电子焊接工艺技术
6、新工艺简介
进入21世纪，随着电子产品向着“轻、薄、短、小”方向不断改进的需要，表面安装的发展趋势是向最短的互连线、最高的组装密度、最少的布线层数、最合理的位置布局和最少干扰的电路设计方面不断进步。为适应这种发展趋势，第5代电子装联技术—MPT将导致装联技术的又一次“革命”。
同时，随着人们环境保护意识的增强，创建绿色生产线已成为装联生产的发展方向，因此，本世纪锡焊技术的发展重点是惰性气体保护焊接、免清洗焊接、无挥发有机化合物焊接和免焊剂焊接。
6.1 焊接技术最新进展 6.1.1 惰性气体保护焊接
熔化的焊料暴露在大气中时，会很快出现氧化现象，形成一层薄薄的氧化锡和氧化铅层，统称为氧化皮，它不仅会破坏波峰的动态特性，而且直接导致了焊料的大量损失。
为防止氧化皮的的形成，可以通过避免焊料表面直接接触空气来实现。最常用的办法是在焊料中掺入高温矿物油，这种油膜薄层浮在焊料的表面，可以起到隔绝空气的作用，同时也降低了焊料的表面张力，增加了润湿能力，有效地减少氧化皮的形成并改善了焊接工艺的效果，但其副作用是矿物油对板面的污染和高温下产生的刺激气味对环境的污染，这使人们必须寻求其他的解决途径。
近年来，在惰性气体氛围下焊接的新工艺诞生了，它既消除了氧化皮，又防止了焊件在高温下的氧化，从而提高了润湿性能。所以，新型的焊接设备一般均具有可供选择的氮气保护功能，在波峰焊或再流焊设备中充入氮气。充氮区段的结构有隧道式和头罩式2种，隧道式是将预热和焊接区域全部密封在冲氮的管道内，可以将焊料与氧的接触机会降低至5×10
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或者更低；而头罩式仅在焊接部位的波峰口上装有氮气罩，氮气仅覆盖在焊料溢出口的焊接部位，所以这种结构焊料与氧的接触机会比隧道式高一倍。隧道式充氮管道内可安装含氧量检测仪，按设定的含氧量数据自动检测并控制充氮流量，这种结构对提高焊接质量和减少焊料的氧化更有利，但氮气的耗用量较多。头罩式的充氮部位一般不设含氧量检测，其耗氮量较少，维修更方便。
6.1.2 再流焊的新发展—穿孔回流焊
目前使用的再流焊设备有一定的局限性，它只能适用于全表面安装电路板的焊接，而混合安装电路板在焊接通孔插装焊点时必须采用波峰焊。随着SMT的发展，波峰焊方式已不能适应不断升级的高密度组装要求，主要反映在焊接高密度电路板时桥接、漏焊的增加；在焊接双面板时，A面焊好后在B面进行波峰焊时会造成A面元器件的重熔移位和热敏器件的损
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坏；焊接时需要整个板面涂敷助焊剂，使板面的有害残余物难以消除等一系列问题，因此，有必要寻求一种更理想的焊接方式。
为此，人们研制出一种新型的焊接方式—穿孔回流焊（PIHR）。它实际上是一种用再流焊方式焊接通孔插装焊点的新工艺，它的应用拓宽了再流焊的适用范围，有效地解决了波峰焊在焊接高密度电路板的通孔插装焊点上的难点。在表面安装领域，穿孔回流焊已有逐步取代波峰焊的趋势。
穿孔回流焊工艺的具体步骤如图31所示。
（1）涂膏：焊膏通过安装在焊膏盘上的管嘴（针管）漏印在通孔插装的焊盘上。具体方法是将已安装好片状元器件的印制电路板放置在托盘上（通孔插装焊盘朝上），管嘴盘上装有与焊盘位置相对应的管嘴，由定位系统将管嘴孔对准焊盘，再刷动刮刀，焊膏将通过管嘴漏印在焊盘上，如图32所示。
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（2）插件：将印制电路板翻转，插入有引线元器件。
（3）焊接：印制电路板置于穿孔回流炉的上方，由定位系统将焊盘与回流炉上方的管嘴孔对准，焊接时管嘴孔直接向焊盘吹出热风，使焊膏融化，形成焊点，如图33所示。
穿孔回流焊的加热方法具有明显的优越性，其一，由管嘴直接向焊点加热，所以加热均匀、无温差；其二，加热部位是局部的，可完全避免热应力对已焊片状元器件的不良影响；其三，有效地克服了整板涂敷助焊剂而造成的污染；其四，大大节约了能源。穿孔回流焊的局限性是必须制作专用的管嘴盘，因此，适用于已定型的批量产品。
目前，我国生产调谐器和高技术、高附加值通信产品的一些企业已率先使用PIHR工艺，预计在不久的将来这项新工艺会被普遍采用。
