【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第93页
对 于无铅 组 件 ， 常 用 的 SAC （ 锡 、 银 和 铜 ） 焊 料 包含了 3 % 到 4 % 的 银 ， 0.5 % 到 0.7 % 的 铜 以 及其 余 的 锡 。 这些 合金 的 熔 点 大 约 为 220°C 。一 些 元器 件 ， 如 某 些 铝 电 解 电 容 ， 它 们有 最高 温 度 和 230°C 以 上 耐 受 时间的限 制 。 另 外 的 约 束 来 自 于 低 成 本 层压板 、 塑 料连接 器 和 …
激光焊接是业界的新式技术，主要应用于高端、
高可靠性应用如航天、军工或者医疗行业。
7.1.4.1 强制热风对流 对流加热是现今的选择
方式。热量通过低速率的热风传递至印制板组
件（PCA）。强制热风对流为非接触加热方式，
其中也有一些热量是通过辐射传递的。热量传
送至物体的速率与热风和PCA之间的温差直接
成正比。
在线
强制热风对流系统有三个主要部分：（1）
预热，（2）再流焊和（3）冷却。每个区都包含
多个上温区和下温区。温区的数量对于传输速
度以及用户对炉温微调能力都有直接的影响。
增加温区使得用户可以有更高的带速，同时允许
用户灵活精确设置炉温曲线。低产能的再流焊
系统有3或4个温区（一个温区包括有上、下加热
器）。中等产
能的再流焊系统有5或6温区，而高
产能系统会有7个或更多温区。通常来说，有六
个温区的系统就满足大部分再流焊要求，包括
超大PCA和相当高的传输速度（可达到60cm／
分钟）。炉温曲线的变化是通过调整传输速度，
上温区和下温区温度设定来完成的。
7.1.4.2 再流⽓氛 再流焊炉中的气氛影响焊料
润湿。在氮气环境中进行的再流焊接可改善焊
点的润
湿性，有时也可对处于可润湿边际的电
路板表面或已氧化的焊球进行补偿。为了在氮
气环境中获得焊膏的最大好处，建议对其中的
氧气含量进行监控，以控制其处于以确定的工
艺限值范围内。
随着产品转向无铅技术，无铅焊膏的可焊性并
没有锡铅焊膏那么好。如果焊膏选择不正确，
可能的情形是再流焊前用于清除焊膏、连接盘
和焊球上的氧化物
的焊膏活化剂会被耗尽。这
会造成焊点形状不均匀以及连接盘可能未被润
湿。在形成空洞时，一些焊膏成分也可能会受
到再流气氛的影响。当对OSP表面处理使用无铅
工艺时，最 好 在 氮气 环 境 中对产品进 行再流
焊接，特别是采用混合技术组件有通孔填充问
题时。通孔填充问题会在无铅工艺中出现，特
别是当使用免清洗助焊剂和第一代或第二代OSP
时。使用水溶性强活性助焊剂
和第三代OSP有助
于尽量减少通孔填充问题。
在氮气环境中对OSP板再流，不但可以为下游工
艺保持连接盘的可湿润性，同时也可尽量减小
对在线测试（ICT）测试有影响的测试点或导通
孔的氧化。
7.1.4.3 时间/温度曲线 焊接曲线，也被称为
温度曲线，是制造工艺中能够显著地影响产品良
率的关键因素之一。传送带速度和面板温度是
焊接曲线开发的
两个变量。焊接炉温曲线不仅
与特定产品有关，同时也与助焊剂有关。不同
的焊膏需要不同的曲线以优化性能，所以在开
发焊接曲线之前咨询焊膏制造商是很重要的。
在开发焊接曲线时，实装印制板对于曲线的开
发是必要的。从给定的带速开始，便用热电偶
监测板子正面温度。大部分新式再流焊炉有内置
热电偶和软件以记录温度曲线。同时，商业性
的软件和硬件
包，如MOLE、数据包和许多其它
工具已经问世，使得温度曲线开发更加简便。
使用这样的曲线开发工具对锡/铅组件一直是重
要的。如今不仅很重要，而且十分关键，因为
这类曲线工具被应用于每种产品以求达成较好
的良率，而且不会超出不同类型元器件所要求
的温度限制。表7-3提供了锡/铅和无铅组件以及
