PCBA生产过程中锡膏溶焊加工工艺详细介绍

各种各样表面贴装元件在PCB电路板上面的互连引脚，不论是伸脚、勾脚（J-Lead）、球脚或者无脚而仅具焊垫，均须先在板面承垫上印着锡膏，而对各“脚”先行临时定位贴着，随后才可以使之进行锡膏融熔的永久焊接。Reflow是指锡膏中已熔制成的焊锡小球状粒子，又经各种各样热源进而之再度熔融焊接而变成焊点的过程。通常PCBA业者直接引用日文名词“迴焊”，实际上不太贴切，也根本未能充份表达ReflowSoldering的正确意义。而若直译为“重熔”或“再流”者也是不符。

 

 

一、锡膏的选取与存储：

现阶段锡膏最新国际标准规范是J-STD-005，锡膏的选取则应紧紧围绕以下三点，目的性是在使所印着的膏层都必须保证最佳的一致性：
(1)锡粒（粉或球）的大小、合金成份规格等，应取决焊垫与引脚的大小，和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）
(3)锡膏之贴度（Viscosity）与金属重量比之含量如何由于锡膏印着以后，还需要以承接零件的放置（Placement）与引脚的定位，故其正面的贴着性（Tackiness）与负面的坍塌性（Slump），和原装开封后可供实际工作的时程寿命（WorkingLife）也均在考量以内。当然与另外化学品也有着相同见解，那就是锡膏品质的长期稳定性，绝对是首先应被充分考虑的。次之是锡膏的长时间存储须放置在冰柜中，拿出使用时应调节到室温才更理想，这样将可避免空气中露珠的冷凝而导致印点积水，进而可能在高温焊接中导致溅锡，并且每小瓶开封后的锡膏要尽量的用完。网版或钢板上剩余的锡膏也不适合刮回，混储于原装容器的余料内以待再度使用。

 

二、锡膏的布着及预烤：

板面焊垫上锡膏的分配分散及涂着，最普遍的量产方式是使用“网印法”（ScreenPrint），或镂空之钢板（StencilPlate）印刷法两类。除开前面的两类主要方式外，其它普遍的有注射布着法（SyringeDispensing）与多点沾移法（DipTransfer）两类用作小批量生产的制造。

网印法（ScreenPrint）
网版中的丝网本身仅仅是载具，还需另外贴附上准确图案的版膜（Stencil），才可以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生产成本便宜，对小量多种多样的产品或打样品之制程非常经济。但是因为不耐久印且精淮度与加工速度比不上钢板印刷，故在大批量生产型的台湾PCBA组装厂商很少使用前者。

钢板印刷法（StencilPlate）
必须使用局部化学蚀刻法或雷射烧蚀加工法，对于0.2mm厚的不锈钢板进行双面精淮之镂空，而得到所必须的开口出路，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。因而除开蚀刻镂空外，还要进行电解抛光（Electropolishing）以去除毛头。甚至使用电镀镍以增加表面之润滑性，以利锡膏的通过。

注射布着法（SyringeDispensing）
注射法可用作板面高低不平致使网印法不能施工者，或当锡膏布着点不多且又分散太广时就能用之。但是因为布着点很少故加工成本偏贵。锡膏涂布量的多寡与针管内径、气压、时间、粒度、贴度都息息相关。

多点沾移法（DipTransfer）
可用作板面较小等封装载板（Substrates）之固定阵列者，其沾移量与贴度、点移头之大小都息息相关。
某些已布着的锡膏在放置零件贴着引脚之前，还必须预烤（70~80℃，5~15分钟），以赶走膏体中的溶剂，如此这般才能减少之后高温熔焊中溅锡而成的不良现象锡球（SolderBall），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。且只要过度预烤者，甚至还会因粒子表面氧化而意外带来焊锡性不良现象与过后的锡球。

 

 

三、高温熔焊(Reflow)

1、概念
高温熔焊是运用红外线、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，其热源绝大部分是得自发热效率最好的辐射式（Radiation）红外线（IR）式机组。之后为了改进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。近些年为了“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，自然是最有效的方法，但是成本费用的增加却是无比的威力。

除开以上三种热源外，初期亦曾用过蒸气焊接（VaporSoldering），系运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。缺陷是高沸点（B.P.）溶剂（如3M的FC-5312，沸点215℃）之成本费用偏贵，且因带有氟素，故长时间使用中在所难免会裂解产生部分的氢氟酸（HF）之强酸毒物，加以经常出板面小零件之“竖碑”（Tombstoning）不良缺陷，故此法目前已自量产中淘汰。

还有一种特别方法是运用雷射光的热能（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。此法具快热快冷的优势，并且对极微小纤细的精密焊点相当有益。针对平常大批量化之电子产品则看起来十分不切实际了。其他尚有类似手工焊枪式做法的“热把”（HeatBar）烙焊，系运用高电阻发热的一种局部焊接法，可用之于修理重工，却不利自动化量产。

2、红外线与热风各种红外线可按其波长概分成：
(1)波长为0.72~1.5μm贴近可见光的“近红外线”（NearIR）。
(2)波长1.5~5.6μm的“中红外线”（MiddleIR）。
(3)和热能较低波长为5.6~100μm的“远红外线”（FarIR）。
红外线焊接的优势有：发热高效率、设备维护低成本、“竖碑”之缺陷较蒸气焊接减少、并可另配搭高温热气体一同操作。缺陷为：几无限制温度，会常引起烧伤，甚至造成待焊件温度过高的变色变质，且也只能焊SMD无法焊PTH之插装元件脚。
IR的热源有日光灯式长管状的T3钨丝灯管，属NearIR直晒发热量较大，但也非常容易出现遮光而发热量欠缺的情形。次之是镍铬丝（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。此全面性发热量，除了正面可将发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）。使各种受热表面的发热量更为均匀。
因为红外线在高低差异的零部件中会造成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盲区处之欠缺处，并可进行PTH之插焊；因此使得早先之单纯IR者几乎为之除役。所吹之热风中又以热氮气更为理想，其优势如下：
(1)大幅度减少氧化反应，故助焊剂已可减少使用，并亦减少清理及减少锡球。
(2)无氧环境中助焊剂被点燃机率减少，故可提升焊温（如300℃）加速输送速度。
(3)树脂表面变色机率减少。

3、全自动输送工作流程：
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。每阶层中又有多个区段（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）则速度加速（贴近50cm/min）温控也较淮确。通常大批量者以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，因超出Tg以上的塑胶材料，不仅会出现软化之塑性而极大的损害到尺度安定性，且各方向（X.Y.Z）的膨胀加重下PTH也非常容易断孔。每种差异料号板面，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工作程序流程（SOP）。