Allegro产品（SMD和通孔）的焊接方法
Allegro产品（SMD和通孔）的焊接方法
布拉德利·史密斯和约翰·索伯
雷竞技竞猜下载快板微系统公司有限责任公司
范围
本文档描述了被证明有效的Allegro™产品的典型焊接方法。它提供了SMD(表面贴装设备)和通孔封装的信息。研究了无铅和传统的基于铅的技术。
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/回流灵敏度分类。它提供了设备的MSL(湿度敏感性级别)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在J-STD-002中找到，元件引线、端子、耳片、端子和电线的可焊性试验。
可接受焊点的特性在基于铅和无铅技术之间可能有些不同。IPC有许多出版物和课程材料提供联合评估的信息。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业界共识标准，修订版D及以后的修订版包括无铅焊接。ipc - a - 610,电子组件的可接受性，提供详细的工艺标准，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，提供用于标注接头尺寸的符号。JEDEC标准JESD22-B102，可焊性，提供验收标准。可以从IEC(国际电工委员会)和JEITA(日本电子和信息技术产业协会)获得类似的标准和信息。IEC(国际电工委员会)是国际和欧洲标准的良好来源。
工艺温度和MSLS
一个重要的工艺问题是，在焊接温度升高之前，设备会吸收大气中的水分。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重要，因为与传统的基于铅的焊接工艺相比，最大回流温度通常更高。
整个行业（包括Allegro）普遍使用的设备包是非密封的。外壳由塑料环氧树脂模塑化合物组成，可吸收水分和其他污染物。即使在很短的时间内暴露于大气中的水分，也会使足够的水分被吸收，从而在加热过程中蒸发时产生严重影响。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相对较小的工艺温度增量导致压力不成比例地增加。从约220°C（493 K）的铅基工艺峰值到240°C（513 K）附近的无铅下限，温度增加约4%，但蒸汽压增加45%。从Pb基到260°C（533 K）最大极限的转变仅涉及约8%的温度升高，但蒸汽压升高约为103%。
为避免蒸发效应造成分层，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，以MSL等级表示，MSL 1是最耐分层的。J-STD-020，修订版C和更高版本中提供了吸湿性评级协议以及吸湿性减弱协议。设备包装标签上的标签中提供了MSL等级的信息。MSL额定值与峰值工艺温度有关。如果加工温度接近最高温度水平，则可能需要根据低MSL水平的实践操作设备。
终端饰面
要考虑到完全无铅，不仅产品必须使用无铅焊料和锡膏组装，而且设备在施工中必须是无铅的。可焊性的一个重要的设备构造方面是端子的光洁度。
完成外观
基于铅的饰面和匹配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。与基于铅的饰面相比，无铅饰面和由此产生的焊点往往天生就不那么明亮和反光。这不影响焊点完整性，在IPC J-STD-001中被认为是材料和工艺的一个特征：
“有焊料合金成分、组件铅和终端表面处理……以及特殊的焊接工艺……可能产生暗淡、哑光、灰色或颗粒状的普通焊料……这些焊点是可以接受的。”
“使用锡铅合金和使用无铅合金的焊接过程之间的主要区别在于焊料的外观。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。(D版，§4.14)。
在制造、测试、烘焙和焊接过程中使用更高的温度会加剧这一特性。快板设备需要进行更多的测试
这在行业中很常见。这确保了设备的高可靠性，但可能会导致端子板显得暗淡或失去光泽。消光的另一个来源是在将设备焊接到组件中之前，在长期储存期间暴露在大气条件下。这些外观因素对焊点的完整性不重要。