混装组件的主要再流焊温度曲线（向前和向后
兼容
性曲线）。需要注意的是对于无铅焊料和向
前兼容性的曲线是相同的。
对于锡/铅焊料，业界对该焊料成分一直有的共
识是：63%锡37%铅的共晶焊料，熔点为183°C。
对于这种成 分 ， 熔点（183°C）和峰 值温度
（220°C）之间有很大的温差。尽管推荐将整块
电路板间的温度保持在210~220°C，人们很容易
偏离而将温度维持在190~225°C之间，其温度范
围差是35°C，这种情况仍能达到良好的再流焊
结果。
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图7-3 BGA或其附近各位置的峰值再流温度⽰例
220°C
240°C
245°C
为无铅焊料
为无铅焊料
230°C
235°C
260°C
225°C
为锡/铅
为锡/铅
205°C 217°C
230°C
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对于无铅组件，常用的SAC（锡、银和铜）焊料
包含了3%到4%的银，0.5%到0.7%的铜以及其余的
锡。这些合金的熔 点大约为220°C。一些元器
件，如某些铝电解电容，它们有最高温度和230°C
以上耐受时间的限制。另外的约束来自于低成
本层压板、塑料连接器和如有使用的湿敏元器
件。
为了能适应这些限制，无铅组件的峰值温度应
该保持在230°C-245°C，变化量仅为15°C，的确
是一个相当严格的工艺窗口。这比之前提及的
锡/铅组件的35°C的变化下降了60%。如果高热
容量的大型元器件和小型温敏元器件贴装于同
一电路板，则要满足已定义的工艺窗口温度曲线
的开发难度会大大增加，原因显而易见。高热
容量的大型元器件需要更大的热输入，以满足
峰
值温度和液相线以上时间的工艺窗口要求。
但是，较大的热输入可能导致小型、温敏元器
件超出工艺窗口要求。要解决这个问题，必须
有非常严格的工艺控制而使整块板子上的温差
范围收窄。许多组装厂在满足这些要求时会遇
到很大的困难，特别对于复杂电路板在开发再
流焊温度曲线时没有能协调好的时间和精力。
这个问题会与之后的向后兼容性问题（一些无
铅元器件被用于锡
/铅电路板）叠加在一起。对
于这样的情况，曲线必须要同时满足锡/铅和无
铅封装要求。
图7-4至7-7展示了锡/铅、无铅组件和混合有锡/
铅和无铅元器件组件的原理图和实际的炉温曲
线。
表7-3 锡铅和锡银铜合⾦温度曲线⽐较
曲线内容 锡铅合⾦曲线 混合/向后兼容曲线
⽆铅合⾦(SAC 305)/
向前兼容曲线
合金固液相线温度 183°C 183°C/220°C 217-220°C
目标合金峰值温度范围 210-220°C 228-232°C 235-245°C
绝对最小再流峰值温度** 205°C 228°C 230°C
器件升温斜率 2-4°C/秒* 2-4°C/秒* 2-4°C/秒*
器件降温斜率 2-6°C/秒* 2-6°C/秒* 2-6°C/秒*
保温或预热活化温度 100-180°C* 100-180°C* 140-220°C*
保温或预热活化时间 60-120秒* 60-120秒* 60-150秒*
液相线以上持续时间 60-90秒 60-90秒 60-90秒
峰值温度持续时间 最多
20秒 最小20秒 最多20秒
所用焊膏 锡/铅焊膏 锡/铅焊膏 无铅(SAC 305)焊膏
SMT器件类型
所有SMT类锡/铅和无铅器件，
但无铅BGA焊球除外
所有SMT类锡/铅和无铅器件，
包括SAC无铅BGA焊球
所有器件包括BGA都是无铅，
包括含有SAC 305
无铅焊球的BGA
采用此峰值温度的理由
无铅表面处理的BGA器件在
