CN101437641A - 用于焊接处理改进的导热分析仪 - Google Patents

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Abstract

通过监视助焊剂的活性来评价焊接处理中助焊剂的性能，其中，利用具有交叉金属线路和温度传感器的探针，助焊剂的活性是通过测量助焊剂的电导得到的。测量得到的电导－温度时间曲线提供了对于给定的应用而言选择合适的助焊剂形成物以及焊接条件、关于确定焊接处理问题的形成原因、以及关于开发改良的助焊剂形成物等有用的信息。

Description

用于焊接处理改进的导热分析仪
技术领域
本发明涉及工业处理的控制，尤其涉及对于在电子电路中的互连部件所使用的焊接处理的控制。
背景技术
现今的微电子电路通常包括经由印刷线路板(PWB)互连的电子部件和设备，印刷线路板包括用作互连线的铜线、和向其焊接部件和设备的表面接触焊盘(pad)。例如，PWB可包括用作其它功能的金属表面焊盘、边缘连接或电路测试点。通过无电铜沉积、光刻以及铜电沉积的组合在典型地为聚合物层积板或陶瓷的介电基板上形成PWB连接线和焊盘。多层电路通常层积在一起并且经由导通孔(via hole)互连起来，导通孔通常具有铜印刷壁并且被焊料所填充。抗氧化物金属的表面光洁料(surface finish)通常被施加到PWB铜焊盘以抑止会降低可焊接性的表面氧化物的形成。典型的表面光洁料包括无电镍/金、浸锡、以及电镀锡-铋。
部件和设备引线典型地通过回流焊接处理被焊接到PWB接触焊盘，回流焊接处理包括将预定量的焊接用锡膏(paste)施加到PWB接触焊盘、通过放置部件和设备以使它们的输入/输出(I/O)引线与适当的PWB接触焊盘对齐来组装PWB、以及加热已经组装好的PWB组件以回流(熔化)焊接用锡膏中的焊料。典型地，利用自动注射式滴涂器(syringe dispenser)或是利用镂花涂装(stencil)和橡胶滚轴(squeegee)将预定量的焊接用锡膏施加到PWB接触焊盘。可基于需要被焊接的特定部件和设备可改变焊接用锡膏的预定量。典型的设备是具有粘合到设备一侧上的接触焊盘的焊料球阵列的球栅阵列(BGA)。许多BGA设备具有大量的I/O引线量，从而使得相邻接触焊盘之间的距离(间距，pitch)非常小。
焊接用锡膏通常包含在回流期间结合的小型焊料球状体的粉末以形成在焊接点占据焊料的绝大部分的焊料块。焊接用锡膏还包含用来溶化在焊接处理中涉及的金属表面上的氧化物的助焊剂(soldering flux)。助焊剂典型地包含在足够高的温度下被激活的有机卤化物以产生对于溶化金属氧化物十分有效的有机酸和自由卤素元素。焊接用锡膏还可包含用来提供所期望的流变性质并且在回流焊接期间消耗助焊剂时阻止金属表面再次氧化的成分。特别地，焊接用锡膏一定要足够硬(并且粘)以便在回流焊接之前将部件和设备固定好并且防止焊接用锡膏滑落以引起由于邻近接触焊盘之间的桥接造成的电短路。
通常在回流炉(reflow oven)中执行回流焊接，回流炉包括用来在炉中传送电子组件的金属带传送器，并且具有实现根据预定温度-时间曲线使组件被相应地加热的不同加热区。在某些情况下，回流炉或回流炉的部分可被氮覆盖以在回流处理期间要被焊接的表面的氧化。
回流焊接是一个在回流(熔化)焊接时刻之前需要充分的助焊剂活性(fluxactivity)以溶化表面氧化物(在PWB焊盘上、部件引线以及焊接用锡膏中的焊料颗粒)的复杂处理，从而获得具有低电阻的强焊接点。所需的助焊剂活性非常依赖于需要连接的表面上的氧化物的量和类型。对于可靠的回流焊接处理，需要采用适当的焊接用锡膏以及对于将要焊接的特定组件的回流条件。
与助焊剂(flux)活性相关的回流焊接问题通常属于如下四种类型之一：(1)在存储期间经过化学反应，焊接用锡膏中的助焊剂丧失活性，从而使得焊接处理中要使用的时候剩余活性变得不充足；(2)过早(在温度低于回流焊接温度时)地激活焊接用锡膏中的助焊剂，使得在回流焊接之前使得需要连接的表面被再氧化；以及(3)在回流温度下助焊剂不能被充分地激活；以及(4)在焊接处理之后助焊剂保持活性，这导致了会引起由于电短路、开路、或额外的互连电阻所造成的电路故障的腐蚀和/或电迁移。
当前，在工业上用来组装电子设备所使用的另一焊接处理是波峰焊接(wave soldering)，其中，软焊料的波峰经过组装有设备(表面安装和/或通孔)的PWB。波峰焊接容易产生与回流焊接相同类型的助焊剂活性问题。
用来控制焊接处理的可行方法包括：(1)涉及产生焊接点故障所需的力的测量的球/引线剪力(shear)或拉伸测试；(2)通过焊料扩展测试、湿法平衡测试或连续电化学衰减分析(SERA)来确定可焊性；(3)通过表面绝缘电阻(SIR)测量、卤化物分析、离子清理测试、电化学迁移测试、以及铜镜和铜平面腐蚀测试来检测焊接助焊剂残留物；(4)测量焊接用锡膏的物理和化学特性，其中包括粘稠度、比重、卤化物成分百分比、粘性、酸值、pH以及阻抗波谱学(用来检测焊料球的氧化)；以及(5)通过套色版(GC、HPLC、IC以及GPC)、光谱学(UV、FTIR、拉曼(Raman)以及AA)、温度分析(DSC、TGA)、以及湿法化学分析来实现的助焊剂化学分析。
