CN101052293A - 表面贴装工艺生产线上回流焊接曲线的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面贴装工艺生产线上回流焊接曲线的控制方法，用目标回流曲线的总温升长度除以所用回流炉总加热长度得到炉的带速，并以炉各加热区长度除以带速获得电子组装产品在各加热区停留的时间；然后根据回流曲线的轨迹确定其在各加热区停留时间的温度增加；将目标回流曲线在各个加热时间段的温度增加作为回流炉各个加热区温度设置的相对差值，从而将炉各加热区间热源温度参数设定组合成一个参数，该组合参数以邻近冷却区的最后一加热区的温度设置表示，并将其设置为比目标回流曲线的峰值温度高5～25℃，高出值依据焊点热特性作相应调整。而冷却区间的温度设置可以比焊膏熔点温度低100－120℃，从而获得完整的回流炉控制参数设置。

Description

表面贴装工艺生产线上回流焊接曲线的控制方法

技术领域

本发明涉及一种表面贴装工艺生产线上如何控制以强制热风对流为主要传热机制的回流炉实现贴片式电子元件与印刷电路板之间回流焊接的方法，尤其适用于将含有球栅阵列封装的各种贴片元件回流焊接在同一印刷电路板上，并且适用于无铅焊接，属于微电子封装技术领域。

背景技术

在回流焊作业中，回流曲线的控制基本上决定着回流焊接的成功与否。回流曲线是贴片式集成电路元件和印刷电路板之间的焊点在回流焊接过程中应经历的曲线。随着无铅焊料在微电子制造工业中的实施，回流窗口变窄，使得回流曲线的控制益发困难。如何控制回流曲线而完成电子元件与印刷电路板的焊接方法正困扰着工业界。

回流曲线的控制主要取决于所采用焊膏的特性，通常由相应焊膏的制造商推荐。一般的，对于某一无铅焊膏的回流曲线来说有如下要求：各个焊点的峰值温度比焊膏熔点温度高出一定值，焊点在液相线以上保持的时间应在一定范围，各个焊点的回流曲线在液相线下附近某一温度到液相温度之间满足一定能够范围，焊点的升温速率和冷区速率在一定范围之间。要实现这样的回流曲线，必须由配备有多个独立加热区间的回流炉来实现。

显然，这是一个多目标优化的问题，要让同一印刷电路板上所有焊点同时满足上述五个优化目标，确实是一个棘手的问题。目前在工业界上采用的回流曲线预测软件，主要利用统计学原理，辅助调节回流炉的各个区间的参数来实现上述多个优化目标。但是由于回流焊作业的复杂性，即使借助于预测软件也很难同时实现这多个目标。在回流焊接时，针对回流曲线的每一优化目标(比如峰值温度的调节)而调整炉控制参数时，都会改变其它的目标值，使得满足全部工艺控制目标要求的回流焊接曲线难以实现。特别是：回流焊接不是某一点的焊接，而是成百上千的焊点同时焊接；焊点分布在不同热质的电子元件下面，受热时总存在温度差异，(即使同一元件下面的焊点也会由于受热位置的不同在焊接时的温度也会不同)，不同焊点的回流曲线在回流过程中的差异总是存在的，这使得各个焊点的回流曲线必须同时满足多个优化目标的要求变得更加困难。

实际上，焊点连接是一种冶金结合过程，是通过熔化的合金在焊接界面上相互扩散形成金属间化合物(IMC)来保证的。回流焊接的实质就是贴片式电子元件的焊料球和印刷电路板上的焊盘在回流时润湿而生成IMC，从而形成机械和电气连接的。IMC的生成是实现焊接的必要条件，而且研究发现IMC的厚度对形成焊点的可靠性影响最为显著，越厚的IMC越容易产生焊点的脆性，因此IMC在回流过程中必须生成但要尽量的薄。IMC厚度强烈地依赖于回流温度曲线，特别是回流曲线的峰值温度和其在熔点以上所经历的时间。如果控制了回流曲线的峰值温度和熔点以上的时间，就可以控制IMC的厚度，可以使得其尽量的薄，也就实现了焊接的高可靠性。加热因子综合了两个目标参数—峰值温度和液相线以上的时间对IMC的影响，将液相阶段二元目标参数的控制转化为一元目标参数的控制。加热因子Q是回流温度曲线在液相线(焊料的熔点温度)上的温度T(t)对时间t的积分(单位：s℃)，用公式表示为：

