浅谈回流焊炉温度设置及焊点的切片金相检测
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摘 要：隨着电子元器件的小型化、高集成度的发展趋势下，SMT（表面组装技术）技术应运而生，SMT工艺的核心技术包括自动锡膏印刷、自动元器件贴装和回流焊三项技术。其中回流炉是SMT中的关键技术之一，回流炉参数设置好坏是影响焊接质量的关键，通过温度曲线的设置，焊接后的焊点进行切片分析、IMC层厚度检测，从而达到验证回流焊焊接曲线的目的。
关键词：SMT（表面组装） 回流焊 温度曲线 有铅 无铅
中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0083-02
随着电子技术的发展，回流焊已是SMT（表面组装技术）中的关键技术之一，回流炉参数设置好坏是影响焊接质量的关键;尤其是回流焊接中的温度参数至关重要。设定温度曲线的相关参数满足要求后，确定回流焊炉的工作温度，并对焊接后的焊点进行切片分析、IMC层厚度等检测，以确定焊接后产品的质量。
1 如何确定温度曲线
目前航天行业从可靠性考虑，电子产品的焊接大多以有铅焊料为主，选用免清洗有铅焊膏RMA-010-FP，焊膏粉成分63Sn37Pb，焊膏熔点为183℃，焊膏颗粒度为22～45?m，，黏度210Pa.s。
焊膏都有相应的温度曲线。根据回流焊的原理，一条温度曲线共分为5个部分[1-3]：
（1）升温区：将印制板由室温加热至100℃，但是加热速度不能太快，太快会导致助焊剂中的溶剂丧失。通常升温速度控制在<2℃/s。
（2）预热区：从100℃～150℃为预热区，目的是使PCB、元器件及焊膏充分预热，升温速度控制在<2℃/s，如果升温速度太快，一方面，元器件容易损坏并造成PCB变形。另一方面，焊膏中的溶剂挥发速度太快，易造成金属粉末溅出，产生锡球。
（3）快速升温区：从150℃～183℃为快速升温区，当温度升到150℃～160℃时，焊膏中的助焊剂开始迅速分解活化，如果时间过长会使助焊剂提前失效，影响液态焊料润湿性。理想升温速度为1.2℃～3.5℃/s。
（4）回流区：从183℃～183℃为回流区（大约需要60～90s），这一区域的温度设置的最高，焊料达到熔点变为液态，在回流焊区，焊接峰值温度一般比焊膏熔点温度高30℃～40℃。
（5）冷却区：从183℃～75℃，在这一区域内，焊膏中的铅锡粉末已经充分熔化并润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到光滑的焊点并有好的外形和低的接触角度。
由于一块印制板上大部分元器件为有铅器件，但个别进口器件是无铅器件，因此峰值温度比焊接有铅元件略微高 5℃左右[4]。用高温焊料将热电偶固定在器件晶振、SOJ、QFP引脚上，结合焊膏厂家推荐曲线和典型温度曲线来确定试验样品的焊接曲线。
（1）晶振器件引脚焊点最大升温斜率为1.3℃/s，预热区温度在100℃～150℃，停留80.2s，峰值温度为222.3℃，回流时间为 76.8s，冷却速率1.8℃/s。
（2）SOJ器件引脚焊点最大升温斜率为1.6℃/s，预热区温度在100℃～150℃停留73.8s，峰值温度为227.7℃，回流时间为77.1s，冷却速率2.1℃/s。
（3）QFP器件引脚焊点最大升温斜率为1.6℃/s，预热区温度在100℃～150℃停留68.1s，峰值温度为227℃，回流时间为77.1s，冷却速率1.9℃/s。
调试出的温度曲线满足升温区、预热区、回流区、冷却区的设定标准，按此温度曲线进行样品焊接。
焊接后的焊点经目测和放大镜检查焊点表面光滑、明亮。焊点表面无气孔或非结晶状态，无虚焊、假焊（冷焊）。焊点润湿良好，焊点与邻近的导电通路之间无拉丝、桥接等现象。