所有这些方法都在焊接处理之前或之后被应用并且提供了关于焊接处理性能的唯一参数的信息。所有这些方法都不提供关于焊接处理自身的信息。这对于湿法平衡测试也是一样的，在湿法平衡测试中当使测试样本接触熔化的焊料时，通过湿力(通过焊料弯月面的重量)尝试作出仿真焊接处理。湿法平衡仅提供了可焊性的指示，很难应用到PWB和BGA当中，并且在样本几何学、助焊剂应用、预加热(温度曲线)、以及样本热惰性等方面不能完全地仿真实际的焊接处理。很明显需要一种测量焊接处理的性能的方法，从而优化关于焊接处理的所有重要变量。
发明内容
本发明提供了一种用来评价焊接处理中助焊剂的性能的设备。该设备包括：电导探针，其具有介电基板上的两条邻近的金属线路(metallic trace)；温度探针，其用来测量电导探针的温度；以及电导计，其用来测量两条金属线路之间的电导。两条金属线路优选地形成了交叉梳状样式。在关于本发明的方法的优选实施例中，对于至少部分的每条金属线路以及至少部分的这些线路之间的介电基板施加焊接助焊剂(不包含金属焊料)，并且在焊接处理之前、之中(对波峰焊接，除外)和之后测量线路之间的电导。分析由此产生的电导-温度时间曲线(profile)以确定与焊接处理相关的助焊剂性能。本发明的设备进一步包括电路板架，其用来在同一处理中同时评估多个电导探针。
根据本发明的电导-温度时间曲线的分析产生了在整个实际的焊接处理中的相对助焊剂活性，其中包括在焊接回流或波峰焊接操作之前、之中(对于回流焊接处理)以及之后。这实现了相对于焊接处理的需求来优化助焊剂活性和激活特性。在周边温度下(在焊接处理之前)对于助焊剂测量得到的强助焊剂活性表明了因室温下助焊剂的化学反应所引起的缩短的保质期。
这对于热导计分析(TCA)检测峰值助焊剂活性的温度或是波峰焊接操作十分有效，优选地，峰值助焊剂活性出现在即将开始焊接回流温度之前的时刻。基于TCA电导-温度时间曲线，可通过化学稳定性和助焊剂化合物的沸点来将激活助焊剂所需的时间和温度调节到最优值。
此外，根据本发明，可通过焊接处理后的残留助焊剂活性检测出可因腐蚀或电迁移导致的电路故障的离子助焊剂残留物。尽管类似于现有技术中的表面绝缘电阻(SIR)测试，但是本发明的残留助焊剂活性测量是在整个焊接处理的过程中作出的并且检测助焊剂活性达到最低值的温度。还可利用交流电流(ac)作出这样的焊接后电导测量以评价操作电压和频率的效果或是关于电子设备(在操作温度下)的残留助焊剂活性的频率范围(“扫频(sweep)”)。
本发明的设备还可进一步包括额外的环境传感器。例如，电导探针或电路板架可包括用来监视在存储期间关于残留助焊剂活性的相对湿度的效果的RH传感器。作为另一例子，在电导探针或电路板架上也可包括传感器以监视在回流焊接处理过程中回流炉中或在波峰焊接处理过程在预加热炉中的局部气体压力和/或氧气成分。关于某些应用的本发明的设备中所包括的其它有用的传感器对于本领域技术人员来说也是显而易见的。
本发明还可被用来检测焊料“衰退”以及在回流处理中出现焊料“衰退”的温度。在这种情况下，对电导探针的至少一条金属线路而不对线路间的介电基板施加包含有金属焊料的焊接用锡膏。从与电导探针的金属线路之间桥接的焊料相关的高电导(短路)检测出回流处理过程中的焊接用锡膏的衰退。还检测出由于焊料球桥接金属线路引起的短路。
本发明的设备还可进一步包括被设计用来方便数据收集和/或提高结果的可靠性的硬件和软件。例如，无线链接可被用来(替代硬接线)将数据信号从电导探针和温度探针(以及所使用的任何其它传感器)传送到数据收集和处理系统。可选地，通过粘结到电导探针或电路板架上的板上数据链接来收集并且存储数据，并且在完成焊接处理之后下载数据。数据处理系统可采用任意多的商业或专属的数据分析程序，以典型地提供数据的图形显示。
此外，还可使用本领域技术人员公知的技术和装备来实现对于解决热、物理或化学衰退的本发明设备的硬件化，以使其不受损害地通过回流炉、预加热炉、或是其它有害环境。同样的，还可利用商业购得的装备使本发明的设备小型化，从而可在较小的环境下作出助焊剂评估。本领域技术人员可以理解的是，应该执行根据本发明的测量，从而避免会大幅度降低结果的准确性的对于助焊剂化学系统的扰乱。例如，可利用由限流电阻提供的具有高输入阻抗的伏特计来测量电压。
本发明对于开发如下的焊接用锡膏形成物是有效的，例如其具有长保质期、(减少焊接缺陷所需的)在回流焊接温度下良好的助焊剂活性、(避免因腐蚀或电迁移引起的电子装备的场故障所需的)低残留助焊剂活性、以及(避免因焊料衰退引起的电路桥接和短路所需的)良好的流变特性。
本发明还对于开发具有良好的在波峰焊接中激活助焊剂的特性以及低残留助焊剂活性的助焊剂形成物是有效的。
本发明还对于选择最佳焊接用锡膏形成物以用来降低在给定的回流焊接处理中的特定PWB设计中回流焊接过程中的缺陷是有效的。
本发明还对于选择最佳助焊剂形成物以用来在给定的波峰焊接处理中的特定PWB设计中降低波峰焊接过程中的缺陷是有效的。
本发明还对于选择用来降低在特定PWB设计的回流焊接过程中的缺陷的最佳回流焊接条件(例如，由传送速度和区域温度确定的炉温-时间曲线)是有效的。
本发明还对于选择用来降低在特定PWB设计的波峰焊接过程中的缺陷的最佳预加热条件(例如，由传送速度和区域温度确定的炉温-时间曲线)是有效的。
