LED灯珠无铅回流焊接工艺曲线设定

冯博楷+++宋秋实

摘 要：讨论了3014LED灯珠基于95.5Sn3.8Ag0.7Cu无铅焊料的回流焊工艺。重点绘制了无铅回流焊接工艺曲线，分析了无铅回流焊工艺升温预热区、焊接区（回流区）和冷却區等各阶段所受温度的影响及其可能引起的不良后果，为LED灯珠无铅回流焊接工艺提供参考。

关键词：LED灯珠；无铅回流焊；温度曲线

被誉为第四代新型照明LED光源的出现，使得各种LED产品的应用越来越广泛，如LED灯、LED显示屏等。目前，小型化LED产品的生产大多是基于传统的表面贴装技术（SMT），锡膏回流焊接是SMT关键工艺。以锡铅（Sn-Pb）合金作为主要焊料的锡膏，因其熔融温度低、流动性、可焊性和润湿性优良等优点被广泛应用[1]。随着人类对环境保护的关注，广泛使用的LED产品贴装也越来越趋向于无铅化。研究[2]表明无铅回流焊接较Sn-Pb合金回流焊相比具有焊料熔点高、焊接工艺窗口小、润湿性差等缺点。LED灯珠规格众多，目前针对其无铅回流焊接工艺的研究报道较少，文中以长方3014LED灯珠为研究对象，讨论与其适合的无铅回流焊接工艺，以获得较好焊接效果。

1 LED灯珠及无铅锡膏的选用

文中选用深圳长方集团出品的长方3014LED灯珠，市面上有售。

锡膏为较成熟的无铅焊料95.5Sn3.8Ag0.7Cu[3]锡膏，Sn-Ag-Cu系[4]合金焊料熔点在217℃附近，润湿性良好，抗热疲劳性能、化学性能均能满足LED灯珠等细间距电子元件的焊接，能有效避免桥接缺陷的出现，可获得与Sn-Pb系合金相媲美的焊点力学性能。

2 3014LED灯珠无铅回流焊温度曲线的确定

借鉴Sn-Pb合金回流焊的典型温度曲线，目前工业上采用较多的无铅回流焊温度曲线主要有梯形温度曲线和渐升式温度曲线[5]。结合典型的温度曲线，针对3014LED灯珠的特点和无铅焊料95.5Sn3.8Ag0.7Cu的性能，设计了回流温度曲线，如图1所示。

图1 无铅合金95.5Sn3.8Ag0.7Cu常规温度（实际焊点温度）曲线

2.1 预热区

预热区又可分为3个亚区，分别为升温区、保温区和快速升温区。在升温区，采用升温速率为1.5～2.5℃/秒，最大升温速率不超过3℃/秒，时间不超过90秒的加热工艺，使温度从工作环境温度达到130℃。在此阶段，LED线路板（PCB）从周围环境的温度达到回流焊所需活性温度，焊膏内的较低熔点溶剂挥发，并降低对元器件之热冲击。升温速度不能太快，否则可能会引起锡膏中焊剂成分恶化，形成锡球、桥接等缺陷，同时使元器件承受过大的热应力而翘曲。另外，若焊接携带大功率大尺寸的LED灯珠的PCB时，为了使整个PCB温度均匀，减少热应力造成的翘曲等缺陷，可参考相关的热处理工艺和实践经验，在此区间进行缓慢升温和预热。在保温区，采用<2℃/秒的升温速率，使保温区温度介于140～160℃之间，并保温60～90秒。在该区焊剂开始活跃，并使PCB各部分在到达回流区前润湿均匀，焊膏中还有没完全挥发完的溶剂进一步挥发。在快速升温区间，这个阶段也称助焊剂浸润区，温度快速升至焊膏的熔点。这个阶段要求升温速率快，否则焊膏中助焊剂活性会降低，焊料合金发生高温氧化，形成不良焊接接头。该阶段，助焊剂清洗焊接面的氧化层，并保持一定的焊接活性，便于在焊接区形成良好的金属间化合物（Intermetallic Compounds，IMC）接头[6]。

2.2 焊接区

焊接区（回流区）锡膏以高于熔点以上温度液相形式存在。对于焊料96.5%Sn/3.0%Ag/0.7%Cu，最高温度介于235～245℃，熔点225℃以上控制在40～60秒高过230℃的时间为10～20秒。在此温度区间，锡膏中的金属颗粒熔化，发生扩散、溶解、化学冶金，在液态表面张力作用下形成IMC接头。同时，若峰值温度过高、回流时间过长，可能会导致IMC晶粒过大生长，力学性能和电性能受到影响，焊点高温氧化严重、颜色变暗，同时热熔小的元器件可能受损等。若温度太低、回焊时间短，可能会造成焊料与PCB不能完全润湿，形成球状焊点，影响导电性能，对具有较大热容量的元器件来说，热量不足，焊点连接不牢固形成虚焊。焊接区温度和回流时间的工艺确定，对于特定LED灯珠和不同的PCB，还有待进一步的研究。

2.3 冷却区

离开焊接区后，基板进入冷却区。在此阶段，降温速率≤4℃/s，若冷却速率太快，巨大的热应力可能会造成焊点产生冷裂纹、LED灯珠炸裂甚至造成PCB的变形，使PCB灯条报废。若冷却速率太慢，焊点结晶时间长，形核率低，足够的能量会使IMC晶粒长得过于粗大，难以形成细小晶粒的IMC接头，使焊点强度变差，甚至LED灯珠发生移位。

3 结束语

讨论了3014LED灯珠基于96.5%Sn/3.0%Ag/0.7%Cu无铅焊料的回流焊工艺，重点绘制了无铅回流焊接工艺曲线，分析了无铅回流焊工艺升温预热区、焊接区（回流区）和冷却区等各阶段所受温度的影响，为LED灯珠无铅回流焊接提供针对性数据和工艺参考。但LED灯珠无铅回流焊接工艺不够完善，还存在缺陷，比如特定LED灯珠和不同的PCB对回流区工艺的影响、焊接气氛的影响以及焊点IMC接头微观结构影响还需进一步探讨。

参考文献

[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，张馨.无铅钎料的研究现状及进展[J].热加工工艺，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.焊锡接点金属间化合物（IMC）微结构演化与微观-宏观力学行为关系研究[D].北京工业大学，2014.

作者简介：冯博楷（1980-），男，汉族，讲师，主要从事材料加工研究。