$Q={\∫}_{t_1}^{t_2}(T\left(t\right)-T_m)\mathrm{dt}$

其中，t₁和t₂分别为达到熔点温度的开始时间和结束时间；T_m为焊料合金的熔点。这样Q和焊点的可靠性紧密的联系在一起，通过控制Q可以获得高可靠性的焊点。另一方面，因为回流焊接的实质-IMC生成在液相阶段发生，这样对加热阶段回流曲线的形状就不必严格控制，这为回流曲线的控制带来了很大的灵活性。但这并不意味着加热阶段回流曲线的形状不必考虑，回流曲线的加热阶段主要用于确保焊膏性能的要求一诸如助焊剂的活化性，而且作为加热因子控制的基础，一定形状的回流曲线大体上还是要遵循焊膏制造商的推荐。

目前尚未有围绕上述目标实现所进行的研究成果公开报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种表面贴装工艺生产线上回流焊接曲线的控制方法，使得印刷电路板上各个焊点的回流曲线逼近焊膏制造商推荐的回流曲线的形状，并总能得到一定大小的加热因子，为加热因子的进一步调整奠定基础，提高回流焊生产的质量和效率。

为实现上述目的，本发明立足于回流焊接的关键-金属间化合物形成的厚度可以通过对加热因子(回流温度曲线在液相线(焊料的熔点温度)上的温度对时间的积分)的控制获得适当的厚度，从而确保焊点的高可靠性。本发明用目标回流曲线的总温升长度除以所用回流炉总加热长度得到炉的带速，并以炉各加热区长度除以带速获得电子组装产品在各加热区停留的时间；然后根据回流曲线的轨迹确定其在各加热区停留时间的温度增加；将目标回流曲线在各个加热时间段的温度增加作为回流炉各个加热区温度设置的相对差值，从而将炉各加热区间热源温度参数设定组合成一个参数，该组合参数以邻近冷却区的最后一加热区的温度设置表示，并将其设置为比目标回流曲线的峰值温度高约5～25℃，高出值依据焊点热特性作相应调整。而冷却区间的温度设置可以比焊膏熔点温度低100-120℃，从而获得完整的回流炉控制参数设置。

本发明的方法具体步骤如下：

1、将焊膏制造商推荐的回流曲线作为目标曲线，利用目标曲线从环境温度上升到其峰值温度所需的总时间长度除以所采用回流炉各个加热区的总长度，得到回流炉的走带速度。

2、确定所采用回流炉各个加热区的长度，并以各个加热区的长度除以该回流炉的走带速度，得到回流过程中电子组装产品在炉中各个加热区停留的时间。

3、将目标曲线的温升部分(从环境温度上升到峰值温度)按电子组装产品在各个加热区停留的时间划分成各个时间段，各个时间段分别对应回流炉的各个加热区；然后根据目标曲线温升部分的轨迹确定目标回流曲线在各个时间段应得到的温度增加值。

4、令回流炉各个加热区间温度设置的相对差值等于目标回流曲线在各个对应时间段的温度增加值，从而通过利用回流曲线的形状所确定的相对差值将回流炉各个加热区间的温度设置组合成为一个参数，这个组合参数用邻近冷却区的最后一个加热区的温度设置表示。

5、令上述组合参数等于目标回流曲线的峰值温度加上一个补偿值作为回流炉各个加热区的温度设置，各个加热区温度设置的相对差值不变，且各个加热区顶部热源和底部热源的温度一致；所述补偿值约为5～25℃，其大小取决于印刷电路板上组装的最大热容量元件的热容，大则大之。回流炉冷却区温度可以设置在焊膏熔点以下100-120℃，一般为110℃左右，其设置取决于印刷电路板的热特性，若板子层数多，比较厚，则可以比110℃低一些，反之可高一些。

6、通过上述步骤逐渐获得回流炉带速，加热区温度参数设置和冷却区温度参数设置，从而获得完整的回流炉控制参数设置。

利用本发明提出的方法，可以快速的得到任意形状回流曲线在任意以强制对流为主要传热机理的回流炉中实现的控制设计，并总能得到一定大小的加热因子，为加热因子的进一步调整获得其最优范围奠定基础，尤其适用于无铅回流焊接。进一步的可以通过加热因子最优范围的控制，可以获得适当厚度的金属间化合物，从而达成回流焊接的高可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例采用的某一无铅焊膏曲线。

图2示意了目标回流曲线的总的温升部分长度。

图3示意了温度曲线的划分。

图4示意了回流炉各个加热区温度参数的相对设置。

具体实施方式

以下通过具体的实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步描述。以某一目标回流曲线在一个全热风的多温区回流炉中实现为例，阐述根据特定形状回流曲线确定回流炉热控参数的步骤方法。具体如下：

