PCBA加工之锡膏溶焊工艺

谢谢侬

各种表面贴装元件在电路板面上的互连引脚，不管是伸脚、勾脚（J-Lead）、球脚或是无脚而仅具焊垫者，均须先在板面承垫上印着锡膏，而对各“脚”先行暂时定位贴着，然后才能使之进行锡膏融熔的永久焊接。原文的Reflow是指锡膏中已熔制成的焊锡小球状粒子，又经各种热源而使之再次熔融焊接而成为焊点的过程。一般PCBA业者不负责任的直接引用日文名词“迴焊”，其实并不贴切，也根本未能充份表达Reflow Soldering的正确含义。而若直译为“重熔”或“再流”者更是莫名其妙不知所云。
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- _+ u/ f0 o& L5 L/ \. {一、锡膏的选择与储存：
) A& \8 ?% Q5 {9 q目前锡膏最新国际规范是J-STD-005，锡膏的选择则应着眼于下列三点，目的是在使所印着的膏层都要保有最佳的一致性：
(1)锡粒（粉或球）的大小、合金成份规格等，应取决于焊垫与引脚的大小，以及焊点体积与焊接温度等条件。
(2)锡膏中助焊剂的活性（Activity）与可清洁性（Cleanability）如何？
(3)锡膏之贴度（Viscosity）与金属重量比之含量如何？
由于锡膏印着之后，还需用以承接零件的放置（Placement）与引脚的定位，故其正面的贴着性（Tackiness）与负面的坍塌性（Slump），以及原装开封后可供实际工作的时程寿命（Working Life）也均在考虑之内。当然与其他化学品也有着相同观点，那就是锡膏品质的长期稳定性，绝对是首先应被考虑到的。
其次是锡膏的长时间储存须放置在冰箱中，取出使用时应调节到室温才更理想，如此将可避免空气中露珠的冷凝而造成印点积水，进而可能在高温焊接中造成溅锡，而且每小瓶开封后的锡膏要尽可能的用完。网版或钢板上剩余的锡膏也不宜刮回，混储于原装容器的余料内以待再次使用。

$ Y  K6 n% Q) q- f二、锡膏的布着及预烤：
8 Y/ h& T! o8 {) U) R板面焊垫上锡膏的分配分布及涂着，最常见的量产方法是采用“网印法”（Screen Print），或镂空之钢板（Stencil Plate）印刷法两种。前者网版中的丝网本身只是载具，还需另行贴附上精确图案的版膜（Stencil），才能将锡膏刮印转移到各处焊垫上。此种网印法其网版之制作较方便且成本不贵，对少量多样的产品或打样品之制程非常经济。但因不耐久印且精淮度与加工速度不如钢板印刷，故在大量生产型的台湾PCBA组装厂商较少使用前者。
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3 g* u# Y% _/ C$ A7 a至于钢板印刷法，则必须采用局部化学蚀刻法或雷射烧蚀加工法，针对0.2mm厚的不锈钢板进行双面精淮之镂空，而得到所需要的开口出路，使锡膏得以被压迫漏出而在板面焊垫上进行印着。其等侧壁必须平滑，使方便于锡膏穿过并减少其积附。因而除了蚀刻镂空外，还要进行电解抛光（Electropolishing）以去除毛头。甚至采用电镀镍以增加表面之润滑性，以利锡膏的通过。

锡膏的分布涂着除上述两种主要方法外，常见者尚有注射布着法（Syringe Dispensing）与多点沾移法（Dip Transfer）两种用于小批量的生产。注射法可用于板面高低不平致使网印法无法施工者，或当锡膏布着点不多且又分布太广时即可用之。但因布着点很少故加工成本很贵。锡膏涂布量的多寡与针管内径、气压、时间、粒度、贴度都有关。至于“多点沾移法”则可用于板面较小等封装载板（Substrates）之固定阵列者，其沾移量与贴度、点移头之大小都有关。
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* m" F1 Q* r$ t8 T6 k. [/ [某些已布着的锡膏在放置零件贴着引脚之前，还需要预烤（70~80℃，5~15分钟），以赶走膏体中的溶剂，如此方可减少后来高温熔焊中溅锡而成的不良锡球（Solder Ball），以及减少焊点中的空洞（Voiding）；但此种印着后再热烘，将会使降低贴度的锡膏在踩脚时容易发生坍塌。且一旦过度预烤者，甚至还会因粒子表面氧化而意外带来焊锡性不良与事后的锡球。