6.1.3 焊料的无铅化
长期以来，在电子产品的装联中，一直采用锡－铅系焊料作为焊接材料。在电子工业中铅的使用量约占整个铅的消耗量的7%，但由于铅对环境的污染以及对人体的有害作用，已成为电子装配行业消除的目标，无铅焊料的研究和试用已成为热门课题。近年来，在美国、欧洲和日本都成立了一些机构专门从事取代Sn-Pb系焊料中Pb的研究工作，并且取得了很大进展。
目前正在研究的无铅焊料有以下3种。16
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（1）寻求无铅的金属合金替代Sn-Pb系焊料
这是当前研究得最多、最有前途的替代Sn-Pb焊料的途径。如采用Sn基焊料、In基焊料和Bi基焊料，但是In储量很少，比Sn-Pb焊料成本高20倍，Bi在地球上的储量也有限，因此Sn基焊料是主要的选择方向。
美国Sandia国家研究所的科学技术中心对4种Sn基焊料进行了润湿性能的试验，它们的合金含量分别是96.5Sn-3.5Ag、95.5Sn-4.0Cu-0.5Ag、95Sn-5Sb和100Sn，结果表明，所有富锡无铅焊料的润湿性能基本处在适用范围内，但由于表面张力较大，使润湿角较大。
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另有研究表明，一种由锡－银－铜－锑组成的合金可作为无铅Sn基焊料，其大致的配比范围为96.2Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb，其熔点范围是210～216oC，润湿性能与63Sn-37Pb焊料相仿，晶粒结构的金相分析表明，形成的焊缝与63Sn-37Pb焊料基本接近，符合可靠性要求，它最大的优点是与锡铅焊料的兼容性，两者可以互相混用。
综合研究结果表明，富锡无铅的Sn基焊料是替代Sn-Pb焊料最有前途的选择物。
（2）采用导电粘接剂替代Sn-Pb系焊料
导电粘接剂的研究已有50年的历史，SMT的兴起和发展才真正为它在电路组装中的应用提供了最佳的环境。从20世纪80年代以来，随着无焊接连接研究的逐步深入，加快了导电粘接剂的研究步伐，其中最成功的是叫做“Poly Solder”的各向同性填充金属的导电粘接剂，现在美国已有大量电子组件采用这种粘接剂进行组装。另一种聚酯类粘接剂是各向异性导电粘接剂，已有30年的研究历史，20世纪80年代以来对这种粘接剂的研究工作特别活跃。
目前，正在进行将导电粘接剂应用于倒装片连接的研究，即硅片与基材（陶瓷、印制板或柔性材料）之间的连接不采用焊料，而是用粘接剂代替，这种连接形式的倒装片称为FCAA型，当前尚处于开发的初期。
（3）采用非传统金属代替Sn-pb系焊料
这种方法主要初步应用于元器件的微组装上，如镓基汞剂被用于芯片粘接和倒装片的凸点电极与SMB的连接。
目前，在国外已逐步商品化的无铅免清洗焊料（焊膏），但在很多方面它还无法全面取代传统的Sn-Pb焊料，因此，还需加快开发研究焊料的无铅化，为保护人类的生存环境而努力。
6.2 免清洗技术 众所周知，，大气臭氧层被破坏是当今面临的3大全球性环境问题之一，因而受到了全世界的极大关注。为此，国际上已于1985年和1987年分别制定了保护臭氧层的《维也纳公约》和关于消耗臭氧层（ODS）物质的《蒙特利尔议定书》。我国书1991年6月参加修订《蒙特尔议定书》而成为缔约国之一，并承诺到2006年我国的清洗行业逐步停止使用ODS物质。为此，各国均在积极采取措施，寻找替代ODS溶剂清洗技术的各种途径。
目前，国际上淘汰ODS溶剂清洗技术的方法已基本成熟，并逐步深化发展，这些技术包括免清洗技术、水清洗技术、半水清洗技术和替代ODS溶剂清洗技术（在第8.4.5节中已做介绍）。在这些技术中，水清洗和半水清洗不仅设备费用大、占用场地大，耗电量大，还需增加水处理和废水处理等环节，而溶剂清洗中溶剂本身的成本高，而且还存在挥发性有机化合物（VOC）污染和工人操作安全等问题。因此，免清洗技术必然是一种最有发展前途的技术，受到各国的普遍重视。
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