【SMT资料】profile 对reflow制程的影响

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現在我們來討論為甚麼“馬鞍型溫度曲線”被 廣泛使用的理由，主要是因為透過強迫性對流 流焊製程的協助，有恆溫區的加溫曲線可達到 類似在汽相流焊製程中的最高流焊區極上熱平 衡分佈的結果。
我們認為要達到最佳的產品產出率，在考慮如 何決定流焊的溫度曲線時，因此考慮各種不同 零件的吸熱情況以及底材PCB的特性而不必太 在乎加熱製程中錫膏的表現。
* In order to overcome the problem, the momentum relation must become as below ;
T1 + T2 ＜T3
T1 + T2 ≧T3
T3
d
T1 T2
Partial melting
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Reflow Zone :
*Peak temperature and Reflow time should be controlled
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如何改善錫球
鋼板內距
0603 0.7 ~0.8mm 0808 1.1 ~1.2mm 12.6 1.95~2.1mm
鋼板形狀
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Reflow後造成的坍塌
升溫速度過快 Soften Point Slump resistivity PAD間文字面的白漆，或Trace線
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由於業界對P.C板輕溥短小的設計的改進， SMT零件的分佈密度愈趨緊密，加速了 高熱含量零件封裝體的應用，例如IC和 QFP。因為各種不同大小零件間的熱含量 增加，使得在使用傳統的遠紅線(far IR) 流焊爐時，因為熱量分佈不均，再加上 使用“和緩溫昇型”的溫昇曲線(甚至於 “馬鞍狀，恆溫型溫度曲線”)，很難在 零件間達到熱平衡。
Viscosity
Temperature
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Preheating Zone :
1.Solvent evaporate completely
2.Flux activation and oxidation
3.Preheating time and temperature
3.1 For N2 oven the preheating time can be longer.
Bridge by wicking
2 Lead > 1 Body > 3 Pad
3 Pad≧ 2 Lead > 1 Body
More heat from the bottom
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Tombstoning :
T3
d
T1 T2
Condition which causes tombstoning shall be : T1 + T2 ＜T3
.Plastic BGA substrate (Tg :1750C)
Soaking Zone
PCB bending
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Parameter setting : 1
2 3
2 Lead > 1 Body > 3 Pad
Normal soldering
Wicking
Less heat from the top
High heating rate
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*Flux softness point :
Flux softness point will decrease solder paste viscosity.
Very low heating rate Low heating rate High heating rate
*The flowing ability(surface tension) of solder (High
Good)
*Void formation
*Component and / or board damage
*N2 concentration
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Cooling Zone :
*Cooling dபைடு நூலகம்wn speed •N2 concentration
Profile curve
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183 oC 175oC
Reflow
Heating
Preheating
Soaking
Cooling
Heating : Solvent evaporation Preheating :Flux reduces and Metal oxides Soaking : Solder balls melt, wetting and wicking begin. Reflow : Solder melting completes, surface tension takes over. Cooling : Cool down phase.
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錫膏Reflow的溫度曲線
在討論溫度曲線之前，讓我們先討論一下傳統 的溫度曲線:馬鞍狀的溫度曲線，恆溫區在 140~160OC之間。
最早開始使用表面粘裝零件(SMT components) 流焊組裝製程時SMT零件在PCB上的分佈密度 並不高，而且零件間的熱含量差異相當小，這 種簡單的P.C板結構容許應用“和緩溫昇，無恆 溫區”的溫度曲線，而不會有任何問題。
.Plastic BGA
After Preheating
PCB bending
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Soaking Zone :
*Homologous heating (PCB, Components and solder paste) *Solder paste viscosity control *Solder wetting and wicking begin. *Surface solder balls melting.
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事實上，許多廠商都在持續使用鞍狀溫 度曲線而沒有任何焊錫問題。
根據我們的經驗，如何設計鋼版開口尺 寸對防止焊錫不良，例如邊球和錫橋， 會比改變溫度曲線來得更有實質上的效 果。
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從焊錫膏的觀點來看，當溫度升高時，焊錫膏 傾向如果第一段溫度升太陡或助焊劑組成不適 當時，焊錫膏傾向於變軟並且可能造成塌陷 (slumping)產生邊球、錫橋和其他焊接缺點。
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新助焊劑組成的發展，己經成功地使銲錫膏愈 來愈不受溫度曲線的影響，並使得焊接製程的 限制大大地減少 (process window放寬很多)
我們的結論是，應用廠商可採用「和緩加溫」 或「鞍狀加溫」的溫度曲線，只要能確保流焊 爐的熱量足夠讓所有溶劑揮發，但是，我們的 建議是所應用的溫度曲線的決定必需全盤考量 PCB底材和零件的熱平衡以確保每個零件焊接 點的品質，而不必太考慮錫膏在流焊製程中的 表現。
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例如，當我們測量兩個不同零件，chip capacitor和B.G.A的焊接點溫度時，這兩 個零件間最高點溫度差的差異會最大， 因為每一個零件熱含量不同，導致每個 零件的溫升速率不同。
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3.2 For Air oven the preheating time should shorter than N2 oven
4. PCB board bending control
PCB
PCB
Before Preheating
After Preheating
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5.Plastic BGA
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零件置放所造成的坍塌
放件衝程過大 膜厚過厚
鋼板厚度太厚 PCB背部支撐pin擺放位置不恰當 鋼板底部有貼貼紙 鋼板與PCB間隙過大 刮刀磨損 刮刀壓力太小
錫膏黏度太低 零件重量
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請注意，使用鞍狀流焊溫度曲線的目的在於確 保得到良好的銲接點品質，而不必掛感零件尺 寸大小和熱含量多寡，我們也已研發出特殊的 抗垂流劑，可確保即使在很陡的溫升段情況下 仍可得到很好的抗塌陷性，同時可以使用高沸 點的溶劑來延長錫膏在鋼版上的使用時間及粘 滯時間，這種新抗垂流劑已經在KOKI SE4M953i及SE4-M1000等系統上大量使用。
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Heating Zone :
*Solder Pastes’ Viscosity : 1.Solvent evaporation cause viscosity higher. 2.Heating solvent will cause viscosity down.
Viscosity
Low heating rate
較慢的溫升(ramp-up)段，會讓溶劑揮發時， 松香及抗垂流劑變軟的速度較慢，有助於減少 solder beads(邊球)，錫橋(bridging)和其他缺 點，如下張圖:graph-1
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如上圖Graph-II所示，較陡的溫升段會造 成錫膏粘度較快速的下降，因此，我們 已經針對錫膏成份設計出較低沸點的溶 劑，使得大部份的溶劑在松香和其他固 形物達到較化點之前就已經揮發來減少 造成slump和solder beads的機會，但是， 可能因此使得錫膏在鋼版的應用時間和 粘滯力維持的時間縮短。
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為了解決熱平衡不佳的問題，人們開始考慮使 用汽相流焊製程(Vapor phase reflow process)， 但是因為急挺的熱量提升造成的零件裂開及墓 碑效應、溶劑的毒性、CFC溶劑的禁用等問題， 汽相流焊很快就不受歡迎了。
後來研發的強迫空氣對流流焊製程(forced air convection reflow process)因此比遠紅外線流 焊的熱分佈均勻性好很多而大受歡迎。