快板产品(贴片和通孔)的焊接方法

快板产品(贴片和通孔)的焊接方法

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作者:布拉德利·史密斯和约翰·索伯
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems, LLC

范围

本文档描述了已被证明对Allegro™产品有效的典型焊接方法。它提供了关于SMD(表面贴装器件)和通孔封装的信息。研究了无铅技术和传统的含铅技术。

可用的标准

Allegro建议熟悉IPC/JEDEC联合行业标准J-STD-020，非密封固态表面贴装器件的湿度/回流流灵敏度分类．它提供了设备的MSL(湿度敏感等级)分类信息，以及设备处理的相应协议。此外，关于确定最佳焊接工艺参数的重要信息可以在J-STD-002中找到，元件引线、端子、接线片、端子和导线的可焊性试验．

基于铅和不含铅技术的可接受焊点的特征可能略有不同。IPC有许多出版物和课程材料提供关于联合评估的信息。主要来源是IPC J-STD-001，焊接电气和电子组件的要求，这是一个涵盖焊接材料和工艺的行业共识标准，修订D和后续版本包括无铅焊接。ipc - a - 610,电子组件的可接受性，提供了详细的工艺标准，修订D和后来包括覆盖无铅工艺。ipc - 2221,印制板设计通用标准提供用于标记节点尺寸的符号。JEDEC标准JESD22-B102，可焊性，提供验收标准。IEC(国际电工委员会)和JEITA(日本电子和信息技术产业协会)提供了平行的标准和信息机构，这是国际和欧洲标准的一个特别好的来源。

工艺温度和MSLS

一个重要的工艺问题是在暴露于升高的焊接温度之前，设备对大气水分的吸收。虽然在所有类型的焊接工艺中都很重要，但在无铅焊接工艺中，这种预处理处理和工艺温度的相互作用变得更加关键，与传统的基于铅的焊接工艺相比，无铅焊接工艺的最大回流温度通常更高。

包括Allegro在内的整个行业常用的设备包都是非密封的。外壳由塑料环氧成型化合物组成，可吸收水分和其他污染物。即使很短的时间内暴露在大气湿度中，也会使足够的水分被吸收，在加热过程中蒸发时产生严重的影响。如图1所示，蒸汽压随着温度的升高而迅速增加，导致不同工艺类型之间在相对较小的工艺温度增量下，压力的增加不成比例。从大约220°C (493 K)的铅基过程峰值，到240°C (513 K)附近的无铅的较低范围，温度增加了约4%，但蒸汽压增加了45%。从铅基过渡到260°C (533 K)的最大极限只增加了约8%的温度，但蒸汽压增加了约103%。

为了避免因汽化效应而分层，请注意避免超过设备的最大地板寿命。在这种情况下，地板寿命与设备吸收大气水分的速率有关，由MSL等级表示，其中MSL 1是最抗分层的。J-STD-020，修订版C及后续版本中提供了评定吸湿性以及吸湿性降低的规程。设备包装标签上的标签包含MSL等级信息。MSL等级与最高工艺温度有关。如果在最高温度水平附近加工，可能需要根据较低MSL水平的实践来处理设备。

终端完成

要被认为是完全无铅的，不仅产品必须使用无铅焊料和锡膏组装，而且设备在结构上也必须是无铅的。可焊性的一个重要的器件结构方面是端子的光洁度。

完成外观

基于铅的饰面和匹配的焊料可以是明亮和反光的，允许通过光学检测设备自动验证接头质量。与含铅表面相比，无铅表面和由此产生的焊点天生就不那么明亮和反光。这不会影响焊点的完整性，并且在IPC J-STD-001中被认可为材料和工艺的特性:

“有焊料合金成分，组件铅和终端饰面……以及特殊的焊接工艺……可能会产生钝、哑光、灰色或颗粒状的正常焊点……这些焊点是可以接受的。”

