电路板回焊之原理与管理（三）回焊曲线管理

一、回焊曲线管理淮则

曾有电路板厂家研究无铅回焊者，採DE实验计划法对多种情况进行实做研究，并归纳出四种简易的淮则(Metrics)，可做为无铅回焊量产管理的借镜。现以SAC305焊料，输送速率0.9 m／min，板面△T在4℃以内，峰温245℃，所用连线机条日则以9热3冶者为例，说明其细节原委于后。

（1）第一准则

是指峰温(Tp)针对10倍板面温差(△T)，其两者的比值应大于2.2℃。此淮则是考验回焊炉软体与硬体的本领如何?本领高强者其各段热风不但反应灵敏，而且瞬间局部之热传效率很高’使得待焊板面之温差(△T)得以缩小。品质良好的回焊机，即使面对大板多件而言，其全板最热与最冷间之△T也应保持在15℃以内。一旦△T超过25℃0者，即表该品牌的回焊机将会发生问题。因而此经验公式在避免拉高Tp ，但却刻意压低△T之下，二者的比値即可良性的变大。也就是说比値愈大者，其回焊炉本身的品质也越好，起码经验比値应在2.2以上才行。

表1、板面六个测温点分别取得第一淮则之评分

(2）第二淮则

此淮则是著重在熔融锡膏之液态历时须愈短愈好〈TAL代表加工技术的优劣），并同时就前一淮则过度强调△T （代表机器的能耐如何）者亦有所修正。也就是说△T与TAL两者都很重要，最好是两者都不宜太大，换言之机器的能耐与加工技术两者均须兼顾之意。

表2、六个测点所得第二淮则之评分。

(3)第三淮则

此淮则可用以量测回焊炉的加热效率，简单的说就是倒底需要多久时间才能到达峰温，是著眼于产能与产量的提昇。此经验公式系以峰温针对总共加热时间两者的比値，至少要大于0.6才较妥当。

表3、六个测点在第三淮则之评分。

（4）第四淮则

与第二淮则颇为类似，是说明板面上呈现较热的元件或较热之区域者， 例如小件〈电阻器、电容器等）脚垫之锡膏会率先到达峰温（Tp），故所经历的TAL当然会比大件〈BGA）引脚锡膏来的更久一些。是故对小件者而言，其Tp/TAL之比値应使之大于3.5 (暗指TAL不可太久）；对大件者则其比値不宜超过8.3 (暗指TAL不可太短）才较妥当。且此淮则也可考验回焊炉的机动性是否够灵活。

图1、左图说明无铅焊接当其TAL秒数已固定，一旦峰温超过245℃或250℃时，将会危害到板面组装的大件与小件。

右图说明有铅焊接的作业范围比起无铅焊接更为宽广更为安全的示意图。

二、冷却速率的影响

(1)微结构方面的差异

电路板回焊製程锡膏癒合冷却成为焊点的经历中，热量充足展现良好焊锡性者，焊料与焊垫以及零件脚之介面间当然已完成IMC的生长。现刻意选择自242℃的峰温冷却下滑到200℃之一段曲线，取其两点间斜率之缓急定义为 “冷却速率”(Cooling Rate)。于是冷却较快而馀热较少者(例如一2.5℃／sec)，其IMC生长的时间被逼短，因而厚度上较薄(有铅快冶IMC厚度平均为1.5μm，但无铅快冶者其厚度竟达3.8μm)。反之，冷却较慢馀热仍多者。 (例如0.5℃／sec)，其IMC自然变得较厚，而且部份还会脱离介面逸往液态焊料中形成枝状(Dendrite)IMC。介面常见者如Cu6S n5，Ni3Sn4，Ag3Sn，AuSn，AuSn2，AuSn4等IMC结构也都与冷却速率有关。

图2、此二图均为焊点介面之微切片SEM画面，当回焊曲线之TAL历时较短者，

其Cu6Sn5之顶IMC厚度较薄，当TAL较久时则IMC会明显的厚。

(2)对完工强度的影响

冷却速率的快慢还会改变TA L与△T等数据，慢冶使得TA L变久进而会使IM C长的较厚。快冷者却让板面温差(△T)拉大，致使最热点与最冷点的厚度也出现厚薄的差异。除了冷却快慢之外，表面处理的种类也会对焊点强度(Joint Strength)造成影响。研究者曾对0SP垫面处理者做过剪力强度(Shear Strength)试验，发现快冶者要比慢冶者更好。不过快冶焊点除了前述空洞较多外，其残存的内应力也较大，此乃由于不同材料热胀系数(CTE)各异所导致的结果。然而于各种优劣比较下，仍以快冶者优势居多。以BGA为例，在各种不同条件所焊妥之焊点，可採推锡球的方式，检测其强度如何，甚至还可比较出老化后强度变弱的各种不同现象。下表所列者即为快冶与慢冷在两种曲线上各项数据的变化。

