LED燈珠無鉛回流焊接工藝曲線設定

馮博楷+++宋秋實

摘 要：討論了3014LED燈珠基于95.5Sn3.8Ag0.7Cu無鉛焊料的回流焊工藝。重點繪制了無鉛回流焊接工藝曲線，分析了無鉛回流焊工藝升溫預熱區、焊接區（回流區）和冷卻區等各階段所受溫度的影響及其可能引起的不良后果，為LED燈珠無鉛回流焊接工藝提供參考。

關鍵詞：LED燈珠；無鉛回流焊；溫度曲線

被譽為第四代新型照明LED光源的出現，使得各種LED產品的應用越來越廣泛，如LED燈、LED顯示屏等。目前，小型化LED產品的生產大多是基于傳統的表面貼裝技術（SMT），錫膏回流焊接是SMT關鍵工藝。以錫鉛（Sn-Pb）合金作為主要焊料的錫膏，因其熔融溫度低、流動性、可焊性和潤濕性優良等優點被廣泛應用[1]。隨著人類對環境保護的關注，廣泛使用的LED產品貼裝也越來越趨向于無鉛化。研究[2]表明無鉛回流焊接較Sn-Pb合金回流焊相比具有焊料熔點高、焊接工藝窗口小、潤濕性差等缺點。LED燈珠規格眾多，目前針對其無鉛回流焊接工藝的研究報道較少，文中以長方3014LED燈珠為研究對象，討論與其適合的無鉛回流焊接工藝，以獲得較好焊接效果。

1 LED燈珠及無鉛錫膏的選用

文中選用深圳長方集團出品的長方3014LED燈珠，市面上有售。

錫膏為較成熟的無鉛焊料95.5Sn3.8Ag0.7Cu[3]錫膏，Sn-Ag-Cu系[4]合金焊料熔點在217℃附近，潤濕性良好，抗熱疲勞性能、化學性能均能滿足LED燈珠等細間距電子元件的焊接，能有效避免橋接缺陷的出現，可獲得與Sn-Pb系合金相媲美的焊點力學性能。

2 3014LED燈珠無鉛回流焊溫度曲線的確定

借鑒Sn-Pb合金回流焊的典型溫度曲線，目前工業上采用較多的無鉛回流焊溫度曲線主要有梯形溫度曲線和漸升式溫度曲線[5]。結合典型的溫度曲線，針對3014LED燈珠的特點和無鉛焊料95.5Sn3.8Ag0.7Cu的性能，設計了回流溫度曲線，如圖1所示。

圖1 無鉛合金95.5Sn3.8Ag0.7Cu常規溫度（實際焊點溫度）曲線

2.1 預熱區

預熱區又可分為3個亞區，分別為升溫區、保溫區和快速升溫區。在升溫區，采用升溫速率為1.5～2.5℃/秒，最大升溫速率不超過3℃/秒，時間不超過90秒的加熱工藝，使溫度從工作環境溫度達到130℃。在此階段，LED線路板（PCB）從周圍環境的溫度達到回流焊所需活性溫度，焊膏內的較低熔點溶劑揮發，并降低對元器件之熱沖擊。升溫速度不能太快，否則可能會引起錫膏中焊劑成分惡化，形成錫球、橋接等缺陷，同時使元器件承受過大的熱應力而翹曲。另外，若焊接攜帶大功率大尺寸的LED燈珠的PCB時，為了使整個PCB溫度均勻，減少熱應力造成的翹曲等缺陷，可參考相關的熱處理工藝和實踐經驗，在此區間進行緩慢升溫和預熱。在保溫區，采用<2℃/秒的升溫速率，使保溫區溫度介于140～160℃之間，并保溫60～90秒。在該區焊劑開始活躍，并使PCB各部分在到達回流區前潤濕均勻，焊膏中還有沒完全揮發完的溶劑進一步揮發。在快速升溫區間，這個階段也稱助焊劑浸潤區，溫度快速升至焊膏的熔點。這個階段要求升溫速率快，否則焊膏中助焊劑活性會降低，焊料合金發生高溫氧化，形成不良焊接接頭。該階段，助焊劑清洗焊接面的氧化層，并保持一定的焊接活性，便于在焊接區形成良好的金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMC）接頭[6]。

2.2 焊接區

焊接區（回流區）錫膏以高于熔點以上溫度液相形式存在。對于焊料96.5%Sn/3.0%Ag/0.7%Cu，最高溫度介于235～245℃，熔點225℃以上控制在40～60秒高過230℃的時間為10～20秒。在此溫度區間，錫膏中的金屬顆粒熔化，發生擴散、溶解、化學冶金，在液態表面張力作用下形成IMC接頭。同時，若峰值溫度過高、回流時間過長，可能會導致IMC晶粒過大生長，力學性能和電性能受到影響，焊點高溫氧化嚴重、顏色變暗，同時熱熔小的元器件可能受損等。若溫度太低、回焊時間短，可能會造成焊料與PCB不能完全潤濕，形成球狀焊點，影響導電性能，對具有較大熱容量的元器件來說，熱量不足，焊點連接不牢固形成虛焊。焊接區溫度和回流時間的工藝確定，對于特定LED燈珠和不同的PCB，還有待進一步的研究。

2.3 冷卻區

離開焊接區后，基板進入冷卻區。在此階段，降溫速率≤4℃/s，若冷卻速率太快，巨大的熱應力可能會造成焊點產生冷裂紋、LED燈珠炸裂甚至造成PCB的變形，使PCB燈條報廢。若冷卻速率太慢，焊點結晶時間長，形核率低，足夠的能量會使IMC晶粒長得過于粗大，難以形成細小晶粒的IMC接頭，使焊點強度變差，甚至LED燈珠發生移位。

3 結束語

討論了3014LED燈珠基于96.5%Sn/3.0%Ag/0.7%Cu無鉛焊料的回流焊工藝，重點繪制了無鉛回流焊接工藝曲線，分析了無鉛回流焊工藝升溫預熱區、焊接區（回流區）和冷卻區等各階段所受溫度的影響，為LED燈珠無鉛回流焊接提供針對性數據和工藝參考。但LED燈珠無鉛回流焊接工藝不夠完善，還存在缺陷，比如特定LED燈珠和不同的PCB對回流區工藝的影響、焊接氣氛的影響以及焊點IMC接頭微觀結構影響還需進一步探討。

參考文獻

[1]Goosey M. An overview of the current status of lead-free assembly and related issues[J].Circuit Wor1d，2003，29（4）：23.

[2]何柏林，于影霞，張馨.無鉛釬料的研究現狀及進展[J].熱加工工藝，2006（15）：54.

[3]Ahmed S， Islam M N， Chan Y C. Interfacial reactions of BGA Sn-3.5%Ag-0.5%Cu and Sn-3.5%Ag solders during high-temperature aging with Ni/Au metallization [J].Mater Sci Eng， 2004（113）：184-189.

[4]Janne J.Sundelin， Sami T.Nurmi. Mechanical and micro-structural properties of SnAgCu solder joints [J]. Mat Sci Eng A，2006（420）：55-62.

[5]安彤.焊錫接點金屬間化合物（IMC）微結構演化與微觀-宏觀力學行為關系研究[D].北京工業大學，2014.

作者簡介：馮博楷（1980-），男，漢族，講師，主要從事材料加工研究。