真空回流焊的技术特点

陈盛 谢志东

（青岛智动精工有限公司 山东省青岛市 266510）

1 焊接空洞产生的原因

（1）贴片器件在回流焊接过程中，由于在熔融的焊料冷却凝固时，焊料中产生的气体没有逃逸出去，而被“冻结”下来形成空洞，研究表明：焊膏中的助焊剂等成分是空洞形成最主要影响因素，其次是焊膏合金和金属粉末的颗粒尺寸选择，另外，元器件封装形式、焊盘设计、PCB 焊盘表面处理方式、网板开孔方式、回流曲线设置等都有关联。

（2）易受空洞影响的产品：散热组件（影响散热效果）、功率组件（影响功率传输）BGA/BTC 组件（影响焊接强度）等三类产品易受空洞影响。

2 焊接空洞的危害

2.1 空洞对产品影响

空洞会使焊点的机械强度下降、热阻增大，会影响焊点的导热和导电性能，从而降低器件的可靠性。研究表明：电子产品失效约有 60% 的原因是由温度升高造成的，并且器件的失效率随温度的升高呈指数趋势增长，温度每升高 10℃，器件的失效率将提高一倍。

2.2 行业标准

在 IPC-A-610、IPC7095、IPC7093 等规范中，对于 BGA、BTC 类封装器件的焊点空洞进行了详细描述，规定空洞率标准≤ 30%，而其它情况均没有明确标准，需要制造厂家与客户协商确定；对于大功率器件的接地焊盘，一些高可靠性产品的用户对空洞率的要求往往<10%，甚至更低。

3 解决空洞的方案

3.1 工艺方面

采用低空洞率焊膏、优化 PCB 焊盘设计、采用点阵式网板开孔、在氮气环境下焊接、使用预成型焊片，等等，但效果并不理想，特别是对大面积接地焊盘，很难将空洞率稳定控制在 10% 以下。

3.2 设备方面

真空焊接工艺可以稳定实现 5% 以下的空洞率，是解决空洞率问题非常有效的手段；但真空气相焊技术，由于工艺原理与设备结构的原因，不适合大批量生产；而近年来真空回流焊技术逐渐成熟。

研究表明：在真空率<20mbar 下，能有效减少气泡的产生，可实现<5%空洞率的期望目标。如图1 所示。

图1

4 真空回流焊接

真空/可控气氛共晶炉焊接在真空环境下对产品进行高质量的焊接，在焊接过程中通入还原性系统（N2、甲酸、N2H2、H2），用以保护产品焊端和焊料不被氧化，减小了焊接的空洞率。

4.1 应用

（1）采用红外辐射加热原理，具有温度均匀一致、超低温安全焊接、无温差、无过热、工艺参数可靠稳定、无需复杂工艺试验、环保成本运行低等特点，且其热容量大，PCB 表面温差极小，且满足多品种、小批量、高可靠焊接需要，因此，在欧美广泛成熟应用于航空、航天、军工电子、汽车电子、医疗等领域。

（2）近几年来，随着LED 行业的细分以及发展，特别是UV LED、Mini-LED 等在显示领域的应用，面对微米级的芯片封装，每张PCB 上数万个焊点，平整度、散热、可靠性等都面对巨大工艺挑战，目前很多厂商在P0.9、 P0.6 等产品上尝试验证采用真空回流焊接，并使空洞率控制到2%以内，以提升交付产品可靠性。如图2 所示。

图2

随着电子产品的PCB 板不断朝小型化方向发展，消除或者减少焊接材料的空洞和氧

化成为回流焊技术的必备条件，但传统的回流焊技术很难保证，特别是在减少焊盘或元件管脚氧化，降低空洞率等方面，这使真空回流焊接成为高焊接质量的工艺选择的重要原因之一。

真空回流焊接技术的工艺参数，相对于传统回流焊接，在温度、链速、风速等参数基础上，增加了四个真空参数：真空度、抽真空时间、真空保持时间、常压充气时间，其中，还可通过阶梯式分段抽真空，逐步降低大气压，以防止器件受到真空冲击引起熔融态的焊点发生异常 , 同时防止焊料在熔融状态时，内部气泡与真空腔体之间压差变化太快太大而导致炸锡现象，从而使得器件周围有锡珠问题。如图3 所示。

图3

设备主流品牌及实现方式：真空回流炉是在传统回流炉的基础上，增加了一个真空

腔体，位于高温回流区的末段。目前行业主流的真空回流炉品牌有 SMT 和 Rehm，两家的设备结构存在不同，其中 SMT 采用的是三段可以拼接分体结构，Rehm 采用的是一体结构。