可以必须调整自动光学检查设备以抵消PB自由材料返回的较低照明。这有助于防止拒绝设备实际上具有适当的表面处理和接头。除非光学检查设备调整到设备端子和带有灰泥饰面的接头，否则可能会不必要地拒绝或重新加工设备和组件。
完成覆盖
在引线框架的基础金属芯上镀的表面保护通过提供容易被焊料润湿的表面来保护铜芯并在焊点的有效性中执行重要作用。
三个主要工艺因素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：成型飞边、机械磨损和因分离而产生的氧化。
造型闪光。虽然可以在铸造成型化合物(形成设备外壳)之前或之后对端子进行电镀，但大多数情况下是在铸造之后进行电镀。对于小的无铅封装(QFNs和SONs)，完成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到下由模具半部分封闭。模具由引线架分开，如图2所示。
当模塑化合物被强行注入模腔时，过量的化合物从端子之间的间隙挤出，少量的化合物从模具一半和端子的上下表面之间渗出。当化合物冷却，装置被弹出时，端子之间的大部分多余部分连同阻尼部分被移除。残余的过量的模塑化合物，被称为裤腿边，可以留在端子的侧面，在外壳和挡板部分的位置。此外，在靠近外壳的端子的顶部和底部表面可能会有少量的闪光。
机械修整所有残余闪光灯可能导致壳体，端子饰面和端子基材的磨损。当终端在壳体成型之后电镀时，在存在闪光灯时不发生电镀。未移除的剩余闪光灯远离终端的关键焊接区域，并且不会影响焊点强度。
磨损过程中处理。电镀后处理的磨损可能会降低终端光洁度。经验表明，无铅器件经常要经历额外的测试和评估周期，这在较高的工艺温度下发生。这种额外的处理使这些设备暴露于机械磨损的终端光洁度的去除。例如，当设备停留在终端上时，通过轨道移动的设备会腐蚀终端接触区底部的光洁度。这可能会影响焊接时端子的润湿。
磨损增加的一个副作用是增加了先前处理过的设备磨损的碎片和微粒附着的风险。这种污染可能会影响
可焊性要求使用更强的焊剂。为了防止这种污染，必须对用于处理设备的饲料碗、轨道、输出箱和载体进行例行和彻底的清洁。
基板. 在此过程阶段，各个设备包在各个制造阶段与包含它们的较大引线框架网分离。额外的铅成型和修整可在生产后进行，或在装置组装成最终产品的现场进行。
如图2所示，其中端子在其端部修整，并且在已经去除了挡板部分的情况下，核心铜暴露。这些暴露区域远离焊接关键区域。图3显示了QFNS和儿子的单一的结果。在那些包装中，模塑化合物是连续块，并且各个装置被锯出来块。结果，终端的暴露的铜在与壳体壁相同的平面中出现在同一平面中（在某些设计中，终端不延伸到锯平面，并且端子上没有暴露的铜区域）。
在核心铜暴露的地方，最终形成一层铜氧化物薄膜。这可以防止焊料润湿，除非是在非常活跃的助焊剂条件下。不能保证在裸露的铜基材上焊接，根据IPC J-STD-001或A610等标准，接头完整性不需要焊接。对于QFNs和SONs，实际上，光学检测方法不能用于生产，因为没有形成角，因为设备触点和焊锡垫之间的关键焊接区域完全位于包装下方。必须使用电气或x射线测试和检查方法。
Allegro无铅饰面
Allegro在其无铅设备上使用的标准表面处理是100%哑光镀锡。该表面处理已在市场上获得认可。当设备端子和焊盘正确对齐时，它提供了一个坚固的焊点，并且遵循常见的回流焊轮廓。它具有可操作的磨损特性，并且不使用昂贵的no可溶解的金属作为成分。
哑光锡饰面的另一个优点是与任何组合物的传统锡铅（SNPB）焊料落后100％。它可以在传统上用于SNPB焊料合金的任何温度下焊接。因此，具有100％哑光锡引线框架的Allegro器件可用于现有的SNPB工艺中，包括峰值低于232°C的过程，锡的熔点。这是因为磨砂锡容易溶于SNPB化合物。
焊料和通量
必须使用适当的焊料和助焊剂组合来将器件连接到pcb上。最佳组合考虑了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点。
通量的替代品
Allegro强烈建议使用几种焊剂、焊料和终端表面处理的组合进行试验。焊剂和焊锡膏必须按照制造商的说明正确地储存和处理。使用不同熔剂和条件的一系列装配工艺组合应该经过确认，然后可以用于适应设备表面和回流温度要求的差异。
例如，高可靠性的设备，如Allegro产品，与焊剂形成良好的焊点，比通常使用的焊剂具有更高的活性
