PCBA焊接冷却的过程分析

靖邦电子1

①PCBA焊接从峰值温度至凝固点。

此区域是液相区，过慢的冷却速度相当于增加液相线以上的时间，不仅会使IMC迅速增厚，还会响焊点微结构的形成，对焊点质量的影响很大，例如，无铅Sn-Ag-Cu料和浸Sn或 Cu /OSP镀层的PCB焊盘焊接时，较慢的冷却率会增加 Ag3sn和 Cu6Sn5的形成；Sn-Ag-Cu焊料与ENIG焊盘，会增加NiSn4的形成。较快的冷却率有利于降低IMC的形成速率。

在凝固点附近（220～200℃之间）快速冷却有利于非共晶系无铅钎料在凝固过程中减少塑性时间范围，如Sn-Ag-Cu焊料的熔点范围在20-216℃之间，塑性时间范围短，快速冷却凝固有利于形成细微的结晶颗粒，形成最致密的结构，有利于提高SMT焊点强度。缩短PCB组装板处在高温下的时间也有利于减少对热敏元器件的伤害。

有研究对各种冷却斜率做了一系列工艺实验，其中一个实验是这样的；将一种特定的组装板，分为两组、采用两种不同的冷却速率进行再流焊。这两组前两个温区的升温速率和预热时间完全相同，只是在液相区采用两种截然不同的冷却速率，第一组采用慢速冷却速率，第二组采用快速冷却速率，然后进行比较。

从表中可以看出，在液相区，快速冷却能够缩短液相时间、减小PCB表面最大与最小元件的温差(△T)，还能遏制IMC的生长速度。

关于液相区快速冷却速率能够减小PCB表面最大与最小元件△ア的理论解释如下：采用快速冷却速率，热能被驱散到炉子中，而很少留在组装板中，这就使组装板能够快速冷却，同时没有内部热能线留在板中的现象发生而对于慢速冷却速率，组装板内部残留热能会释放到环境中，快速冷却速率比较，会使组装板与看似冷却的元器件继续保持一段高温的时间。虽然在两条曲线之间的△T只有1℃左右。但是对于要求苛刻的PCBA无铅工艺窗口也还是有一定影响的。

另外，也要看到快速冷却会增加焊点的内应力，可能会造成SMT贴片焊点裂纹和元件开裂。因为焊接过程中，特别是在焊点凝固过程中，由于各种材料（不同的焊料、PCB材料、Cu、Ni、Fe-Ni合金）的热膨胀系数（CTE）或热性能的差异很大，如Sn-Ag-Cu的CTE为15.5～17.1x10的负六次方/℃，Sn-Pb的CTE为21ppm/℃，陶瓷的CTE为5ppm/℃，PCB材料FR-4水平方向的CTE为11～15*10的负六次方/℃、垂直方向的CTE为60～80ppm/℃，环氧树脂的CTE也是60～80ppm/℃。因此，在焊点凝固时由于相关材料的开裂，PCB金属化孔内镀层断裂等焊接缺陷。Sn-Ag-Cu合金从峰值温度至凝固点（245～217℃）的降温速率一般控制在-2～-6℃/s。

②从焊料合金的固相线（凝固点）下方附近至100℃。

从焊料合金的固相线（凝固点Sn-Ag-Cu合金为216℃）至100℃的时间过长，一方面也会增加IMC的厚度，另一方面对于一些存在低熔点金属元素的界面（如有焊端含Bi镀层的无铅元件），可能会由于枝状结晶的形成而发生偏析现象，容易造成焊点剥离缺陷。为了避免枝状结晶的形成应加速冷却，从216～100℃的降温速率一般控制在-2～-4℃/s。

③100℃至再流焊炉出口。

主要考虑保护操作人员，一般要求出口处温度低于60℃。不同的炉子出口温度不一样，冷却速率高和冷却区长的设备，出口温度低一些。另外，理论界研究认为，无铅焊点在老化过程中，IMC的厚度还会增长。因此，从100℃至再流焊炉出口，时间过长也会微量增长IMC的厚度。

总之，冷却速率对PCBA焊接质量的影响是很大的，由于焊点内部的微观结构及对焊点、元件、印制板内部的缺陷从外观检测无法检测到。这将影响电子产品的长期可靠性。因此。有一个受控制的冷却过程非常重要。尤其对于非晶系无铅钎料，更要严格控制冷却速度。