设备结构：三段结构拼接而成（以SMT 为例）；

第一段为预热回流模组，一般分为 6-8 温区；

第二段为真空区，分为两个区；

第三段为冷却区，分为 2-5 个区。如图4 所示。

图4

随着真空回流焊接技术部不断成熟，目前真空回流焊表现出如下有点：

（1）焊点可靠性高。焊接过程是在汽相层中完成，100%的惰性气氛环境可最大限度地消除焊接材料中的气泡、杂质等空隙以及焊点氧化。

（2）加热均匀。消除焊接过程中的受热不均匀会导致焊接“阴影现象”，特别是隐蔽部位的焊点温度均匀一致性。

（3）操作技能要求低。操作更加简单，较传统的焊接技术而言，只需短时间学习就能掌握。

（4）生产成本低。

1.能减少能源的消耗，且无需压缩气体和保护性气体。

2.内置的回收系统，降低的汽相液的损耗。

3.独有的维护传送系统使其具有低的日常维护费用。

4.2 环保

使用的新型环保型汽相液，不会破坏臭氧层，其封闭的环境，确保对人体有害的废气污染物的零排放。

5 真空回流焊接温度曲线特点及焊接对比

5.1 炉温曲线测量方式

在焊接过程中，PCB 板需在真空区停留10 ～30 s，故真空回流的测温过程与传统回流炉存在差异。设备软件中设有专用测温模式，当该模式启动后，测温板到达真空区时，链条整体停止运转，真空腔的上盖并不会下降（避免压住测温仪、测温线），真空泵也不会启动，测温板停留时间达到真空参数设定的累计时间后，链条恢复运转，从而完成模拟测试回流曲线。

5.2 回流时间延长

PCB 板在真空区需停留进行真空焊接处理（约30s），后才能继续传输至冷却段，因此回流时间将较普通回流焊要长，TAL 时间将达到 100 秒左右，对回流时间敏感的元器件会存在风险，需工艺设计时规避。

5.3 三段式链条传输轨道

如图5 所示，真空回流炉的传输链条分为三段，分别是回流段、真空段、冷却段，一般情况下设定三段轨道链速一致，在开启真空焊接功能后，冷却段链速可以单独设定，从而出现前后传输段 PCB 板的速度不同的情况，此时炉温曲线的回流参数会改变，同时也会影响冷却斜率以及产品出炉温度。真空回流焊接与非真空回流焊接对比如图6 所示。

图5

图6：真空回流焊接与非真空回流焊接对比

6 真空回流焊接应用的风险点

6.1 器件封装失效风险

对大多元器件来说是可以耐受，但，对内部带空腔的非气密性元器件（如下某QFN 的5 个样品模拟），腔体中的空气在高温下受热膨胀，与真空环境叠加后，器件内外压力差较普通回流焊更大，且当环境温度>Tg，材料的 CTE 会显著增大，机械强度会急剧下降，在材料本身的热应力与内外部的空气压力下，会导致封装开裂。

6.2 回流时间超限

真空回流焊的回流时间比普通回流焊更长（一般≥ 80s，甚至≥100s），对 TAL 规格参数较短的器件，会超出其的规格范围，从而有导致器件损坏的风险。

6.3 焊点风险

（1）对 BTC 类器件，器件焊点的 Stand-off 高度有明显降低，导致焊锡向四周延展，从而产生焊点桥连的风险，因此，必要时需要对部分焊盘的网板开孔进行适当缩小。

（2）对BGA 类 器件，当 BGA 球的 pitch ≤ 0.4mm，使用真空制程，易产生焊点桥连现象，故对细间距BGA 时不建议真空制程，如需，应适当缩小网板开口来降低桥连的风险，但要满足开孔面积比要求。

（3）对于大面积接地焊盘，因空洞的大幅减少，焊锡覆盖率同样下降，需适当扩大接地焊盘开孔面积。

6.4 设备风险

（1）设备风险主要来自于三段式的传输链条系统，以及真空腔体。由于真空段链条与前后段链条之间存在间隙（约20 ～30mm，而链条的回转半径约15mm，当 PCB 经过间隙时，链条与 PCB 的接触边存在 50 ～60mm 的空白），对于PCB 尺寸<100mm 的电路板，存在卡板、 PCB 震动等几率，造成器件移位、反面元件掉落、甚至 BGA 焊球短路等缺陷，需使用治具过炉来降低风险。

（2）真空区的运动部件较多，长期处于高温工作（≥ 250℃），真空区域的设备维护与保养要求应严格执行，特别是链条系统、传感器、密封圈等，均应在良好状态下工作，否则会影响真空参数的精确控制，或者发生卡板、传输故障等问题。

6.5 操作风险

真空回流炉在生产过程中，PCB 会在真空区停留一段时间，而此时，前段预热区的链条还在持续传输，因此要严格保证电路板进炉的间隔距离，虽然设备本身会通过 SMEMA 接口控制进板轨道的信号连接，而实际生产中，操作员有时采用手工推板的方式进炉，若板与板之间的距离<设备设定的最小间隔，则会在真空区发生“撞板”、卡板事故，造成不必要的损失。如图7 所示。

图7