Allegro产品的焊接方法(SMD和通孔)

Allegro产品的焊接方法(SMD和通孔)

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布拉德利·史密斯和约翰·索伯著
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范围

本文档描述了Allegro™产品中已被证明有效的典型焊接方法。它提供了SMD(表面贴装设备)和通孔封装的信息。对无铅和传统的以铅为基础的技术进行了研究。

可用的标准

Allegro建议大家熟悉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/回流灵敏度分类．它提供了设备的MSL(湿度敏感级别)分类信息，以及设备处理的相应协议。此外，确定最佳焊接工艺参数的重要信息可以在J-STD-002中找到，组件引线、端子、凸耳、端子和电线的可焊性试验．

可接受焊点的表征在铅基和无铅技术之间可能有所不同。IPC有一些出版物和课程材料，提供关于联合评价的资料。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，修订版D和之后的版本包括了无铅焊接。ipc - a - 610,电子组件的可接受性，提供了详细的工艺标准，修订版D和之后包括无铅工艺的覆盖。ipc - 2221,印制板设计通用标准提供用于表示关节尺寸的符号。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工业协会)都有类似的标准和信息机构，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。尽管在所有类型的焊接过程中都很重要，但在无铅焊接过程中，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过程相比，无铅焊接过程的最高回流温度通常更高。

整个行业普遍使用的设备包，包括Allegro，是非密封的。外壳由塑料环氧树脂成型化合物组成，可吸收水分和其他污染物。即使在很短的时间内暴露在大气中的水分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升高，导致不同工艺类型之间的工艺温度增量相对较小的情况下，压力的增加不成比例。从220°C (493 K)的基于铅的过程峰值，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%。从基于铅的过渡到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，要注意避免超过设备的最大使用寿命。在这种情况下，地板寿命与设备吸收大气水分的速率有关，用MSL等级表示，MSL 1是最抗分层的。在J-STD-020, C修订版和以后版本中提供了水分吸收和吸收减弱的评级协议。设备包装标签上的标签中有MSL等级信息。MSL等级与工艺温度峰值相关。如果处理接近最高温度水平，则可能需要根据较低MSL水平的实践处理设备。

终端完成

要被认为是完全无铅的，不仅必须用无铅焊料和锡膏组装产品，而且设备必须在结构上无铅。可焊性的一个重要设备构造方面是终端的光洁度。

完成外观

基于铅的饰面和匹配焊料可以明亮和反射，允许通过光学检测设备自动验证接头质量。与含铅的饰面相比，无铅饰面和由此产生的焊点往往不那么明亮和反光。这不会影响焊点的完整性，并在IPC J-STD-001中被确认为材料和工艺的一个特性:

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

“使用锡铅合金的工艺与使用无铅合金的工艺创建的焊锡连接之间的主要区别与焊锡的视觉外观有关。所有其他焊锡角标准都是相同的……无铅和锡铅连接可能表现出相似的外观，但无铅合金更可能有表面粗糙度(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加剧了这一特性。Allegro设备需要接受更多的测试
这在业内是很常见的。这保证了设备的高可靠性，但可能会导致端子电镀出现暗淡或着色。另一个钝化的来源是在焊接到组件之前，在设备的长期储存过程中暴露在大气条件下。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必须进行调整，以抵消无铅材料返回的较低照度。这可以帮助防止排斥的设备，实际上有适当的光洁度和连接处已经形成适当。除非光学检测设备调整到具有较暗光面的器件端子和连接处，否则可用的器件和组件可能会不必要地报废或返工。

完成覆盖
镀在引线框架的贱金属芯上的饰面保护了铜芯，并通过提供容易被焊锡润湿的表面，对焊点的有效性起着至关重要的作用。

三个主要的工艺因素影响着裸露的引线和触点上的电镀如何覆盖并为焊锡提供润湿面:模压闪光、机械磨损和由于singulation而产生的氧化。

造型闪光。尽管在铸造形成设备外壳的成型化合物之前或之后可以对端子进行电镀，但在大多数情况下，电镀是在铸造之后进行的。在小型无铅包装(qfn和SONs)的情况下，抛光总是在模具铸造后进行。

在铸造过程中，引线框架和模具组件从上面和下面被模具半部分包围。模具的两半被引线框隔开，如图2所示。

当用力将成型化合物注入型腔时，过量的化合物会从端子之间的缝隙中挤出，少量的化合物会渗透到模半和端子上下表面之间。当化合物冷却，设备被弹出时，端子之间的大部分多余部分和dambar部分一起被清除。过量的模塑化合物的残余量，称为裤腿闪光，可以沿终端的两侧，在案件和dambar部分的位置之间。此外，少量的闪光可能残留在端子的顶部和底部表面，靠近外壳。