可靠性较低的设备。这是因为Allegro设备经过多个额外的测试周期，包括高温、低温和室温、高湿度、电气测试等。这通常只会略微降低端子光洁度，但足以在使用低活性或中等活性焊剂进行焊接时引起注意。
使用替代焊剂进行试验的一个重要原因是，使用活性更高的焊剂可以避免对其他可能更昂贵或更敏感的工艺因素进行调整。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，由于基线温度已经升高，提高温度的空间受到限制。
可提高可焊性的另一个工艺调整是增加焊接室大气中的氮气比例。配备了更新的处理设备，以支持处理室内的受控气氛。Allegro建议在回流焊操作中，尤其是无铅操作中，使用富氮可控气氛。
关于可焊性，焊剂有三个基本类别：
- 净水剂(活性最高的)
- 可供选择
- solvent-clean
Allegro强烈推荐不含卤化物的产品aqueous-clean由于它们的高活化水平，因此具有较高的通量。它们还具有使用表面活性剂进行清洁的优点，这种清洁剂比传统的溶剂清洁剂更环保。可供选择通量有更大的环境优势，但没有高度活化的水清洁通量。然而，如果安装的组件和PCB表面之间的间隙太窄，清洁剂无法流动，则可能需要不清洁的助焊剂。此外，如果没有合格的100%无卤化物水焊剂，则必须使用免清洗焊剂(确保免清洗焊剂本身含有0%卤化物)。这两种熔剂类型留下较少的残留物或残留物比罗森芯或熔剂更良性，必须用溶剂去除。
Allegro套件兼容所有工艺化学品，包括除1,1,1-三氯乙烷和三氯乙烯外的所有无卤化物水溶液或溶解液助焊剂清洗工艺，该工艺已被证明会产生可腐蚀设备的氯化物。这些特殊溶剂也已被证明会导致大气臭氧耗竭，应加以避免。
选择焊类型
在从基于铅的工艺过渡到无铅工艺期间，一个实际的考虑是无铅涂饰与现有的基于铅的工艺的向后兼容性。如本应用说明中所述，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焊料合金兼容。表1提供了选择无铅钎料合金的基本比较。
随着无铅加工的要求越来越高，材料特性和过程化学完整性变得越来越重要。总的来说，除了需要更广泛的预热外，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。这反过来又对通量提出了新的要求，要求通量在更长的时间内保持活性，并在高温下保持其特性。在无铅工艺中通常需要具有较强激活水平的通量。
腐蚀性污染物
在装配过程中，较高的加工温度可以加速浸出，但更重要的是长期影响。随着时间的推移，即使在过度成型的应用中，水也会浸出各种污染物。雷竞技最新网址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。在装配过程中应严格避免使用含有卤化物的材料。这不仅适用于通量，
但也对焊料和锡膏，以及过度成型的化合物。特别要注意的是尼龙过模塑化合物，它非常容易被吸湿。
防止这种腐蚀的最好办法是从制造过程中使用的所有材料中去除卤化物。例如，高级尼龙通常有最低的卤化物含量。这些努力应辅以对所有工艺阶段的定期审查，以确保没有引入污染源。来源不仅包括生产过程中消耗的材料，还包括可以在生产工人身上传递的物质。在任何时候都应使用口罩、手套和合适的长袍。
| 表1。典型锡膏与波焊剂的比较 |
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|---|---|---|
| 通用名 |
典型的作文 |
评论 |
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| 比森 |
Bi 58% / Sn 42% |
熔点138°C;不推荐-温度循环时，接头强度相对较弱;兼容100%哑光锡饰面;与现有的SnPb镀层不兼容 |
| SNPB（共晶） |
Sn 60% / Pb 40% |
熔点183℃；电子应用的通用性；与100%哑光锡饰面兼容；光泽外观雷竞技最新网址 |
| SAC305 |
SN 96.5％/ ag 3.0％/ Cu 0.5％ |
熔点219℃；与现有SnPb饰面和100%哑光锡饰面兼容；暗淡的外表 |
| 障碍 |
锡96.5%/银3.5% |
熔点221°C;兼容100%哑光锡饰面;与现有的SnPb镀层不兼容 |
| SnCu |