“使用锡铅合金工艺和使用无铅合金工艺创建的焊料连接之间的主要区别与焊料的视觉外观有关。无铅和锡铅连接可能表现出相似的外观，但无铅合金更有可能具有表面粗糙度(颗粒状或暗淡)或不同的润湿接触角。(Rev. D，§4.14)。

在制造、测试、烘烤和焊接过程中使用更高的温度会加剧这一特性。Allegro设备经受了更多的测试
这在业内很常见。这确保了设备的高可靠性，但可能会导致终端镀层出现暗淡或失去光泽。另一个钝化的来源是在焊接到组件之前长期存储设备时暴露在大气条件下。这些外观因素对焊点的完整性并不重要。

自动光学检测设备可能需要调整以抵消无铅材料返回的低照度。这可以帮助防止设备的排斥，实际上有适当的光洁度和关节已经正确形成。除非光学检测设备调整到具有较暗表面的器件端子和接头，可用的器件和组件可能会不必要地被拒绝或返工。

完成覆盖
镀在引线框架的基本金属芯上的表面，通过提供一个容易被焊料浸湿的表面，保护铜芯并在焊点的有效性中发挥重要作用。

有三个主要的工艺因素会影响外露引线和触点上的电镀如何覆盖并为焊料提供润湿表面:成型闪边、机械磨损和由于放电引起的氧化。

造型闪光。虽然可以在铸造成型设备外壳的成型化合物之前或之后对端子进行电镀，但在大多数情况下，电镀是在铸造之后进行的。对于小型无铅包件(QFNs和SONs)，总是在模铸后进行表面处理。

在铸造过程中，引线架和模具组件从上到下由模具半部分包围。如图2所示，模具两半由引线框分开。

当成型化合物被强行注入模腔时，多余的化合物通过端子之间的间隙挤出，少量的化合物在模半和端子的上下表面之间渗透。当化合物冷却并弹出器件时，端子之间的大部分多余的部分被移除，同时移除的还有dambar部分。残留的过量成型化合物，称为裤腿闪光，可以保留在端子的两侧，在外壳和丹巴尔部分之间。此外，少量的闪光可能会残留在端子的顶部和底部表面，靠近外壳。

机械修整所有的残余闪光可能导致磨损的外壳，端子光洁度和端子基材。外壳成型后进行端子电镀，有闪光的地方不电镀。未清除的残留闪光远离终端的关键焊接区域，不会影响焊点强度。

搬运过程中的磨损。端面光洁度可能因电镀后处理的磨损而降低。经验表明，无铅器件经常经历额外的测试和评估周期，这发生在较高的工艺温度下。这种额外的加工暴露这些设备的终端光洁度去除机械磨损。例如，当器件停留在终端上时，通过轨道的移动会侵蚀终端接触区域底部的光洁度。这可能会影响焊接时端子的润湿。

磨损增加的副作用是先前加工过的设备磨损的碎片和颗粒粘附的风险增加。这种污染可能会影响
可焊性和要求使用更强的焊剂。为了帮助防止这种污染，必须对饲料碗、轨道、输出箱和用于处理设备的载体进行常规和彻底的清洁。

基板．在这一工艺阶段，单个的器件包从包含它们的各个制造阶段的更大的引线框架网中分离出来。额外的引线成型和修整可以在生产后进行，或者在设备组装成最终产品的现场进行。

如图2所示，终端的末端被修剪，dambar部分被移除，核心铜暴露在外。这些暴露区域远离焊接关键区域。图3显示了QFNs和SONs的singulation结果。在这些包装中，成型化合物是一个连续的块，各个设备被锯出块。因此，端子两端裸露的铜与壳体壁出现在同一平面上(在某些设计中，端子没有延伸到锯平面那么远，并且端子上没有裸露的铜区域)。

在核心铜暴露的地方，最终形成一层氧化铜薄膜。这可以防止焊料浸湿，除非焊剂非常活跃。不保证在裸露的铜基材上焊接，IPC J-STD-001或A610等标准也不要求焊接接头的完整性。实际上，对于qfn和son，光学检测方法不能用于生产，因为在设备触点和焊锡板之间的焊接关键区域完全位于封装下面，因此没有形成典型的圆角。必须改用电气或x射线测试和检查方法。

