅减少乃至消除,最终焊锡覆盖率有可能会减少;此时,需要适当扩大接地焊盘网板的开孔面积。

 

4、设备风险

真空回流焊的设备风险主要来自于三段式的传输链条系统,以及真空腔体。由于真空段链条与前后段链条之间存在间隙(如图 7),距离在 20-30mm 左右,而链条的回转半径约为 15mm,当 PCB 经过间隙时,链条与 PCB 的接触边存在 50-60mm 的空白,对于尺寸小于 100mm 的电路板,发生卡板的几率会增加,也可能出现 PCB 震动,发生器件移位、反面元件掉落、甚至 BGA 焊球短路等缺陷。建议使用治具过炉可以大大降低风险。

其次,真空区的运动部件较多,长期处于高温工作(大于 250 度以上),真空区域的设备维护与保养要求应当得到严格执行,特别是链条系统、传感器、密封圈等,均应在良好状态下工作,否则会影响真空参数的精确控制,或者发生卡板、传输故障等问题。

5、操作风险 

真空回流炉在生产过程中,电路板会在真空区停留一段时间,而此时,前段预热区的链条还在持续传输,因此要严格保证电路板进炉的间隔距离;虽然设备硬件本身会通过 SMEMA 接口控制进板轨道的信号连接;而在实际生产中,操作员有时的采用手工推板的方式进炉,若板与板之间的距离小于设备设定的最小间隔,则会在真空区发生“撞板”、卡板事故,造成不必要的损失。

 

七、小结

真空回流焊接工艺对于去除焊点空洞有非常显著的作用,在真空条件下,通过合理设定工艺参数,均可以稳定实现 5% 以下空洞率的批量生产。

真空回流工艺在实际生产应用中存在的工艺风险,需要工艺技术人员加以识别和规避,通过对器件封装结构、工艺门限进行筛选实验,对网板开孔、工艺参数进行优化,对设备维护、以及人员操作等加强管控,确保产品最终的焊接品质。

相信在高可靠性产品领域,对真空回流焊工艺的应用需求会愈来愈广泛,相关的工艺研究也会越来越深入。

 

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