锡99.3%/铜0.5% |
熔点227°C;兼容现有SnPb漆面和100%哑光锡漆面;沉闷的外观 |
| SN100 |
Sn>98%/Cu<1.0%/Ni<1.0% |
熔点232°C;兼容现有SnPb漆面和100%哑光锡漆面;闪亮的外表 |
| SnPb(高温) |
Sn 5% / Pb 95% |
熔点≈300°C，一般用于倒装芯片及类似应用;雷竞技最新网址可与100%哑光锡漆和现有SnPb漆兼容 |
装配注意事项
PCB、端子和焊点的机械特性之间的相互作用也必须重新受到重视。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，使用霍尔效应设备设计子组件的指导。最低的峰值回流温度(通常在240°C到260°C的范围)，导致最佳焊接应该使用。
焊料润湿
根据IPC-JSTD-001，一个良好的接头具有粘附性和润湿的外观，与所有焊接表面湿润，并且从焊接表面到焊接末端或陆地表面的混合物应该光滑，通常具有小于90度的角度（虽然提供了例外）。（Rev. D，第4.14节）。IPC-JSTD-001不要求使用焊料（Rev.D，§4.14.2）覆盖具有表面饰面的所有终端区域。
在没有表面处理的终端区域，可能不会发生润湿，焊料粘附不能得到保证。一个主要的例子是终端的末端，或挡板突起或侵入，其中在模拟或设备安装期间的修剪使终端的核心材料暴露出来。另一个需要注意的位置是终端的阀座表面，在处理过程中，由于移动，表面光洁度可能会磨损。
圆角形状
为了促进形成良好的焊料圆角，高可靠性(IPC 3级)装配要求终端和陆地区域的横向重叠不小于终端宽度的75%，如图4所示。无论外露的数量，未能形成一个焊接侧的角在终端的外露的一面是PCB对齐的问题，而不是最后的化学结果。Allegro强烈建议端子宽度和脚与PCB接地板100%重叠。在终端和地面不完全重叠的地方，不能保证形成完全的圆角焊点。
一个可接受的焊点通常是这样一个焊点，即在端子两侧、焊踵上各有一个成型良好的焊接圆角，在端子脚下有一个焊接层，如图5所示。在标准JESD22中关键领域对于鸥翼焊点，包括端子的侧面和终端的下侧，在那里符合陆地垫（第5.3.3.2节，接受/拒绝标准）.
有关SMD焊点评估的详细信息，请参阅IPC- a -610§8(也可参阅IPC)桌面参考手册表面安装焊点评估提供目标条件和圆角形状验收标准的示例）。对于扁平带状端子、L端子和鸥翼端子，如前几页插图所示，当焊料和端子与PCB焊盘之间明显存在润湿圆角时，认为焊料厚度足够（§8.2.5.7）。侧圆角的最小长度规定为端子宽度的3倍或PCB焊盘上端子脚长度的75%（当脚长度至少为端子宽度的3倍时）（§8.2.5）中的较大值。
关于趾角，IPC规定在端子的饰边区域暴露基材(IPC J-STD-001, Rev. D，§4.14.1)。因此，在脚趾的下侧面的圆角是预期的，但圆角覆盖整个脚趾可能更难达到有暴露的铜。
考虑到焊点临界面积，JESD22不包括鸥翼端子的顶面（JEDEC图2）。IPC-2221A焊点说明符号（IPC图8-16）或IPC J-STD-001验收标准中也不包括顶面。建议小心避免焊角高度过大，避免与设备外壳接触。当使用暴露的端子设计时，如鸥翼，可能需要优化的工艺条件，以使焊料能够在端子顶面90度边缘上形成芯吸，并粘附在其上。一般来说，需要更多的活性焊剂，以确保鸥翼引线顶部表面的焊料覆盖。因此，端子的顶面不能保证焊接。应对焊料的流动特性进行评估，以确保后跟、脚趾和侧端接头的适当圆角。
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手工焊接
手动焊接通孔设备是可以接受的，只要小心防止封装体暴露在过高的温度下。一般来说，应避免手动焊接smd，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。它们的效果很难控制，因为它们会产生大量的热空气，会迅速损坏塑料部件，并使PCB分散，使相邻部件的连接处松动。
如果需要手工组装(如原型组装或板返工)，最好使用烙铁，特别是自动调节的烙铁，可以设置最高温度在350℃以下。Metcal SmartHeat™就是一个例子。在不延长焊接时间的情况下，应尽量将烙铁温度设置得较低。只有经过培训的、有经验的技术人员才能进行焊接。
焊接