本发明还对于确定关于焊接处理性能的在回流炉环境下或在预加热炉环境下的氧气效果是有效的。通过使用氮(如果氧是有害的)的惰性包层环境，这种信息可被用来改善焊接性能，或是节省与提供惰性包层环境(如果氧不是有害的)有关的成本。本发明还可被用来在不带来实质性有害效果的前提下确定所允许的氧浓度。
本发明还对于用来选择最佳助焊剂形成物和预加热/焊接条件以便减少在特定的电子设备操作条件下(例如，电路线路之间的温度和所施加的包括ac电压和频率在内的电压)的残留助焊剂活性。残留助焊剂活性是在例如在高频下操作的手机那样的电子设备中所关心的。
本发明还对于确定在存储期间关于残留助焊剂活性的存储条件的效果是有效的。可通过本发明的温度探针来监视存储期间的温度。还可使用其它的传感器来监视其它的存储条件。例如，RH传感器可被用来监视关于存储期间残留助焊剂活性的相对湿度的效果。例如，可以在本发明的电导探针或电路板架中包含RH传感器，或是在存储区域中安装RH传感器。
本发明还对于通过提供展示优良性能的图形说明来更好地销售焊接设施、焊接用锡膏和助焊剂形成物是有效的。
如上给出的应用都是说明性的，并非是概括性的；本领域技术人员还应该清楚落入本发明的保护范围之内的其它应用。
当参考所附附图一并考虑如下的详细说明书时，本领域技术人员可以更加清楚本发明的进一步特征和优点。
附图说明
图1说明了本发明的设备的实施例，其中，电导探针的电路线路具有交叉梳状样式；
图2说明了本发明的设备的实施例，其中，电导探针的电路线路包括圆形焊盘和同心圆环；
图3说明了本发明的设备的优选实施例，其包括多个具有交叉梳状样式的电导探针、电路板架、缓冲器/放大器模块、模拟数字转换器、个人计算机以及打印机；
图4是用于本发明的电导探针的优选缓冲器/放大器电路的电路图；
图5是用于本发明的基于热偶的温度探针的优选缓冲器/放大器的电路图；
图6示出了使用本发明的方法和设备测量得到的说明性电导-温度时间曲线，其中，在商业化回流炉中，在温度加热曲线下，关于在回流期间的两种可商业购得的焊接用锡膏助焊剂形成物(formulation)(Kester 244和Kester256GS)；
图7示出了使用中间温度曲线对于图6中的两种可商业购得的焊接用锡膏助焊剂形成物测量得到的说明性电导-温度时间曲线；
图8示出了使用高温温度曲线对于图6中的两种可商业购得的焊接用锡膏助焊剂形成物测量得到的说明性电导-温度时间曲线；
图9示出了使用高温温度曲线对于在焊接用锡膏中使用的典型水溶性助焊剂测量得到的说明性电导-温度时间曲线；以及
图10示出了使用低温温度曲线对于三种回流胶囊密封材料测量得到的说明性电导-温度时间曲线。
上面这些附图都不是成比例的并且为了更好地描绘本发明的特征和操作已经放大了某些特征。
具体实施方式
本领域技术人员公知在本申请文件中所使用的技术术语。使用的术语“金属线路(metallic trace)”广泛地包括任何电路元件几何形状，包括例如线路、焊盘、交叉梳状样式以及蛇形样式。通常在回流焊接中使用“焊接用锡膏”，并且焊接用锡膏包含助焊剂和小型焊料颗粒的粉末。焊接用锡膏助焊剂通常包含用来溶化金属氧化物的催化剂(activator)，并且通常包含各种被设计用来改善锡膏的流变性质和/或化学性质的添加剂(additive)。在焊接用锡膏助焊剂中使用的典型添加剂包括溶剂、流变剂(用来减小焊料块)、缓蚀剂以及热稳定材料。波峰焊接中使用的助焊剂还可包含各种添加剂(除了催化剂之外)而不包含焊料颗粒并且也不需要流变剂。
在本申请文件中，术语“助焊剂(flux)”可表示仅包括催化剂在内的助焊剂成分的任何组合。在某些情况下，需要被评估的助焊剂可通过离心操作或化学提取从焊接用锡膏中的金属焊料粉末中分离出来。对于焊接用锡膏衰退评估，焊接用锡膏典型地包括金属焊料粉末在内的所有的正常存在的成分。
本发明提供了一种用来评价焊接处理中的助焊剂性能的方法和设备。本发明的方法包括如下步骤：(1)提供包含在介电材料基板上的预定区域中设置的两条金属线路的电导探针；(2)提供用来测量电导探针的温度的温度探针；(3)在至少部分的预定区域上施加预定量的助焊剂；(4)根据预定的温度-时间曲线利用所施加的助焊剂加热电导探针；(5)测量作为温度的函数的电导探针的金属线路之间的电导，从而产生电导-温度时间曲线；以及(6)分析电导-温度时间曲线以确定焊接处理中的助焊剂性能。这些步骤可以任何适当的次序被执行。对于焊接用锡膏活性评估，通常在至少部分的每条金属线路以及这些金属线路之间的介电基板上的预定区域内施加助焊剂。对于焊接用锡膏衰退评估，在焊接用锡膏当中包括助焊剂并且在金属线路的至少其中之一而不在金属线路之间的基板上的预定区域内施加焊接用锡膏。在这种情况下，可检测到桥接金属线路之间的空间的焊料衰退，作为电导测量中的短路。
形成线路对的本发明的两条金属线路可包括合金在内的任何适当的金属。由于铜被广泛地用于电子电路当中，铜是一种金属线路所采用的优选金属。可以对铜应用表面光洁料(finish)以改善其可焊性。典型的表面光洁料包括焊料、无电镍/金、浸锡、以及电镀锡-铋。这样的表面光洁料很可能会影响助焊剂活性特点。本发明还提供了用于调查关于表面光洁料对助焊剂的活性特点的影响的方法和设备。