机械修整所有残留的闪光可能导致磨损的外壳，终端光洁度，和终端基材。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端子的关键焊接区域，不影响焊点强度。

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。这种额外的加工暴露这些设备的终端光洁度被机械磨损去除。例如，移动的设备通过轨道，而休息在终端上侵蚀终端接触区域的底面光洁度。这可能会影响焊接过程中端子的润湿。

磨损增加的一个副作用是以前加工过的设备磨损的碎片和微粒的粘附风险增加。这种污染可能会影响
可焊性，要求使用较强的助焊剂。为了帮助防止这种污染，必须对用于处理设备的饲料碗、轨道、输出箱和载体进行常规和彻底的清洗。

基板．在这个工艺阶段，单个的设备包从包含它们的各个制造阶段的较大引线框架网中分离出来。额外的引线成型和修整可在生产后进行，或在设备组装成最终产品的现场进行。

如图2所示，其中端子在其末端被修剪，dambar部分已被删除，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qfn和SONs的singulation结果。在这些封装中，成型化合物是一个连续的块，单个的设备从块中锯出。因此，端子两端裸露的铜出现在与外壳壁相同的平面上(在一些设计中，端子没有延伸到锯平面那么远，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。这可以防止焊料润湿，除非焊剂非常活跃的情况。不保证在裸露的铜基材上焊接，IPC J-STD-001或A610等标准不要求焊接接头的完整性。对于qfn和SONs，事实上，光学检测方法不能用于生产，因为没有形成典型的圆角，因为设备接触和焊锡盘之间的关键焊接区域完全位于封装下方。必须使用电气或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。这种成品在市场上已得到认可。当设备端子和焊点正确对齐，并遵循常见的焊点回流配置时，它提供了一个坚固的焊点。它具有可行的磨损特性，不使用昂贵的贵金属作为成分。

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

焊料和助焊剂

在将器件连接到pcb上时，必须使用适当的焊料和助焊剂组合。最佳的组合要考虑到设备的引线框光洁度，以及PCB条件，工艺化学和放置设备的特性。

通量的替代品

Allegro强烈建议使用几种熔剂、焊料和终端饰面组合进行试验。熔剂和焊锡膏必须按照制造商的说明正确储存和处理。使用不同的熔剂和条件的一系列装配工艺组合应该是合格的，然后可以适应设备表面处理和回流温度要求的变化。

例如，高可靠性的设备，如Allegro产品，与助焊剂形成良好的焊点，助焊剂比常用的助焊剂活性更高
设备可靠性差。这是因为Allegro设备经历多个额外的测试周期，包括热、冷、室温、高湿度、电气测试等。这通常只会轻微降低终端光洁度，但在使用低激活或中等激活的焊剂进行焊接时足以明显。

试验替代焊剂的一个重要原因是，使用活性更高的焊剂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，但过高的温度会对材料产生复杂影响。此外，在无铅工艺中，提高温度的空间是有限的，因为基线温度已经升高了。

另一种可以提高可焊性的工艺调整是增加焊料室气氛中氮的比例。配备了较新的加工设备，以支持加工室中的受控气氛。Allegro建议在回流焊操作中使用富氮控制气氛，特别是无铅操作。

关于焊剂的可焊性，有三种基本类型的焊剂:

• 水清洁助焊剂(活性最高的)
• 可供选择
• solvent-clean

Allegro强烈推荐无卤素aqueous-clean因为它们的活化水平高。这些还具有使用表面活性剂进行清洁的优点，比传统的溶剂清洁化合物更环保。可供选择助熔剂在环境方面有更大的优势，但活性不如水清洁助熔剂高。然而，如果安装的封装和PCB表面之间的间隙太窄，清洗剂无法流动，则可能需要免清洗助焊剂。此外，如果没有100%无卤化物的合格水助焊剂，则必须使用无清洁助焊剂(确保无清洁助焊剂本身含有0%卤化物)。这两种助焊剂都比罗森木芯或必须用溶剂清除的助焊剂留下更少或更良性的残留物。

Allegro封装与所有工艺化学工艺兼容，包括除1,1,1-三氯乙烷和三氯乙烯外的所有无卤水或溶剂型助熔剂清洗工艺，这两种工艺已被证明会产生氯化物，可腐蚀设备。这些特殊的溶剂也被证明有助于大气臭氧消耗，应该避免使用。