三、高温熔焊(Reflow)
1、概说
高温熔焊是利用红外线、热空气或热氮气等，使印妥及已贴着各引脚的锡膏，进行高温熔融而成为焊点者，谓之“熔焊”。80年代SMT兴起之初，其热源绝大多数是得自发热效率最好的辐射式（Radiation）红外线（IR）式机组。后来为了改善量产的品质才再助以热空气，甚至完全放弃红外线而只用热空气之机组者。近来为了“免洗”又不得不更进一步改采“热氮气”来加温。在其能够减少待焊金属表面的氧化情形下，“热氮气”既能维持品质又能兼顾环保，自然是最好的办法，不过成本的增加却是无比的杀伤力。

. B2 x$ V0 U. r% c$ Z除了上述三种热源外，早期亦曾用过蒸气焊接（Vapor Soldering），系利用高沸点有机溶剂之蒸气提供热源，由于系处于此种无空气之环境中，不会氧化之下既无需助焊剂之保护也无需事后之清洗，是一种很清洁的制程。缺点是高沸点（B.P.）溶剂（如3M的FC-5312，沸点215℃）之成本很贵，且因含有氟素，故长期使用中免不了会裂解产生部份的氢氟酸（HF）之强酸毒物，加以经常出板面小零件之“竖碑”（Tombstoning）不良缺点，故此法目前已自量产中淘汰。
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9 s' B1 p4 c2 B( p! K还有一种特别方法是利用雷射光的热能（CO2或YAG），在非焊枪式的接触下，可对各单独焊点进行逐一熔焊。此法具快热快冷的好处，而且对极微小纤细的精密焊点相当有利。对于一般大量化之电子商品则显得非常不切实际了。其他尚有类似手工焊枪式做法的“热把”（Heat Bar）烙焊，系利用高电阻发热的一种局部焊接法，可用之于修理重工，却不利于自动化量产。
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2、红外线与热风
常见红外线可按其波长概分为：   
% {; N8 Y& v* u(1)波长为0.72~1.5μm接近可见光的“近红外线”（Near IR）。
(2)波长1.5~5.6μm的“中红外线”（Middle IR）。
(3)以及热能较低波长为5.6~100μm的“远红外线”（Far IR）。
6 s. K* J3 A7 P) _3 L红外线焊接的优点有：发热效率高、设备维修成本低、“竖碑”之缺点较蒸气焊接减少、并可另搭配高温热气体共同操作。缺点为：几无上限温度，会常造成烧伤，甚至导致待焊件过热的变色变质，且也只能焊SMD无法焊PTH之插装元件脚。
' [1 K$ ^8 @  x% g% XIR的热源有日光灯式长管状的T3钨丝灯管，属Near IR直晒热量很大，但也容易出现遮光而热量不足的情形。其次是镍铬丝（Nichrome）的灯管，属Near或Middle之IR类。第三种是将电阻发热体埋在硅质可传热的平板体积中，属Middle/Far之 IR形式。此全面性热量，除了正面可将热量凌空传向待焊件外，其背面亦可发出并针对工作物反射热能，故又称为“二次发射”（Seconding Emitter）。使各种受热表面的热量更为均匀。
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由于红外线在高低不同的零件中会产生遮光及色差之不良效应，故还可吹入热风以调和色差及辅助其死角处之不足处，并可进行PTH之插焊；因而使得早先之单纯IR者几乎为之除役。所吹之热风中又以热氮气最为理想，其优点如下：
8 ?& b2 |2 d( B; T# J9 p8 N(1)大幅减少氧化反应，故助焊剂已可减量使用，并亦减少清洗及降低锡球。
; w/ ~6 C0 G6 m& o  H% i- ?(2)无氧环境中助焊剂被点燃机率减少，故可提高焊温（如300℃）加快输送速度。
(3)树脂表面变色机率减少。

) R1 A& g( n7 D: u, a9 l3、自动输送流程：
# X) J' r  q% X/ {6 v连线熔焊之整体温度变化曲线（Profile）；有预热（吸热），熔焊及冷却等三大阶层。每阶层中又有数个区段（Zones），区段较少者（3-4段）输送速度较慢（26cm/min），区段较多者（7段以上）则速度加快（接近50cm/min）温控也较淮确。一般批量者以6段较合适。全线行经的时间以4-7分钟之间为宜。

预热可使板面温度达150℃，而助焊剂在120℃中90-150秒内即可发挥活性去除锈渍，并能防止其再次生锈。板材的Tg温度愈高愈好，因超过Tg以上的塑胶材料，不但会呈现软化之塑性而大大伤害到尺度安定性，且各方向（X.Y.Z）的膨胀加剧下PTH也容易断孔。每种不同料号板面，均有其最佳的输送速度，但一般性熔焊区之停留时间可规定在30-60秒之间，焊温以220℃为宜。量产前应分别订定出实用标淮作业程序（SOP）。
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须先在板面承垫上印着锡膏，而对各“脚”先行暂时定位贴着，然后才能使之进行锡膏融熔的永久焊接。