原创 热风整平(HAL)工艺技术

热风整平(HAL)也称为热风焊锡整平(HASL)，在印制电路板制造业已用了近二十年，至今仍然是一种很受欢迎且具有很高可靠性的工艺，它可以使线路板在装配前保持良好可焊性。本文介绍了热风整平工艺的步骤，对影响质量的各因素进行分析，以帮助工程师们改良工艺，提高成品率。
    热风整平有许多优点，例如它能够提供可焊性很高的涂层、使装配具有较大的工艺条件范围以及使线路板有更长的存储期；此外它还可以美化外观，喷涂和未喷涂的焊盘能很容易辨认出来，这样如果必要的话可快速修改工艺参数或进行返工；最后，它能够实现在线式大批量生产。
     热风整平的缺点是它不能进行丝线邦定、工艺温度高、操作环境不好以及会使板子处在高于Tg的温度中等等。其它一些常见的问题包括铜面上的锡层厚度不均匀，并且厚度会随焊盘尺寸/类型不同而变化(共面性)；另外，经过长时间存放后，薄的锡层可焊性变差，当线路板装配厂商指定使用薄的平面形锡层而不是用较厚的突形锡层的时候这种问题常常发生。在焊锡整平过程中，线路板从锡缸出来后紧接着经过高压热气流的吹洗，焊锡、风刀以及相互碰撞产生的气流会在板面形成一个动态环境，这种情况下想做出一致性好而且平整的锡涂层显得有些困难。
    研究表明，锡层的共面性取决于很多因素，如工艺参数、焊锡的纯度、板面形状、预洗剂理化性质、助焊剂和油类以及焊锡整平前铜线和焊盘的清洁度及形状等。

热风整平概况
    热风整平工艺包括：预清洗、预热(水平工艺)、助焊剂处理、焊锡整平和后清洗工序，有两种处理方式可供选择，即水平式和垂直式。
垂直工艺：这种工艺在一台设备中完成，图1是用该工艺进行焊锡整平的步骤，线路板上各个位置的浸锡时间都不相同，最先进入的一端最后出来。 
  水平工艺：在该工艺中板件水平地进行传送，然后经过一个锡槽，通过喷射、浸入或同时使用这两种方法在板件表面覆盖一层锡。最先进入的一端首先出来，所以该工艺中板件各个位置在锡槽中的停留时间相同 
     预清洗：在热风整平之前，铜面线路先要用微蚀剂进行彻底清洗，清洗后铜面腐蚀深度可达1um。最常用的微蚀剂包括过硫酸钠或过硫酸钾溶液，这两种都很便宜且可靠性高。使用未添加稳定剂的过硫酸溶液经常会出现腐蚀不均匀或腐蚀结果无法估计，从而导致铜面厚度不匀或者过腐蚀/腐蚀不足，最终造成热风整平时锡层厚度不均匀。因此，印制电路板制造商必须使用添加了稳定剂的微蚀剂以保证均匀的腐蚀率。无论使用什么化学溶剂，最终目的都是去除铜面的氧化物和有机残留物，加强铜面的表面特性。
    预热：和垂直工艺相比水平工艺大大减少了线路板在锡缸中的浸入时间，因此需要在涂助焊剂之前进行预热，以防止出现锡塞孔/漏斗孔、锡面发白以及由于热量散失引起的锡层厚度控制问题。
     助焊剂处理：助焊剂在热风整平中起着很重要的作用。助焊剂的粘度和表面张力很低，可用来提高焊锡与铜焊盘之间润湿性。应对助焊剂的分子结构、热稳定性、活性以及漂洗能力进行仔细甄选，选择正确的助焊剂对于取得较高表面绝缘阻抗和低离子污染非常重要，然而要正确地选择助焊剂却是一项很复杂的工作。

选用焊锡：
    焊锡的种类主要包括下面几种：
经过回收处理的焊锡：这种锡的杂质含量很高，因此建议不要使用。
原生焊锡：由于其纯度取决于产地、生产工艺以及批次之间不一致，所以也不符合要求。
回收锡和原生锡混合物：它的质量和回收锡类似，因而也不符合要求。
电解锡：这种锡质量稳定且杂质含量最低，所以它是最合适的类型。
    电解锡运用很广，它可改善铜面的润湿性。这种焊锡的有机和无机杂质含量都很低，具有良好流动性，可以帮助焊锡和铜之间的金属结合快速形成。近些年在印刷板制造中，焊锡纯度及其保持程度的重要性越来越高。
    焊锡喷涂：根据不同的设备，焊锡喷涂分别在锡槽或喷射(喷锡)过程中完成，此过程中形成的金属间化合层(IMC)Cu3Sn和Cu6Sn5将焊锡和铜结合在一起，IMC的厚度取决于焊锡温度、线路板在焊锡中停留时间以及焊锡质量等因素。
    焊锡整平：实际上焊锡整平是在风刀处进行的，通常用两个风刀向板面吹热气以去除多余的焊锡。若要使焊锡整平具有很高的质量，风刀的设计和气流温度非常重要，63/37锡铅焊料的共熔特性以及正确维护有助于使风刀形成良好的上锡分布和厚度控制。
     冷却：焊锡完全固化以后或者线路板在一个冷却设备里达到预定温度后线路板才会冷却，线路板所需冷却程度取决于板件的类型，各客户的要求也不尽相同。影响冷却时间长短的因素包括产品结构、材料的Tg值、允许弯曲程度以及SIR/离子污染度等，有些PCB材料在后清洗工序之前冷却更有利于清洗。此外产量是另一个需注意的因素，如果除了产量就不用再考虑其它特殊要求，那么冷却只要焊锡固化了就行。
    后清洗：经过热风整平后的线路板随后用水或水和清洁剂的混合液进行清洗，以确保完全去除板件上的助焊剂和油类，这样做是为了达到所需的离子污染和SIR值。通常用于后清洗的水要加热到40～55℃。
    热风整平工艺中的要点包括：
利用添加稳定剂的微蚀剂控制微蚀过程；
利用助焊剂和油类以改善锡层的覆盖、分布和离子污染；
具有良好流动性的高纯度焊锡；
具备45°工艺加工能力的整平设备。
热风整平用户组织
  