205°C熔化没有问题。所有锡/
铅表面处理都含有90%的锡。
无铅表面
处理接近含有100%
的锡，并含有一些其它
无铅元素，如铋
需要采用一个折中的温度，使
锡铅器件不过度受热，同时具
有220°C熔点的无铅SAC BGA
器件能熔化、塌陷并完全与锡
铅焊膏熔融。较低的峰值温度
会引起SAC BGA焊球不熔化或
者只部分熔化，增加了HoP、
开路发生率以及较差的可靠性
所有器件都是无铅的，可以承
受更高温度。然而太高的峰值
温度可能引起BGA焊球脱落、
开路，退润湿和板子翘曲，
同时为了进行MSL等级评价，
大BGA器件要在最高
245°C温度下测试
* 与供应商核实
**板上的最低温度
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图7-4 锡/铅组件再流焊曲线原理图
预热
保温
再流
冷却
210 to 220°C
183°C
无保温时峰值曲线的爬升
100-180°C
冷却 4-8°C/秒
60-90 SEC
60-90 SEC
30~60秒降至室温
5°C/秒的最大斜率
90-120 SEC
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7.1.4.4 预热温区 预热区域的温度范围为30-
175°C，许多元器件供 应 商 通常建议将温度上
升速率设置为2-4°C/秒以避免热冲击温敏元器
件。这样的规范被认为是保守的，因为一些电
容是波峰焊接的，期间它们经历了由预热温度约
120°C至波峰焊料槽温度260°C的温升。快速的
温升速率会增加产生锡珠的可能，所以应该尽
可能保持低温升率；无论如何，应该考虑
组件
中最敏感元器件可接受的温升速率。
7.1.4.5 热电偶连接 图7-8展示了电路板上推
荐的热电偶位置。将热电偶连接到小型或大型
元器件的焊点是很重要的。对于BGA，将热电
偶粘贴在封装上面也是很重要的。
在开发任何炉温曲线时，使用正确的热电偶是
很重要的。应该使用导体型号为36AWG的k型热
电偶，因为较粗的热电偶导体有较多散热。为
保证良好的精确度，热
电偶导体长度不应超过3
英尺。同样为了保证精确度，热电偶的接合点
必须焊接。不能绞合，应采用压接或者焊接。
当使用高温胶带诸如聚酰亚胺（kapton®）或铝
制胶带时应当小心。胶带在再流焊过程中有变松
的倾向，这样系统测量的是炉子中空气的温度
而非焊点的温度。确认胶带良好接触很重要，
否则，就应该使用高温焊料或导热粘合剂将热
电偶连接至焊点
上。使用胶带的一大优点在于
热电偶不受损害而能重复使用。
对于BGA，在中央和角落焊球位置的印制板背面
上钻孔，并将热电偶推到印制板正面以正确测量
BGA焊球温度。在同一个BGA上保证中心焊球
和角落焊球之间的温度差异在2°C之内是很重要
的。也可将热电偶插入BGA底下，这样可省略钻
孔过程；但是，在此情况下
热电偶测到的只是
该器件下面的温度。
图7-5 多个热电偶锡/铅再流焊温度曲线⽰例
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图7-6 ⽆铅组件再流焊曲线原理图
预热
保温
再流
冷却
235 to 245°C
217°C
无保温时峰值曲线的爬升
140-220°C
冷却 4-8°C/秒
60-90 SEC
60-90 SEC
30~60秒降至室温
5°C/秒的最大斜率
90-120 SEC
图7-7 有多个热电偶 的保温（正⾯）与升温⾄峰值
（反⾯）⽆铅再流焊曲线。有保温区的炉 温曲线有助
于减少BGA中的空洞
图7-8 板上具有⼤型和⼩型元器件，热电偶位置
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