真空回流焊

——减少焊点中的空洞

随着电子产品的功能越来越强,生产复杂性不断提高,如汽车工业的新型混合组装,要求无空洞焊点,传统的回流焊技术已无法满足生产需求。

无空洞焊接是高性能电子产品制造的先决条件。汽车行业的救生设备、飞行控制技术和驾驶员辅助系统都有一个共同点:它们必须在多年内绝对安全,完美地运行。其中一个条件就是高强度几乎没有空洞的焊点。因此,焊点中的空洞必须减少到所允许的最小值。

空洞是焊点中的气体夹杂物,会导致降低印制电路板(PCB)和元器件之间的热传导率。当元件通过高电流时,产生的热量无法通过多空洞焊点充分散热。这会导致元件温度过高,最终导致降低部件性能或寿命。采用真空焊接工艺可降低焊点中的空洞率,并提高热传导率。

位于韦特海姆的SMT Thermal Discoveries公司开发了一种真空回流焊接系统,它将传统的回流焊接与真空工艺相结合,以满足低空洞率焊点的严格要求。

从X射线图像的定性比较清楚地表明,使用传统的回流焊工艺,在很大一部分区域内,焊点中存在许多空洞,而使用真空工艺时,空洞的数量几乎为零。

传统的和真空回流焊的焊膏熔焊工艺示意图如图3所示。焊膏通过回流工艺在热空气或热氮气气氛中熔化。在此过程中,在传统的回流焊工艺中,焊料的冷却和固化会在焊点处产生气体夹杂物。在真空回流过程中,焊料同样加热和熔化。接着是真空步骤,在这一步骤中,,空洞膨胀,并从焊点表面移到真空中。降低了焊点的空洞率,焊点更牢固,因此具有更高的热导率,进而对部件性能和寿命产生积极影响。

即使在使用真空焊接和不使用真空焊接后重新熔化组件时,也会显示出明显不同的图像。在没有真空的回流过程中,空洞有轻微的移动,但没有减小。真空在回流过程中表现出非常积极的作用。焊接后空洞明显变小,特别是空洞率可以大大降低。

对焊点的金相分析也表明,在这两种焊点中,焊点均表现出良好的均匀性。然而,有时在没有真空的情况下,缺陷是可见的。在采用真空工艺的均质界面情况下,金属间化合物相也明显更加均匀。

真空焊接也可以达到另一个积极的效果。特别是,由于下游工序(如键合),导致的芯片焊接的情况下,需要高平面度,这可能会受到空洞的强烈影响。

这可以通过剖面测量来证明。左图显示了有真空和无真空焊接工艺之间的差异。。因此,在没有真空的芯片焊接中,焊料间隙是非常可变的,倾倒也是很容易识别的。对于真空焊接的芯片,其高度更平整、更均匀。

真空回流焊工艺

浅灰色显示的焊接系统的左侧部分包括预热区和峰值区。真空模块位于加热腔的右侧,在图6(a)中显示为暗色,它有一个额外的峰区,以使焊接过程的整体温度曲线更灵活地调整。在整个加热区域,使用空气或氮气对流加热组件,直到焊料熔化。

带有液态焊料的组件被从对流区输送到真空腔中,在真空腔中进行实际的真空过程。在这个真空过程之后,组件被运送到冷却区(图6(a)中的右侧白色区域),在那里使用空气或氮气将其冷却到所需的温度。

图6(b)显示了通过温度记录器测量的裸芯片温度曲线,整个随时间变化的温度曲线。在时间t=0秒时,组件处于第一个预热区的开始处。在t=118秒时,组件已被运输到峰值区域。焊料的熔化温度(液相线)为219 ℃。实际的真空过程的温度分布如图6(b)所示,用暗条表示。对真空腔进行加热,使组件和真空腔具有相同的工艺温度。腔室和组件之间的热辐射平衡,保证组件的温度即使在真空中也是恒定的,并且焊料保持液态。

图6(c)为真空工艺部分时间内的压力分布图。为了简化图6(b)和图6(c)之间的比较,真空过程的时间周期以彩色背景显示。真空过程的开始和结束时间用箭头表示。带有液态焊料的组件被输送到真空腔中,真空腔关闭(图6(c)中的左侧“白色”区域)。

在接下来的工艺步骤中,真空腔被抽真空,保持真空,真空腔随后被充入空气或氮气(图6(b)和6(c)中有颜色的区域)。抽真空时间、最终压力、真空保持时间和填充时间可单独设置。真空腔压力可以降到5 mbar。如图3的示意图所示,有效地去除了焊点中的空洞。

真空处理后,打开真空腔,带有液态焊料的组件进入冷却区。在这里,通过向组件吹冷空气或氮气凝固焊料。

焊点横截面:左=高空洞率;右=真空焊接去除了焊点中的空洞

图1  通过使用SMT的回流真空焊接系统VAC S,在上述所有实例中都实现了明显的空洞减少

2(a)组件照片。以一个裸芯片为例,正在研究的焊点用黄色标记。2(b)常规回流焊后裸芯片焊点的X射线图。2(c)真空回流焊后裸芯片焊点的X射线图

图3  常规(正常焊接工艺)与真空回流焊工艺(真空焊接)的示意图对比。在真空回流焊过程中,在真空阶段从液态焊料中去除空洞,然后是实际的熔融过程。然后冷却组件

图4  带芯片陶瓷的金相分析

图5  带芯片陶瓷的热温度曲线分析

图6 (a)SMT VAC S回流焊系统照片。真空模块(暗)位于主动对流区(=预热区+峰值区,左侧)和冷却区(右侧)之间;(b)裸芯片测得的随时间变化的温度曲线分布。真空过程的实际时间以彩色背景显示;(c)真空压力随时间变化的曲线。带有彩色背景的时间段与图6(b)中所示的时间段相同

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