本发明的两条金属线路可具有任何适当的几何形状。包括例如由小间隔距离分离的长线路、交叉梳状或蛇形样式在内的几何形状对于提高电导测量的信噪比十分有用。与使用处于评估中的焊接处理的最短间距(pitch)的表面焊盘的间隔相比较，线路之间的间隔是优选的。用来仿真处于评估中的在回流焊接处理中将要被焊接的实际电路组件的线路几何形状对于例如检测焊接用锡膏衰退和焊料球形成的效果是有利的。还可使用串联连接(菊花链)的多个电导探针对以提高信噪比。
图1说明了本发明的设备，其中，电导探针的电路线路具有交叉梳状样式。这种样式包含基板100上设置的一对金属线路101和102，基板100可以是包括聚合物层积板、陶瓷材料、或两者的混合物在内的任何介电材料。典型的聚合物层积板是防火环氧纤维玻璃(FR-4)。金属线路101和102经由连接线103和104连接到电导计105。电导计在线路101和102之间施加电压并且从电流响应确定电导。所施加的电压和电流响应可以是直流电流(dc)或交流电流(ac)。对于dc测量，已经找到处于1至10伏特范围内施加的电压是适当的，但是也可使用处于这个范围之外的电压。
在图1所示的实施例中，温度探针包含热偶106，并且热偶106经由连接线107和108被电连接到第一伏特计109。优选地，使用第一伏特计109或是蛇形的一部分的热偶冷接点(未示出)来提高温度测量的准确度。热偶冷接点可处于室温中，或是以特定温度来控制以提高更高的准确度。可以使用用来提供对于测量温度范围内所需的灵敏度的任何热偶。优选地，放置热偶106以使其与基板100相接触或是与基板100上的金属焊盘相接触，但是通过靠近电导探针的(而不是接触)热偶可提供足够准确的温度测量。在可选实施例中，可使用沿着回流炉中的传送带的一排固定的热偶来提供本发明的温度测量。还可使用测量温度的可选方法。例如，可通过检测并且分析由电导探针发出的红外射线来监视电导探针的温度。
典型地，根据本发明，加热电导探针(包括基板100和金属线路101、102)和温度探针106，与此相反，电导计105和第一伏特计109维持在环境温度中。在这种情况下，至少部分的连接线103、104、107和108应该包含热阻材料。在本发明的范围内，对于电导计105和/或第一伏特计109可使用热阻电路，从而利用电导探针和温度探针106也加热电导计105和/或第一伏特计109。
图2说明了本发明的设备的实施例，其中，电导探针的电路线路包含在介电基板200上设置的圆形焊盘201和同心圆环202。这种电路线路几何形状仿真了可提高对于经过同心圆环内部的相对长的圆周的内线路电导变化的灵敏度的电路板接触焊盘。关于图1所示的实施例，线路201和202都经由连接线203和204被连接到电导计205，并且热偶206经由连接线207和208被连接到第一伏特计209。通过使部分连接线204成为经过同心圆环线路202(未示出)之间的间隔的电路线来提供金属线路201的电接触。可选地，通过基板200中的内部电路来制作金属线路201的接触，从而消除环202之间的间隙。可平行地连接多个这样的电导探针(在同一基板上)以提高测量灵敏度并且提高信噪比。
在电导探针的金属线路上施加助焊剂的方式依赖于将要执行的助焊剂评估的类型。为了评估在焊接或预加热处理期间的焊接助焊剂的活性，需要对于至少部分的金属线路和至少部分的线路间的介电基板施加助焊剂(无金属焊料)。为了评估回流焊接期间的焊接用锡膏衰退特点，在焊接用锡膏中包含助焊剂(包含金属焊料粉末)，焊接用锡膏被施加到至少部分的电导探针的金属线路的至少其中之一，但不施加到线路之间的介电基板。在这种情况下，当内线路电导剧烈增大时，可方便地检测出在回流处理期间由于焊料衰退或焊料球的形成所造成的金属线路之间的电短路。
通过任何适当的装置可将助焊剂或焊接用锡膏施加到电导探针的金属线路(和基板)。施加助焊剂或焊接用锡膏的一种优选方法是使用在生产回流焊接处理中所用类型的自动注射式滴涂器，其可准确地滴涂预定量的焊接用锡膏。施加助焊剂或焊接用锡膏的另一种优选方法是如本领域技术人员公知的使用镂花涂装(stencil)和橡胶滚轴(squeegee)。在这种情况下，通过镂花涂装的厚度来确定所施加的助焊剂或焊接用锡膏的厚度。根据本发明，还可通过例如喷洒、浸涂、涂刷、或印刷等来施加助焊剂或焊接用锡膏。
优选地，由于在电导测量中所反映出来的助焊剂的活性依赖于所存在的助焊剂量，因此可对于电导探针施加预定量的助焊剂。理论上可以从电导数据中计算出助焊剂的传导率，但是这种方法并不实用，理由是必须考虑随时间和温度变化的金属线路相对于助焊剂形状和体积的几何形状，并且知道作为温度函数的助焊剂的传导率。因此优选地，应该滴涂预定量的助焊剂并且使用金属线路之间的传导率作为助焊剂活性的相对量度，这依赖于趋于增大传导率的离子种类的形成。另外优选地，为了评估衰退特点对于金属线路施加预定量的焊接用锡膏，这非常依赖于所存在的焊接用锡膏量。
优选地，选择预定量的助焊剂或焊接用锡膏来仿真其中使用助焊剂或焊接用锡膏的生产焊接处理。在这种情况下，可基于包括金属线路之间的间隔在内的线路几何形状来调节要施加到金属线路的给定区域中的焊接用锡膏的量。优选这样的间隔可与通过正在评价的回流焊接处理将要焊接的生产板(production board)上接触焊盘之间的最小间隔相比较。
优选地，通过具有用来控制温度曲线的传送带和加热区的回流炉或预加热炉的装置来执行本发明的方法的加热步骤。然而，还可利用或不利用已编程的加热程序，通过包括不具有传送带的稳态炉(static oven)在内的任何适当的装置来提供根据本发明的加热。