可选焊料类型

在从含铅工艺向无铅工艺过渡期间，一个实际的考虑是无铅涂装与现有含铅工艺的向后兼容。如本应用说明前面所述，突出的无铅光面，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焊锡合金兼容。表1提供了一种选择的无铅焊锡合金的基本比较。

随着无铅加工的要求越来越严格，材料的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化速度，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，使其在更长时间内保持活性，并在高温下保持其特性。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，甚至在过模应用中。雷竞技最新网址这可能导致最终产物被送往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。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，
也可用于焊料和焊锡膏，以及过模化合物。特别值得关注的是尼龙过模化合物，它非常容易吸湿。

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，高级尼龙的卤化物含量通常是最低的。这种努力应辅以对所有工艺阶段的定期审查，以确保没有引入任何污染源。来源不仅包括在制造过程中消耗的材料，还包括可能传播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。典型锡膏与波型焊料的比较
普通的名字	典型的作文	评论
BiSn	Bi 58% / Sn 42%	熔点138°C;不推荐—受温度循环影响时，关节强度相对较弱;兼容100%哑光锡饰面;与现有SnPb饰面不兼容
SnPb(共晶)	Sn 60% / Pb 40%	熔点183°C;通常用于电子应用;雷竞技最新网址兼容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;与现有的SnPb饰面和100%哑光锡饰面兼容;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;与现有SnPb饰面不兼容
SnCu	锡99.3% /铜0.5%	熔点227°C;与现有的SnPb饰面和100%哑光锡饰面兼容;沉闷的外观
SN100	Sn >98% / Cu <1.0% / Ni <1.0%	熔点232°C;与现有的SnPb饰面和100%哑光锡饰面兼容;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;雷竞技最新网址与100%哑光锡饰面和现有的SnPb饰面兼容

装配注意事项

PCB、终端和焊点的机械特性的相互作用也必须得到新的重视。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，使用霍尔效应器件设计组件指南．应使用导致最佳焊接的最低峰值回流温度(通常在240°C到260°C的范围内)。

焊料润湿

根据IPC-JSTD-001，一个好的接头对所有的焊接表面都有粘附和润湿的外观，从焊接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终端区域都被焊锡覆盖(Rev. D，§4.14.2)。

在终端没有表面处理的区域，可能不会发生润湿，焊料粘附也不能保证。一个主要的例子是终端的末端，或dambar突起或侵入，在这些地方，在singulation或设备安装期间的修剪使终端的核心材料暴露在外。另一个需要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

为了促进成形良好的焊锡角，高可靠性(IPC级别3)组装要求终端和地面区域的横向重叠不小于75%的终端宽度，如图4所示。无论悬垂的数量，未能在终端的悬垂一侧形成焊锡侧圆角是PCB对齐问题，而不是成品化学的结果。Allegro强烈建议终端宽度和脚与PCB地面垫100%重叠。在端子和端子没有完全重叠的地方，不能保证形成完全圆角的焊点。

可接受的焊点通常是在端子的两端和脚跟上各有一个形状良好的焊点角，并且在端子脚下有一个焊点层，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，在其与地面垫的连接处(§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桌面参考手册表面贴装焊点评估提供目标条件和圆角形状验收标准的例子)。对于前几页插图中所示的扁平带、L型和鸥翼型端子，当焊点与端子和PCB接地之间明显存在湿角时(§8.2.5.7)，焊点厚度就被认为是足够的。边角的最小长度指定为终端宽度的3倍或PCB地面上终端脚长75%(当脚长至少是终端宽度的3倍)中的较大值(§8.2.5)。

对于趾角，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，在鞋头的底部应该有鱼片，但是如果有裸露的铜，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面。顶面也不包括在IPC- 2221a焊点描述注释(IPC图8-16)或IPC J-STD-001可接受标准中。建议注意避免焊锡角高度过高，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，以使焊锡芯超过端子上表面的90度边缘，并坚持它。一般来说，为了确保鸥翼引线顶部表面的焊料覆盖范围，需要使用更多的活性助焊剂。因此，终端的顶部表面不能保证焊接。应评估焊料的流动特性，以确保鞋跟、鞋头和侧面终端接头的适当填充。