1、将焊膏制造商推荐的，如图1所示的某一无铅焊膏回流曲线作为本发明实施例中的目标曲线，其采用加热因子概括表征峰值温度和液相时间。利用目标曲线从室温上升到其峰值温度所需的总时间长度，如图2中所示的L_H，除以所采用回流炉各个加热区的总长度，得到回流炉的走带速度。

2、确定所采用回流炉各个加热区的长度，并以各个加热区的长度除以该回流炉的走带速度，得到回流过程中电子组装产品在炉中各个加热区停留的时间。

3、将目标回流曲线的温升部分L_H根据电子组装产品在回流炉各个加热区间停留的时间划分成n区间，n等于所采用回流炉的总的加热区的数目(本例n＝4)，各区间时间段分别对应回流炉的各个加热区。如图3所示，根据目标回流曲线的轨迹估算焊点在各个区间应得到的温度增加值δHⁱ(i＝1，2，…，n)。

4、根据回流曲线在各个区间的温升δHⁱ，计算回流炉各个加热区热源温度参数设置与组合参数的相对差值ΔHⁱ(i＝1，2，…，n)：令ΔHⁿ＝0，ΔH^n-1＝δHⁿ，ΔH^n-2＝δHⁿ+δH^n-1，...，ΔH¹＝δHⁿ+δH^n-1+…+δH²。由此得到炉子各个温区的温度设置：Hⁿ，H^n-1＝Hⁿ-ΔH^n-1，H^n-2＝Hⁿ-ΔH^n-2，...，H¹＝Hⁿ-ΔH¹。用Hⁿ表示各个温区的温度设置，如图4所示，从而将回流炉各个加热区的热源温度设置组合成为一个参数设置Hⁿ，其中各温区温度参数设置的相对差值总是等于目标回流曲线在各个对应时间段的温度增加值。

5、令上述组合参数等于目标回流曲线的峰值温度加上一个补偿值作为回流炉各个加热区的温度设置，各个加热区温度设置的相对差值不变，且各个加热区顶部热源和底部热源的温度一致；所述补偿值一般约为5～25℃，其大小取决于印刷电路板上组装的最大热容量元件的热容，大则大之。回流炉冷却区温度可以设置在焊膏熔点以下100-120℃，一般在110℃左右，其设置取决于印刷电路板的热特性，若板子层数多，比较厚，则可以比110℃低一些，反之可高一些。

6、通过上述步骤逐渐获得回流炉带速，加热区温度参数设置和冷却区温度参数设置，从而获得完整的回流炉控制参数设置。

用本发明方法获得的各个回流炉控制参数运行回流炉，将使印刷电路板上的各个焊点总能得到一定大小的加热因子。进一步的通过加热因子最优范围的控制，可以获得适当厚度的金属间化合物，从而达成回流焊接的高可靠性。

Claims (1)

1、一种表面贴装工艺生产线上回流焊接曲线的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将焊膏制造商推荐的回流曲线作为目标曲线，利用目标曲线从环境温度上升到其峰值温度所需的总时间长度除以所采用回流炉各个加热区的总长度，得到回流炉的走带速度；

2)确定所采用回流炉各个加热区的长度，并以各个加热区的长度除以该回流炉的走带速度，得到回流过程中电子组装产品在炉中各个加热区停留的时间；

3)将目标曲线从环境温度上升到峰值温度的温升部分按电子组装产品在各个加热区停留的时间划分成各个时间段，各个时间段分别对应回流炉的各个加热区；然后根据目标曲线温升部分的轨迹确定目标回流曲线在各个时间段应得到的温度增加值；

4)令回流炉各个加热区间温度设置的相对差值等于目标回流曲线在各个对应时间段的温度增加值，从而通过利用回流曲线的形状所确定的相对差值将回流炉各个加热区间的温度设置组合成为一个参数，这个组合参数用邻近冷却区的最后一个加热区的温度设置表示；

5)令上述组合参数等于目标回流曲线的峰值温度加上一个补偿值作为回流炉各个加热区的温度设置，各个加热区温度设置的相对差值不变，且各个加热区顶部热源和底部热源的温度一致；所述补偿值为5～25℃，其大小取决于印刷电路板上组装的最大热容量元件的热容；回流炉冷却区温度设置在焊膏熔点以下100-120℃，其设置取决于印刷电路板的热特性；

6)通过上述步骤逐渐获得回流炉带速，加热区温度参数设置和冷却区温度参数设置，从而获得完整的回流炉控制参数设置。

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