根据本发明的方法的电导-温度时间曲线的分析典型地涉及当电导探针经过回流炉或是被加热时，绘图测量得到的作为时间函数的电导和温度。例如，还可使用表格数据，优选地通过计算机，或是使用不同类型的电导是温度的函数的曲线来执行这种分析。通常假设所测量得到的电导与助焊剂活性成比例。回流焊接处理的电导-温度时间曲线的关键特点包括：初始室温助焊剂活性，其可检测会缩短助焊剂的保质期并且降低助焊剂的有效性的助焊剂的早熟激活；相对于焊接回流时间和温度的激活助焊剂的时间和温度，这会产生在使用的回流条件下的助焊剂有效性；以及紧跟回流处理之后在较低温度下的助焊剂活性，这将检测出可引起由于腐蚀或电迁移造成的场中的电路故障的离子助焊剂残留物。波峰焊接处理的电导-温度时间曲线的关键特点与回流焊接处理的电导-温度时间曲线相类似。
可以多种方式来分析根据本发明所得到的数据以提供关于焊接处理的性能的量化信息。例如，可相对于时间或温度来绘图电导数据以产生被直接分析的曲线图(curve)，或是求电导数据的微分以产生第一或第二导数曲线图，这强调了随时间或温度的电导的变化。可通过(由本领域技术人员)检查和/或通过提取曲线特征来分析数据曲线图，这样的曲线特征包括(但不局限于)斜率、峰值区域、峰值区域比、峰值高度、峰值高度比以及电导保持在预定值之上的时间。
本发明的方法可进一步包括如下步骤：监视来自粘结在电导探针或是包含电导探针的电路板架上的环境传感器的输出。可提供有用信息的环境传感器包括用来感应处于回流焊接炉的环境中的氧浓度、相对湿度(RH)、以及总气体压力、或是波峰焊接的预加热的传感器。通过监视并且分析根据本发明的涉及多项评估的如上所述的传感器的输出(优选地，通过调节环境改变他们的值)，来确定关于助焊剂激活特点的所感应到的参数和变化的效果。
如果对于金属线路以及金属线路之间的间隔两者都施加助焊剂，则在周边温度下在线路之间测量得到的电导提供了在测量之前已经发生的助焊剂激活的量度。因此，可检测到发出缩短的助焊剂保质期的信号的早熟助焊剂活性和/或对于可靠焊接来讲不充足的剩余助焊剂活性。Frederickson等人的5,656,933、6,005,399，6,278,281和6,300,788号专利说明了用来以在周边温度下的焊接用锡膏为特征的ac阻抗波谱的使用。这涉及作为应用电压频率的函数的复杂阻抗测量，并且与对应的电路建模一同操作，以便检测出可引起生产焊接缺陷的焊接用锡膏中的焊料颗粒的氧化。然而，本发明人最先认识到焊接助焊剂的电导可提供助焊剂活性的量度，以及可使用处于环境(ambient)温度下的助焊剂活性来评价助焊剂的保质期并且预测焊接性能。
本发明的这个实施例提供了一种评价焊接助焊剂的活性的方法(使用前)，该方法涉及包括如下步骤的简化流程：(1)提供包含在介电材料的基板上的预定区域中设置的两条金属线路的电导探针；(2)在至少部分的每条金属线路以及金属线路之间的介电基板上的预定区域中施加预定量的助焊剂；以及(3)测量电导探针的金属线路之间的电导。在这种情况下，相对高的电导表示焊接助焊剂的相对高的活性。
本发明的设备包括：(1)包含在介电材料的基板上的预定区域中设置的两条金属线路的电导探针；(2)用来测量电导探针的温度的温度探针；以及(3)用来测量电导探针的两条金属线路之间的电导的电导计。在优选实施例中，在至少部分的预定区域上方施加助焊剂并且当测量作为温度的函数的电导探针的金属线路之间的电导时加热电导探针，从而产生电导-温度时间曲线，并且分析电导-温度时间曲线来确定焊接处理中的助焊剂的性能。
本发明的设备的电导计通常包括可以是dc或ac的电压源、以及电流-测量设备。电流-测量设备可以是包含电阻和第二伏特计的单个设备，或是例如包括电流跟随器和/或缓冲器/放大器的更复杂的设备。由于电导是电阻的倒数，因此电阻测量也可产生电导。
本发明的设备可进一步包括：用来同时测试多个电导探针的电路板架；用来提高热偶探针的信噪比的电压放大器；用来提高电导计的信噪比的电流放大器；模拟数字转换器和用来方便可确定焊接处理性能的电导-温度时间曲线的分析的计算机；用来将数据信号从电导探针和温度探针以及从任何其它所使用的传感器传送到数据收集和处理系统的无线链接；用来收集并且存储在完成加热步骤之后被下载的数据的板上数据链接；以及用来提供电导-温度时间曲线的硬拷贝的打印机。
优选实施例的说明
图3说明了本发明的设备的优选实施例，其包括：具有形成交叉梳状样式的金属线路对311与312、331与332、以及351与352的多个电导探针310、330和350；电路板架370；电导计370、包括利用连接线381和382连接到第一伏特计383的热偶380的温度探针；用来提高来自电导计370和第一伏特计383的输出371、384的信噪比的缓冲器/放大器模块390；用来使来自缓冲器/放大器模块390的输出391数字化的模拟数字(A/D)转换器392；用来分析来自A/D转换器392的输出393的个人计算机394；以及用来提供来自计算机的输出395的硬拷贝的打印机396。金属线路对311与312、331与332、以及351与352分别经由连接线313、314、333、334、353和354连接到电路板边缘接触315、316、335、336、355和356，其可被插入电路板架370上的插槽317、318、337、338、357和358，并且电路板架370经由连接线319、320、339、340、359和360又连接到电导计370。缓冲器/放大器390包括两个电路，其中一个电路是来自电导计370的输出371，而另一个电路是温度探针的第一伏特计383的输出。图4和图5分别示出了电导探针和温度探针的优选缓冲器/放大器的示意性电路图。