热风整平工艺最近取得了很多进展，如：
无铅工艺；
定义更加明确的新规范；
球栅阵列(BGA)、微过孔和混合技术PCB工艺；
热风整平设备采用计算机控制，具有45°处理能力，可使锡层厚度更加均匀一致；
工艺参数由计算机控制，包括焊锡和空气温度、风刀压力和形状及传送带速度等；
可将工艺参数存入磁盘，以供今后做同样产品时使用；
通过工厂的调制解调器对机器进行监控；
能将每种产品的工艺参数联系起来以进行统计过程控制(SPC)，并且保存数据以备后用。

    1997 年10月，一些PCB制造商、电子制造服务提供商(EMS)以及设备和化学试剂供应商等联合组成了一个“热风整平用户组织”(HUG)。它是针对热风整平主要问题的一个论坛，由成员们决定议事日程和活动项目，该组织提供一个公开的讨论场合以解决技术、工艺发展以及其它可能存在的问题。

    HUG的目标是：
了解组装厂的需求并向他们提供技术支持，从而实现热风整平板焊接和组装零缺陷；
将工艺要求和工艺研究标准化以满足组装的需要；
设计一个参考模板，使操作员能够通过它设立一些参数并符合OEM或业界认可的规范；
出版各项成果；
留意并参与无铅焊接与热风整平项目。
    为实现这些目标，HUG成员计划与制造商、组装厂、OEM以及供应商讨论热风整平及其相关的问题，开发和生产测试工具，通过在多种热风整平设备上进行测试以了解线路板形状、设备、工艺参数、化学特性以及焊锡等各因素之间的关系。

实例分析
    HUG最近进行了一个关于实现最佳厚度的测试，整个项目包括测试板设计、在成员工厂进行测试以及分析和公布测试结果。
     测试样板是一个457×610mm双面四层板，厚度分别为1.57、3.175和6.35mm，样板上含有四方扁平封装器件(QFP)焊盘，脚间距分别为 0.4、0.5、0.635和1.27mm，BGA和μBGA焊盘，另外还有尺寸为1.78×1.78mm、2.54×2.54mm、2.54× 5.0mm、3.8×5.0mm及10.16×15.24mm的方形焊盘，以及直径为0.76、1.0、1.5和1.78mm的圆形焊盘。在该测试中既使用了垂直式设备和又使用了水平式设备。
    第一阶段测试得出的部分统计数据表明，锡涂层的一致性和厚度取决于设备和焊盘的尺寸及类型。根据这些数据，决定集中研究这一阶段的某些参数以便能对所采集到的数据有更充分的认识，这里主要分析0.4、0.5和0.635mm间距的QFP焊盘，以及从1.78×1.78mm和2.54×2.54mm分立元件焊盘上得到的数据。
    测试表明，只要控制好设备的参数，某种尺寸焊盘的锡层厚度可以很容易地保持在一个规定范围内，例如每个0.5mm间距的QFP焊盘其锡层厚度都在2.54um至10um范围内，0.4mm间距QFP上的厚度则保持在5um到7.5um。根据这些结果，可得出初步结论，即锡层厚度和一致性由设备、进行整平的角度以及线路板形状决定，以45°角通过热风整平设备的线路板其整个板面的一致性要远远优于其他角度。
    焊盘形状、焊盘尺寸及类型同样也是影响整个板面焊锡涂层一致性的重要因素。虽然某些尺寸焊盘上的焊锡涂层可以达到很好一致性，但对板面上其它尺寸和类型的焊盘来说，要维持类似严格的标准却很困难。形状越复杂，要在整个板面达到一致性就越难。因此下一步研究工作重点，是要了解并找出不同尺寸和类型的焊盘之间锡层厚度变化规律，使得在大焊盘上达到规定厚度时小焊盘上的厚度不会超出标准。