图3、此为检查焊点强度之简单型侧推剪力法，可从所取得之剪力大小、断裂位置舆断面情形得知其强度如何。

表4、无铅回焊在快冷与慢冷降温中对TAI与△T板面的影响。

（3)对老化强覆的影警

OSP垫面有铅回焊快冶者，其IMC平均约1.5μm，慢冷者反应时间较长因而IMC也会长厚到2.1μm。但SAC回焊虽快冷者(一2.5℃／sec)其总体的反应热能仍比有铅慢冶者高出许多，因而其IMC竟长厚到3．8μm 。若刻意在l25℃中老化500小时后，仍可发现SAC要比 T／L长的更厚。并已有许多Cu6Sn3脱离介面迁移到焊料主体中去，如此不但会危及介面，而且也使得主体的微结构变得更加粗糙不均，后续之疲劳寿命也为之劣化。

图4、左为有铅焊点其IMC生长受到冷却速率舆老化时间的影响，而在IMC厚度方面产生变化的情形，

右为无铅焊点老化后在工MC厚度变化方面的比较。

图5、左图为所见无铅焊接快冷(一2.5℃／sec)中的IMC生长情形，中为同一样板经老化500小时的IMC变厚情形，

右为老化1000小时后其IMC不但很厚，而且还脱离介面移入主体焊料之精采画面。

从长期老化IMC继续变厚与微结构(Microstructure)是否够均质的观点看来’其快冷者的寿命确实要比慢冶者来的更长更好’不过快冶者有机物解所形成的气体’其逃出焊点的机会也将为之大减。因而残存在内的空洞(Void)当然也就会增多了。

三、多层板板耐强热性之预测

无铅焊接的强大热量对PCB的板材绝对会带来严重的伤害，而回焊之衝击力道又还超过波焊甚多。就PCB本身而言’大板厚板受到的内伤又远甚于小板薄板。灾难重重的厚板中’层数多铜箔厚者又比一般多层板者还更妻惨。为事先明瞭P C B是否能耐得所採用的回焊曲线而不致爆板起见，美商曾试行过一种空板考  。试用的Profile’刻意经过5次试焊后再目检空板是否起泡或爆板，即可知道其耐 强热的体质如何了。

在动态测温仪(Profiler)之后随下，分别在板面前缘、板中央’以及末端三处位置’事先焊上三个热偶测点，然后按照上列有鞍式回流曲线与表列之操作参数’将考试板送入迴焊炉’并连续经过5次共约2 5分钟的强热考验后’再检查PCB是否出现耐热不良的缺点。

图6、左图为电路板厂商针对无铅焊接空板考试用的回焊曲线，

右为板面感测热偶线焊牢的三个位置，下页附表则为各项实做参数之整理。

考试板一共要经过5次试焊，不可出现任何爆板与起泡等缺点时，该空板才算及格。

表6、进料空扳热风无铅回焊考试之参数

四、採用N2加热的好处

回焊炉使用N2时’可防止锡膏中的锡粉、引脚表面、板子垫面等再次氧化的烦恼’助焊剂的活性也可不必那么强’焊锡性与可靠度均将改善极多。尤其是0 S P处理的焊垫’氮气在多次回焊中更已成为不可或缺的重要角色’即使第五代的OSP也还需要N2的大力协助。缺点是成本增加(每小时用量1 0—2 0 m 3)’小型被动元件 (如0 4 0 2’0 2 0 1等)容易发生立碑 (Tombstoning)需小心预防。所选购的回焊炉最好是空气与N2都能使用’其机动性才更好。

图7、此为高温氮气回焊炉的掀开昼面，可见到其热量分别来自热风与红外线，操作残氧浓度只需1500ppm以下即可。

图8、左上图为沾锡角  (Wetting Angle或称Contact Angle)的截面图，

左下为热风回焊与热氮气回焊在空洞方面的优劣比较。右表为各种情况下沾锡角太小的比较。

当回焊採用N2时(残氧浓度1 500 p p m以下)焊点品质方面可获得多项好处，如减少空洞(Voiding)、助焊剂残渣大减、代表焊锡性之沾锡角(Wetting Angle)也可减小；其主要原因是N2可降低焊料零件脚与OS P遭到的氧化反应，可大大增加向外扩展的附著力。有人研究过在氮气中回焊，即使峰温下降1 0℃，其品质也与原温空气回焊者品质相当。

氮气在波焊中的消耗量约在80—1201／min之间，当板子焊垫採OSP之表面处理时，最好使用氮气以减少底铜面的氧化作用’进而改善其焊锡性。在无氧化反应的威胁下’助焊剂必须加强的压力也可减缓，残渣也自然为之减少。

图9、左为协益电子公司採用日商古河电工的无铅回焊炉的生产线，

右为相同无铅锡膏在OSP皮膜上，所得不同散锡性的比较图。

电路板无铅回焊採用的立即效应，是焊点外观平滑漂亮、板材不易变黄、散锡性较好、密垫间搭桥短路减少、沾锡时间变短、沾锡力量增大、对免洗助焊剂更是十分有利。事实上难度较高的板类，确实应採用N2帮忙才行。

图10、此为日商古河电工之大型无铅氮气回焊炉12热3冷之XNK-1245PT机组，长6.3m、重2.7吨，

内装隔膜式氮气产生机，最低残氧率可达500ppm，可供大型板之快速量产用途。