容纳有多个电导探针的电路板架的使用实现了在基本上相同的条件下操作的同一回流焊接中执行的多个测试。电导探针可基本上相同，从而提供了结果的再现性的指示，或者电导探针还可以不同，从而提供了一个或多个变量的效果的指示。例如，可以改变对于表面相同的电导探针所施加的助焊剂的量或组成，或者利用相同的助焊剂来测试不同的电导探针几何形状。电路板架可以是任何合适的设计并且可容纳任意数目的电导探针，可以包括仅有一个探针。
通过使用包括FR-4电路板的电导探针来说明本发明的功效，其中，FR-4电路板(大约为6.0cm长×6.0cm宽×0.8mm厚)具有形成交叉梳状样式的一对铜线路。所采用的梳状样式与根据IPC-TM-650(方法2.6.3.3)的表面绝缘电阻(SIR)测量中指定的B-25样式相同。B-25样式包括连接到一起的五个梳状部分以形成总共包括41个梳齿(0.4mm宽和25mm长，并通过0.5mm间隔分离)的一对交叉梳状物。铜线路是25μm厚并且无表面光洁料。一个或多个探针上的边缘连接器被插入可容纳多达5个电导探针的不锈钢电路板架(35cm长×25cm宽×0.1cm厚)中的插槽当中。包括单个热偶(OmegaGG-K-30-SLE-500，类型K)的温度探针在物理上与电路板架相接触。
通常利用可提供大约3密耳(75μm)厚度的助焊剂或焊接用锡膏的镂花涂装和橡胶滚轴来施加助焊剂或焊接用锡膏，这种镂花涂装和橡胶滚轴典型地在生产回流焊接中使用。橡胶滚轴被设计用来利用焊接用锡膏覆盖所有的电导探针梳状物的梳齿的交叉部分，其中，焊接用锡膏包含用于焊接用锡膏衰退测试的金属焊料粉末。关于涉及助焊剂(无金属焊料粉末)的助焊剂活性测量，橡胶滚轴被相对于电导探针梳状物旋转90°，从而沿着金属线路以及在基板电介质之间垂直地条状施加助焊剂。
通过Heller 1700回流炉来提供加热，在此回流炉中以45厘米/分钟的速度传送具有插入的电导探针的电路板架。回流炉具有6个加热区(每个区大约25cm长)，其中，电导探针被顺序地暴露于一组预定温度。关于低温温度曲线，顺序的预定区温度是160、170、180、190、215和230℃。关于中间温度曲线，顺序的预定区温度是180、190、190、185、185和245℃。关于高温温度曲线，顺序的预定区温度是190、190、185、180、175和260℃。可以调节传送速度，从而对于低温温度曲线、中间温度曲线以及高温温度曲线完成整个曲线所需的时间分别是3.5、4.5和6.0分钟。
例1-图6示出了关于利用低温温度曲线来回流两种可商业购得的焊接助焊剂形成物(Kester 244和Kester 256GS)测量得到的说明性电导-温度时间曲线。在室温下可测量的电导对于两种焊接用锡膏都是明显的，这表明了可能限制助焊剂的保质期的某些助焊剂活性。对于Kester 256GS很明显的较高室温电导表明了在存储期间这种助焊剂趋于更快地丧失活性并且因而具有较短的保质期。实际的保质期测试表明了Kester 256GS助焊剂具有4个月的保质期(shelflife)，而Kester 244助焊剂具有6个月的保质期。
从图6中的大约45℃(0.5分钟)处开始，Kester 256GS助焊剂的电导剧烈地增大，这表明了助焊剂激活物溶解并且游离在助焊剂溶液中时的助焊剂的活性。正如测量得到的电导所指示的一样，可以看出在这个温度/时间区域中Kester 244助焊剂的活性滞后于Kester 256GS助焊剂的活性大约六秒钟。
在图6中的大约140℃(1.4分钟)处开始，Kester 256GS助焊剂的电导处于峰值并且随后剧烈地下降，这表明了助焊剂溶液挥发时助焊剂活性随之降低。Kester 244助焊剂的活性在这个温度/时间区域中保持很高。从图6中的大约180℃处开始，Kester 256GS助焊剂的电导再次增大，这表明了当树脂系统和助焊剂的微弱有机激活物液化时助焊剂活性随之升高。在这个温度/时间区域中(一直到最大温度232℃)，Kester 244助焊剂的活性持续升高，这反映了244激活物的相对低的挥发性。
在图6中，已经达到峰值温度并且温度已经下降到大约220℃(3.6分钟)之后，电导对于两种焊接助焊剂都降低，这反映了助焊剂活性会随着温度的降低而降低。然而，Kester 244助焊剂的活性下降的更缓慢并且在较长时间内保持高水平，并且达到了对应于峰值焊接温度的最大值。值得注意的是，Kester256GS助焊剂直到3.6分钟时才达到了全部活性，这是在2.2分钟时达到了回流温度(180℃)之后。可使用这样的结果来选择对于给定应用的最佳焊接助焊剂。例如，提供了高水平持续助焊剂活性的Kester 244助焊剂对于利用例1中的低温温度曲线来焊接具有相对差的可焊性的部件是优选的。