快板无铅球完成

Allegro在其无铅设备上使用的标准表面处理是100%哑光镀锡。这种整理方法已经在市场上得到了认可。当设备端子和焊料地正确对齐时，它提供了一个坚固的焊点，并遵循常见的焊料回流剖面。它具有可行的磨损特性，并且不使用昂贵的贵金属作为成分。

哑光锡的另一个优点是100%向后兼容任何成分的传统锡铅(SnPb)焊料。它可以在传统上用于SnPb焊锡合金的任何温度下焊接。因此，100%哑光镀锡引线框架的Allegro器件可用于现有的SnPb工艺，包括峰值低于232°C(锡的熔点)的工艺。这是因为哑光锡很容易溶解成SnPb化合物。

焊料和助焊剂

必须使用适当的焊料和助焊剂组合将器件连接到pcb上。最佳组合要考虑器件的引线框架光洁度，以及PCB状况、工艺化学和放置设备特性。

通量的替代品

Allegro强烈建议使用焊剂、焊料和终端饰面的几种组合进行实验。焊剂和锡膏必须按照制造商的说明妥善储存和处理。使用不同助熔剂和条件的一系列装配工艺组合应经过鉴定，然后可用于适应设备表面处理和回流温度要求的差异。

例如，高可靠性设备，如Allegro产品，使用比常用的助焊剂活性更高的助焊剂形成良好的焊点
设备可靠性差。这是因为Allegro设备经历了多个额外的测试周期，包括热、冷、室温、高湿度、电气测试等。这通常只会轻微地降低终端的光面，但在使用低活性或中等活性的焊剂焊接时足以明显。

试验替代焊剂的一个重要原因是，使用活性更高的焊料可以避免调整其他工艺因素，这些因素可能更昂贵或更敏感。提高工艺温度可以提高可焊性，但过高的温度会导致材料复杂化。此外，在无铅工艺中，提高温度的净空是有限的，因为基准温度已经升高。

另一个可以提高可焊性的工艺调整是增加焊锡室气氛中氮的比例。更新的加工设备用于支持工艺室的可控气氛。Allegro建议在回流焊操作中使用富氮、可控气氛，特别是对于无铅操作。

关于可焊性，有三种基本类型的焊剂:

• 水清洗助焊剂(活性最高)
• 可供选择
• solvent-clean

Allegro强烈推荐无卤素aqueous-clean因为它们的高激活水平。这些还具有使用表面活性剂进行清洗的优点，比传统的溶剂清洗化合物对环境更友好。可供选择助熔剂具有更大的环境优势，但不像水清洗助熔剂那样高度活化。然而，如果安装的封装和PCB表面之间的间隙太窄，清洁剂无法流动，则可能需要免清洗助焊剂。此外，如果没有100%无卤化物合格的水助熔剂，则必须使用免清洗助熔剂(确保免清洗助熔剂本身含有0%卤化物)。这两种助熔剂类型留下的残留物更少或残留物比蔷薇芯或必须用溶剂去除的助熔剂更良性。

Allegro封装与所有化学工艺兼容，包括所有无卤化物的水或溶剂型助焊剂清洗工艺，但1,1,1-三氯乙烷和三氯乙烯除外，这两种工艺已被证明会产生氯化物，腐蚀设备。这些特殊溶剂也已被证明有助于大气臭氧消耗，应避免使用。

可选焊料类型

在从含铅工艺过渡到无铅工艺期间，一个实际的考虑是无铅表面处理与现有含铅工艺的向后兼容性。如本应用笔记前面所述，突出的无铅表面处理，100%哑光锡，与现有的SnPb工艺向后兼容。它也与最有前途的无铅钎料合金兼容。表1提供了一种无铅钎料合金的基本比较。