2 焊点金相分析
为了验证焊接曲线需开展焊点检测工作，我所委托一家具有材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务，并具有CNAS与CMA认可资质的专业实验室。其服务产品涉及：电子材料、电子元器件、CCL/PCB/PCBA、金属材料、塑胶材料等产品。服务行业涉及：印制电路、电子组装、计算机、航天等领域。
对试验印制电路板的焊点进行切片分析、IMC层厚度。切片金相分析用途广泛，通常主要用于焊点品质缺陷（锡裂、空洞、PCB 分层和焊点形状异常）分析和金属间化合物层（IMC）。以及在元器件键合接点及线路、PCB 焊盘表面镀层、PCBA及内层电路的综合性检查分析等。
切片分析其试验步骤为：
（1）在PWB板上截取样品;（2）器件做成切片（P1是SOJ元器件，P2是QFP元器件）;（3）用研磨机將其研磨并拋光;（4）用电子显微镜选取切面图片測量分析（单位：μm）。如图试验样品切片分析运用的设备有乐可的真空冷镶机型号Q-290，Presi双盘研磨抛光机型号MINITECH 263，蔡司的金相显微镜AXIO Imager.A2m。运用标准为检测标准：IPC-TM6502.1.1手动微切片法。
切片金相分析就是通过取样、镶嵌固定、定点切片、研磨抛光、切面微蚀、显微观察等一系列手段获得焊点横截面的金相结构的过程，并在显微镜下进行拍照。IPC-A-610F可接受1、2、3级任一焊料球的空洞等于或小于30%，IPC标准中却没有对 QFP、SOJ 的气泡（空洞）做相应的规定.检测结果： 样品空点率<10%。
检测金属间化合物（IMC）层厚度设备：Hitachi的扫描电子显微镜型号S-3400N。检测标准：GB/T 16594-2008微米级长度的扫描电镜测量方法。
金属间化合物（IMC）是在受热的条件下，融化的焊锡材料中的锡原子和焊盘或焊接元件（主要成分是铜原子）的接触界面原子相互扩散。
金属间化合物（IMC）层太薄（<0.5μm），是由于温度偏低且时间不足，造成焊接不充分，严重时会造成焊膏不熔。IMC层过厚（>4μm），是由于峰值温度过高或回流时间长，造成金属粉末严重氧化，影响焊点强度，严重时还会损坏元器件和印制板。从外观看，印制板会严重变色。
IMC层厚度检测先将样品切割、冷镶、研磨、抛光，样品表面经镀Pt 25s后，按照标准作业流程放入扫描电子显微镜样品检测位置进行放大观察。
IMC层厚度（单位：?m）检测结果：P1（SOJ元器件），L-S平均值2.01，R-S平均值3.61，L-X平均值2.33 ，R-X平均值2.35。，P2（QFP元器件），L-S平均值0.908，R-S平均值1.50，L-X平均值1.55，R-X平均值1.31。
检测结果显示金属间化合物（IMC）层最薄在 0.5～4 μm 之间时的抗拉是可接受的。
3 结语
有铅焊料和有铅器件、无铅器件的混和焊接，设置其回流焊温度曲线，并通过焊接后的印制板进行焊点切片分析、IMC层厚度检测，从而达到了验证回流焊焊接曲线。
参考文献
[1] 彭占勇.影响表面贴装产品质量的因素及其控制方法[J].电子工艺技术，2000（1）：27-31.
[2] 廖庆富.数据挖掘在提高SMT焊接质量中的应用研究[D].广东工业大学，2013.
[3] 沈正亮.试论QC小组活动中的科学思维方式[J].上海质量，2012（4）：66-69.
[4] 顾霭云.向无铅产品过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题[A].2007中国高端SMT学术会议论文集[C].
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