从图6中的大约115℃处开始，两种焊接助焊剂的电导在低值上处于平稳状态，这表明了当助焊剂树脂系统固化时助焊剂活性可被忽略。因此，两种这样的焊接助焊剂提供了用来避免本领域中存在的腐蚀以及漏电流问题所需的低残留助焊剂活性。两种助焊剂都具有可被接受残留在电子组件上的焊接后残留物。
例2-图7示出了关于利用中间温度曲线而不是低温温度曲线来回流两种可商业购得的焊接助焊剂形成物(Kester 244和Kester 256GS)测量得到的说明性电导-温度时间曲线。例如，对于利用具有高于传统锡铅焊料的熔点的锡银铜焊料执行回流焊接，需要上述的温度升高。对于中间温度曲线，Kester256GS助焊剂展现出性能被改善了的两个相同的电导峰值，这通过最大焊接温度处的非常高的助焊剂活性所表明。另一方面，Kester 244助焊剂的活性尽管趋于很高，仍在高温处展现出巨大的变化，这表明了Kester 244激活系统的某些成分在中间温度曲线中的较高温度下具有很大的挥发性。在这种情况下，Kester 256GS助焊剂可以是优选的，尤其是在增长回流循环时间的情况下。
例3-图8示出了关于利用高温温度曲线而不是低温温度曲线对例1和例2中的两种可商业购得的焊接助焊剂形成物(Kester 244和Kester 256GS)测量得到的说明性电导-温度时间曲线。对于高温温度曲线，Kester 256GS助焊剂还展示出了相同的两个电导峰值并且性能被进一步改善，这通过在最大焊接温度下非常高的助焊剂活性(与中间温度曲线相比较)所表明。与此相对比，在高温温度曲线的较高温度下，Kester 244助焊剂的活性下降(与中间温度曲线相比较)。
从例1至例3中给出的结果可以明显地得出，Kester 256GS助焊剂对于高温温度曲线是优选的，而Kester 244助焊剂利用低温温度曲线会对具有相对差的可焊性的焊接部件产生更佳的结果。基于Kester 244助焊剂的较低室温活性，因而其具有较长的保质期。
例4-图9示出了使用高温温度曲线对于典型的水溶性助焊剂测量得到的说明性电导-温度时间曲线。典型地，对于通常具有低可焊性的难以焊接的金属系统使用这样的助焊剂。可以看出水溶性助焊剂的活性(图9)在整个回流过程中都保持相对很高。此外，助焊剂活性在焊接处理之后(室温下)也保持很高，这表明了需要清洁处理以去除可引起腐蚀和/或感应电迁移的助焊剂残留物。
例5-图10示出了使用低温温度曲线对于三种回流胶囊密封材料测量得到的说明性电导-温度时间曲线。典型地，这样的材料被应用到球栅阵列(BGA)设备，球栅阵列(BGA)设备是使用阵列的焊料球面以提供与印刷线路基板的互连的无铅电子封装体。胶囊密封材料的存在加强了封装体与基板之间形成的焊接点，因此提高了互连的粘结可靠性。在典型的回流焊接处理过程中，回流胶囊密封材料必须体现出达到焊料合金的熔点温度的助燃特性。回流胶囊密封材料随后交联并且弯曲而成为完全聚合的胶囊密封材料。正如Kirsten在美国专利6,819,004中所说明的一样，如果在回流处理中回流胶囊密封材料过早地弯曲，则所得到的凝胶体将会妨碍焊接点的形成。当回流胶囊密封材料弯曲时，它的电导随之降低。
从图10中可以清楚地看出，EL2-33-1和9110S材料与9101材料相比较，在低得多的温度下出现了弯曲，这使得它们(即，EL2-33-1和9110S材料)不适于对某些较高温度合金系统使用。在实际的焊接研究中，EL2-33-1和9110S回流胶囊密封材料对于熔点为183℃的共熔的锡-铅焊料(63％的Sn和37％的Pb)具有很好的性能，而只有9101材料对于熔点为221℃的无铅合金(96.5％的Sn、3.0％的Ag、以及0.5％Cu)是有效的。这些结果表明了本发明还可被用来建立对于弯曲回流胶囊密封材料所适用的温度曲线，并且提供在特定回流条件下具有的弯曲度的量度。
以上已经描述并且说明了本发明的优选实施例。然而，对于本领域技术人员来说，变化及附加实施例无疑是明显的。进一步，等效元件可以替代这里已经描述并且说明的元件，部件和连接可以被颠倒或是互换，并且还可独立于其它特征来使用本发明的特定特征。因此，这些示例性实施例应该被视作为说明性的而不是概括性的，本发明的完整保护范围应该由所附的权利要求来限定。

Claims (32)

1.一种用来评价焊接处理中助焊剂的性能的方法，包括步骤：
提供电导探针，所述电导探针包括在介电材料的基板上的预定区域内设置的两条金属线路；
提供温度探针，所述温度探针用来测量电导探针的温度；
在至少部分的所述预定区域上施加预定量的助焊剂；
根据预定的温度-时间曲线，利用所施加的助焊剂加热电导探针；
作为温度的函数，测量电导探针的金属线路之间的电导，从而得到电导-温度时间曲线；以及
分析电导-温度时间曲线以确定在焊接处理中助焊剂的性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
在至少部分的每条金属线路以及金属线路之间的介电基板上的预定区域内施加助焊剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
助焊剂包括在焊接用锡膏中，并且在至少一条金属线路的预定区域内、但不在金属线路之间的基板上施加焊接用锡膏，并且在测量电导的步骤中检测金属线路之间发生的电短路。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