随着无铅加工的要求越来越严格，材料特性和工艺化学完整性变得越来越重要。一般来说，无铅合金比铅基合金具有更高的表面张力和更慢的湿润速度，此外还需要更广泛的预热。这反过来又对熔剂提出了新的要求，要求其在更长时间内保持活性，并在高温下保持其性质。在无铅工艺中通常需要具有较强活化水平的助熔剂。

腐蚀性污染物

在组装过程中，较高的加工温度会加速浸出，但更重要的是长期影响。随着时间的推移，水会浸出各种污染物，甚至在压模应用中也是如此。亚博尊贵会员这可能导致最终产品被送到现场后形成腐蚀性化合物。

造成腐蚀的主要因素是卤化物化合物。在装配过程中应严格避免含有卤化物的材料。这不仅适用于通量，
但也适用于焊料和锡膏，以及过模化合物。特别值得关注的是尼龙复模化合物，它可能非常容易吸湿。

防止这种腐蚀的最好方法是消除制造过程中使用的所有材料中的卤化物。例如，高级尼龙通常只有最低的卤化物含量。此外，还应定期审查所有工艺阶段，以确保没有引入污染源。污染源不仅包括在制造过程中消耗的材料，还包括可以传递到生产工人身上的物质。应始终使用口罩、手套和合适的长袍。

表1。典型锡膏和波浪焊料的比较
普通的名字	典型的作文	评论
BiSn	Bi 58% / Sn 42%	熔点138°C;不推荐—受温度循环影响，接头强度相对较弱;兼容100%哑光锡饰面;不兼容现有的SnPb饰面
SnPb(共晶)	Sn 60% / Pb 40%	熔点183°C;一般用于电子应用;亚博尊贵会员兼容100%哑光锡饰面;闪亮的外表
SAC305	锡96.5% /银3.0% /铜0.5%	熔点219°C;兼容现有的SnPb表面处理和100%哑光锡表面处理;沉闷的外观
障碍	锡96.5% /银3.5%	熔点221°C;兼容100%哑光锡饰面;不兼容现有的SnPb饰面
SnCu	锡99.3% /铜0.5%	熔点227°C;兼容现有的SnPb表面处理和100%哑光锡表面处理;沉闷的外观
SN100	Sn >98% / Cu <1.0% / Ni <1.0%	熔点232°C;兼容现有的SnPb表面处理和100%哑光锡表面处理;闪亮的外表
SnPb(高温)	Sn 5% / Pb 95%	熔点≈300°C，常用于倒装芯片及类似应用;亚博尊贵会员兼容100%哑光锡表面和现有的SnPb表面

装配注意事项

PCB、端子和焊点机械特性的相互作用也必须得到重新关注。在Allegro应用说明中提供了焊接和其他组装方法的详细讨论AN27703.1，使用霍尔效应器件的组件设计指南．应使用导致最佳焊接的最低回流峰温度(通常在240°C至260°C范围内)。

焊料润湿

根据IPC-JSTD-001，良好的接头对所有焊接表面都有粘附和润湿的外观，从焊料表面到焊接端子或地面的混合物应该是光滑的，通常角度小于90度(尽管有例外情况)。(Rev. D，§4.14)。IPC-JSTD-001不要求所有具有表面光洁度的端子区域都用焊料覆盖(修订版D，§4.14.2)。

在终端未出现表面处理的区域，可能不会发生润湿，也不能保证焊料粘附。一个主要的例子是终端的末端，或丹巴尔突起或侵入，在隔离或设备安装期间的修剪使终端的核心材料暴露在外。另一个值得关注的位置是终端的阀座表面，在搬运过程中，表面处理可能会被移动磨损。

角形状

为了促进形成良好的焊锡角，高可靠性(IPC等级3)组装要求端子和陆地区域的横向重叠不小于端子宽度的75%，如图4所示。不管有多少悬垂，未能在端子的悬垂一侧形成焊锡侧角是PCB对齐问题，而不是表面化学的结果。Allegro强烈建议终端宽度和脚与PCB地面垫100%重叠。在端子和接地端不完全重叠的地方，不能保证形成完全圆角焊点。

一个可接受的焊点通常是在端子的两侧各有一个成形良好的焊锡角，在脚跟上，在端子脚下有一层焊锡层，如图5所示。在标准JESD22中关键领域对于鸥翼焊点，包括端子的侧面和端子的底面，在那里它与地面垫相遇(§5.3.3.2，接受/拒绝标准）.