手工焊接

通孔设备的手动焊接是可以接受的，只要注意防止封装体暴露在过高的温度下。一般来说，smd的手动焊接应该避免，因为很难控制焊接过程的预热和冷却阶段。

不应使用热风枪。它们的影响很难控制，因为它们产生大量的热风，可以迅速损坏塑料组件和覆盖PCB，松动相邻组件的接头。

如果需要手动装配(如原型装配或板的返工)，最好使用烙铁，特别是能够自我调节的烙铁，可以设置为保持最高温度低于350°C。Metcal SmartHeat™就是一个例子。在不延长焊接时间的情况下，应将烙铁温度设置得尽可能低。只有训练有素，有经验的技术人员才可以进行焊接。

焊接

对于端子长度较长的Allegro器件，应采用与良好焊点一致的最低温度(功率设置)的方法进行铜芯端子的焊接，以尽量减少端子光洁度的飞溅。Allegro降低了平均终端厚度，以更适应焊接工艺。

快板漆的平均厚度约为450 μin。，范围为300 ~ 800 μin。，在阀座平面上终端的活动面积处测量。这种厚度被认为是加工的最佳厚度，因为较厚的表面，大约600 μin。或者更多，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，以确保漆面可以熔化，进行适当的粘合，而不发生沸腾和飞溅。在太高的温度下焊接会导致从端子上沸腾掉光洁度，而将端子的核心材料直接连接到接触垫的铜上。必须努力保护周围区域不受熔液的飞溅影响。当焊料或饰面过热时，会发生飞溅，在相邻表面形成焊料球，并可能桥接接触点或痕迹。

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。无铅焊锡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曲线。图9提供了使用无铅焊料的SMD包的典型最大焊料回流曲线。对这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不暴露在过高的温度下。SA和SB包装类型除外，它们有一个热塑性塑料外壳，如果暴露在如此高的温度下会变形。如果有必要对这些包装进行回流处理，必须建立一个特殊的保护托盘来屏蔽SA和SB包装，以便外壳的温度不超过170°C。

波峰焊接

Allegro不推荐SMD封装的波峰焊接。唯一的例外是LH (SOT23W)包，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接过程。典型的波峰焊锡剖面如图10所示。

当进行波峰焊时，应保持设备主体和板之间的适当间距，并且只应使用无卤助焊剂。对于ACS75x电流传感器，封装CA或CB，可使用2 ~ 5°C/s的预热斜坡速率。

返工

通常情况下，当安装在PCB上的设备被拆卸时，设备会发生机械损伤。在拆卸设备之前，应完成一个完全合格的回流曲线，遵守预焙和其他MSL注意事项，在焊料完全回流之前或之后不应试图拆卸设备，可以用最小的机械努力拆卸设备。

无铅工艺的返工可能需要对程序进行调整。例如，使用标准铜编织带来吸除残留回流焊料可能需要
在胶带上滴几滴不含卤化物的焊剂，使流体流动。带预埋焊剂的磁带也可用。

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，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，降低受潮能力。当重新安装失败时，会发生额外的氧化，需要在明显高于原始回流曲线的温度下重新安装，其温度可能会损坏设备或周围的PCB组件。

重做设备挂载时，建议按照以下步骤操作:

1. 小心拆卸之前的设备，使用如上所述的MSL注意事项。
2. 彻底清理返工现场的所有焊料和助焊剂残留物。
3. 将新的焊锡膏涂在工地上。
4. 使用合格的型材进行预焙和回流。
5. 挂载新设备。
6. 完成合格的回流弧线冷却循环。

共同保护

除去助焊剂残留物后，焊点应通过在组装的PCB上涂保形涂层来防止潮湿和潜在的腐蚀性污染物。Allegro强烈推荐这一步骤，这已被证明是非常有效的，无论是在高加速压力测试(高加速压力测试)，还是在恶劣环境中的现场应用。雷竞技最新网址

首选的涂层材料是聚氨酯。或者，也可以使用硅胶。涂层应尽可能地涂在焊点、端子和设备外壳上。为了更可靠的覆盖，涂层应适用于整个PCB组件，只要可行。

电路设计

应用程序的导热性会影响个别端子的焊接结果。当信号接地端子连接到大型接地面时，以及当端子连接到大量裸露的铜痕迹时，或通过短痕迹连接到附近的其他组件时，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观察法。然而，为了使这种方法产生准确的结果，被测设备的终端必须预热一段时间，以适应其热特性。如J-STD-002标准所述，具有非常长的引线的设备，例如Allgero K封装的通孔设备，通常需要5秒的最佳热浸泡时间。

结论

通过严格遵守标准装配程序和基于msl的处理协议，Allegro设备提供了可靠的性能。联系Allegro销售或服务办公室，以获取设备处理和组装的附加信息。