通过从包括镂花涂装、注射式滴涂、浸涂、喷洒、涂刷以及印刷的组中选择的方法来施加助焊剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
通过回流炉或波峰焊接预加热炉的装置来执行加热的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，
从对于两条金属线路之间施加的电压的电流响应来作为温度的函数测量电导探针的金属线路之间的电导。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
在两条金属线路之间施加的电压是具有预定频率的ac电压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
在多个预定频率下重复所述施加的步骤、所述加热的步骤、所述测量的步骤以及所述分析的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，
使用计算机来执行所述分析的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述分析的步骤包括产生作为时间或温度的函数的电导的数据曲线图。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述分析的步骤进一步包括从数据曲线图中提取特征，该特征选自包括斜率、峰值区域、峰值区域比、峰值高度、峰值高度比以及电导保持在预定值之上的时间的组。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：
监视来自粘结到电导探针或是包含电导探针的电路板架上的环境传感器的输出。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
环境传感器是选自包括氧浓度传感器、相对湿度传感器、以及压力传感器的组。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，
对于来自环境传感器的多个输出重复所述施加的步骤、所述加热的步骤、所述测量的步骤、所述监视的步骤以及所述分析的步骤。
15.一种用来评价焊接助焊剂的活性的方法，包括如下步骤：
提供电导探针，所述电导探针包括在介电材料的基板上的预定区域内设置的两条金属线路；
在至少部分的每条金属线路以及金属线路之间的介电基板上的预定区域内施加预定量的助焊剂；以及
测量电导探针的金属线路之间的电导，
其中，相对高的电导表明了焊接助焊剂的相对高的活性。
16.一种用来评价焊接处理中助焊剂的性能的设备，包括：
电导探针，其包括在介电材料的基板上的预定区域内设置的两条金属线路；
温度探针，其用来测量电导探针的温度；以及
电导计，其用来测量电导探针的两条金属线路之间的电导，
其中，在至少部分的所述预定区域上施加助焊剂，并且当作为温度的函数测量电导探针的金属线路之间的电导时加热电导探针，从而产生电导-温度时间曲线，分析所述电导-温度时间曲线以确定焊接处理中的助焊剂的性能。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，
两条金属线路形成交叉梳状样式。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，
所述介电材料包括聚合物。
19.根据权利要求16所述的设备，其中，
所述介电材料包括陶瓷。
20.根据权利要求16所述的设备，其中，
所述温度探针包括热偶和第一伏特计。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，
所述热偶与部分的电导探针物理上接触。
22.根据权利要求16所述的设备，其中，
所述电导计包括电压源和电流测量设备。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，
所述电压源是ac电压源。
24.根据权利要求22所述的设备，其中，
所述电流测量设备包括电阻和第二伏特计。
25.根据权利要求16所述的设备，其中，
通过回流炉或预加热炉来加热电导探针。
26.根据权利要求16所述的设备，进一步包括：
电路板架，其用来同时测试多个电导探针。
27.根据权利要求26所述的设备，其中，
所述热偶与部分的电路板架物理上接触。
28.根据权利要求16所述的设备，进一步包括：
电压放大器，其用来提高热偶探针的信噪比。
29.根据权利要求16所述的设备，进一步包括：
电流放大器，其用来提高电导计的信噪比。
30.根据权利要求16所述的设备，进一步包括：
模拟数字转换器；以及
计算机，
由此实现用来确定焊接处理中的助焊剂的性能的电导-温度时间曲线的分析。
31.根据权利要求16所述的设备，进一步包括：
无线链接，其用来将数据信号从电导探针和温度探针以及从任何其它所使用的传感器传送到数据收集和处理系统。
32.根据权利要求16所述的设备，进一步包括：
板上数据链接，其用来收集并且存储在完成加热的步骤之后被下载的数据。
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