对于长端子长度的Allegro设备，铜芯端子的焊接应采用与良好焊点一致的最低温度(功率设置)的方法，以尽量减少端子表面的飞溅。Allegro降低了终端的平均厚度，使其与焊接工艺更加兼容。
Allegro涂层的平均厚度约为450 μin。，范围为300 ~ 800 μin。，在座位平面上终端的活动区域测量。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。
应通过实验确定最佳工艺温度，以确保饰面能够熔化，以实现适当的粘合，而不会沸腾和飞溅。在过高温度下焊接会导致端子表面沸腾，同时将端子的芯材料直接粘合到接触垫的铜上。必须努力保护周围区域不受熔融饰面飞溅物的影响。当焊料或饰面过热时，可能会发生飞溅，在相邻表面上形成焊球，并可能桥接触点或痕迹。
回流
精心设计的回流焊外形是处理传统SnPb焊料和无铅焊料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封装的典型最大焊料回流曲线。两幅图的比较揭示了无铅加工可能需要更高最高加工温度的程度。
通孔器件的回流焊是可以接受的，只要器件的塑料体没有暴露在过高的温度下。上述情况的例外情况是SA和SB封装类型，其具有热塑性外壳，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工艺，则必须建造一个特殊的保护托盘来屏蔽SA和SB包装，以便外壳温度不超过170°C。
波峰焊接
Allegro不推荐SMD封装的波峰焊。唯一的例外是LH (SOT23W)封装，它可以使用图10中的剖面进行波焊。
Allegro通孔设备被设计用于波峰焊接工艺。图10显示了一个典型的波峰焊剖面。
当执行波焊时，应保持设备的主体与板之间的足够间距，并且仅使用卤化卤素。对于ACS75X电流传感器，封装CA或Cb，可以使用2至5°C / s的预热坡度。
返工
通常，当在安装在PCB上后移除设备时，设备发生机械损坏。在删除设备之前，应完成完整的回流轮廓，观察预先烘烤和其他MSL预防措施，并且在焊料完全回流之前或之后，应尝试拆卸设备的尝试，并且可以通过最小的机械努力去除设备．
使用无铅工艺的返工可能需要对程序进行调整。例如，使用标准的铜编织带来灯芯剩余回流焊料可能需要
将几滴无卤通量沉积在带上以使流动流动。还提供带有预熔化的磁带的胶带。
即使按照适当的程序移除设备，重新安装设备通常也不可行，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表面，降低其润湿能力。当重新安装尝试失败时，会发生额外的氧化，需要在明显高于原始回流模式的温度下，在可能损坏设备或周围PCB组件的水平上重新安装。
设备安装返工时，建议执行以下步骤:
- 使用如上所述的MSL预防措施，小心地卸下以前的设备。
- 彻底清理返工现场的所有焊料和助焊剂残留物。
- 模具新焊膏贴在网站上。
- 使用合格的简档预烘烤并回流网站。
- 安装新设备。
- 完成合格的回流轮廓冷却循环。
共同保存
清除焊剂残留物后，应通过在组装的PCB上涂敷保形涂层，保护焊点免受湿气和潜在腐蚀性污染物的影响。Allegro强烈推荐该步骤，该步骤已被证明在HAST（高加速应力测试）和恶劣环境中的现场应用中非常有效。雷竞技最新网址
首选涂层材料为聚氨酯。或者，可以使用硅树脂。涂层应至少涂敷在焊点、端子和设备外壳上。为提高覆盖率的可靠性，应尽可能将涂层应用于整个PCB组件。
电路设计
应用程序的热导率可以影响个别终端的焊接结果。对于连接到大型接地面的信号接地端子，以及连接到大面积暴露铜导线的端子，或通过短导线连接到附近其他元件的端子，这一点尤其明显。这些物体都可以作为散热器，对于这样的端子，应该考虑额外的热浸泡时间或较高的回流温度。
倾斜试验
测试可焊性的常用方法是浸渍法。然而，为了使这种方法产生准确的结果，被测器件的终端必须预热一段时间，这段时间足以满足它们的热特性。如J-STD-002标准所述，具有很长的引线的器件，例如Allgero K封装等通孔器件，通常需要5秒的最佳热浸泡。
结论
通过严格遵守标准组装程序和基于MSL的处理协议，Allegro设备提供了可靠的性能。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。