有关SMD焊点评估的详细信息，请参见IPC- a -610§8(也称为IPC- a -610§8)表面贴装焊点评估参考手册提供目标条件和圆角形状验收标准的示例)。对于平带型、L型和鸥翼型端子，如前几页的插图所示，当焊料与端子和PCB底座之间有明显的湿润圆角时，焊料厚度被认为是足够的(§8.2.5.7)。边圆角的最小长度指定为终端宽度的3倍或当终端英尺长度至少是终端宽度的3倍(§8.2.5)时，终端英尺长度在PCB地面上的75%之间的较大值。

关于焊头圆角，IPC规定在端子的装饰区域暴露基材(IPC J-STD-001, Rev. D，§4.14.1)。因此，在鞋头底部的鱼片是预期的，但在暴露铜的地方，覆盖整个鞋头的鱼片可能更难实现。

考虑到焊点临界区域(JEDEC图2)，JESD22不包括鸥翼端子的顶部表面。顶部表面也不包括在IPC- 2221a焊点描述符号(IPC图8-16)或IPC J-STD-001可接受标准中。建议注意避免焊角高度过高，避免与设备外壳接触。当使用外露端子设计时，如鸥翼，可能需要优化的工艺条件，以使焊料在端子上表面的90度边缘上形成灯芯，并粘附在端子上。一般来说，为了确保鸥翼铅顶表面的焊料覆盖，需要使用更多的活性助焊剂。因此，端子的上表面不能保证焊接。应评估焊料的流动特性，以确保对后跟、趾部和侧终端接头进行适当的填充。

手工焊接

手动焊接通孔设备是可以接受的，只要注意防止封装体暴露在过高的温度下。一般来说，应避免手工焊接smd，因为很难控制焊接过程中的预热和冷却阶段。

不应使用热空气枪。它们的影响很难控制，因为它们会产生大量的加热空气，快速损坏塑料组件并覆盖PCB，使相邻组件的连接处松动。

如果需要手动组装(如原型组装或电路板返工)，首选电烙铁，特别是可以自我调节的烙铁，可以将其设置为保持350°C以下的最高温度。Metcal SmartHeat™就是一个例子。在不延长焊接时间的情况下，应将铁温设置得尽可能低。只允许训练有素，有经验的技术人员进行焊接。

焊接

对于端子长度较长的Allegro器件，铜芯端子的焊接应采用与良好焊点一致的最低温度(电源设置)的方法进行，以最大限度地减少端子表面的飞溅。Allegro降低了平均终端厚度，以更好地兼容焊接工艺。

快板表面的平均厚度约为450 μin。，范围为300 ~ 800 μin。，在阀座平面上端子的活动面积上测量。这种厚度被认为是加工的最佳厚度，因为较厚的表面约为600 μin。或更多，具有更大的飞溅倾向，特别是在焊接中发现的高温下。

最佳工艺温度应通过实验确定，以确保成品可以熔化以进行适当的粘合，而不会沸腾和飞溅。在过高的温度下焊接会导致在将端子的核心材料直接连接到接触垫的铜上时，从端子上的光洁度被煮沸。必须努力保护周围地区不受熔浆飞溅的影响。当焊料或表面过热时，可能发生飞溅，在相邻表面形成焊料球，并可能桥接接触或痕迹。

回流

精心设计的焊料回流焊型材是处理传统SnPb焊料和无pb焊料SMD封装类型的最佳方法。无铅焊料工艺使用的最高温度往往高于传统的SnPb工艺温度。

图8显示了使用传统SnPb焊料的SMD封装的典型高温焊料-回流剖面。图9提供了使用无铅焊料的SMD封装的典型最大焊料回流剖面。两个数字的比较揭示了无铅加工可能需要更高的最高工艺温度的程度。

通孔器件的回流焊是可以接受的，只要器件的塑料本体没有暴露在过高的温度下。上述情况的例外是SA和SB封装类型，它们具有热塑性外壳，如果暴露在如此高温下会变形。如果需要对这些包装进行回流工艺，必须建造一个特殊的保护托盘来保护SA和SB包装，使外壳的温度不超过170°C。

波峰焊接

Allegro不建议对SMD封装进行波峰焊。唯一的例外是LH (SOT23W)封装，它可以使用图10中的配置文件进行波焊。

Allegro通孔器件设计用于波峰焊工艺。典型的波浪焊剖面如图10所示。

在进行波峰焊时，应保持设备本体与电路板之间有足够的间距，且只应使用无卤素助焊剂。对于ACS75x电流传感器，封装CA或CB，可以使用2至5°C/s的预热斜坡速率。

返工

通常情况下，当设备安装在PCB上后被拆除时，设备会发生机械损坏。在移除设备之前，应完成一个完全合格的回流焊轮廓，并遵守预焙和其他MSL预防措施，在焊料完全回流焊之前或之后不应尝试移除设备，并且可以以最小的机械工作量移除设备。

使用无铅制程返工可能需要对程序进行调整。例如，使用标准铜编织带芯残留回流焊料可能需要
在胶带上滴几滴无卤素助焊剂以使其流动。预埋助焊剂的磁带也可用。

即使按照适当的程序移除设备，重新安装设备通常也是不现实的，而且Allegro不建议重复使用设备。在安装和拆卸过程中，端子的加热和暴露会氧化端子饰面，降低湿化能力。当尝试重新安装并失败时，会发生额外的氧化，需要在明显高于原始回流焊剖面的温度下重新安装，在可能损坏设备或周围PCB组件的温度下进行。

当对设备挂载进行返工时，建议采用以下操作步骤:

1. 按照上面描述的MSL注意事项，小心拆卸上一个设备。
2. 彻底清理返工现场的所有焊料和助焊剂残留物。
3. 用模板将新的锡膏涂在工地上。
4. 使用合格的型材对现场进行预焙和再流。
5. 挂载新设备。
6. 完成合格的回流剖面冷却循环。

共同保护

清除助焊剂残留后，应在组装好的PCB上涂上保形涂层，保护焊点不受水分和潜在腐蚀性污染物的影响。Allegro强烈推荐这一步骤，这已被证明是非常有效的，无论是在高加速度压力测试(高加速度压力测试)和在恶劣环境中的现场应用。亚博尊贵会员

优选的涂层材料是聚氨酯。或者，也可以使用硅胶。该涂层应最少涂在焊点、端子和设备外壳上。为了提高覆盖的可靠性，在可行的情况下，涂层应应用于整个PCB组件。

电路设计

应用程序的热导率会影响单个终端的焊接结果。如果信号接地端子连接到大的接地平面，或连接到显著的暴露铜迹线区域，或通过短迹线连接到附近的其他组件，这一点尤其明显。这些物体都可以作为散热器，对于这样的终端，应该考虑额外的热浸泡时间或更高的回流温度。

倾斜试验

测试可焊性的一种常用方法是浸渍法。然而，为了使这种方法产生准确的结果，被测器件的端子必须预热一段时间，以适应其热特性。如J-STD-002标准所述，具有超长引线的器件，例如Allgero K封装等通孔器件，通常需要5秒的最佳热浸。

结论

通过严格遵守标准的组装程序和基于msl的处理协议，Allegro设备提供可靠的性能。有关设备处理和组装的更多信息，请联系Allegro销售或服务办公室。