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氮气保护下的SMT焊接

     摘要]在氮气保护下进行波峰焊和再流焊，将成为表面组装中技术的主流，环氮波峰焊机与甲酸技术相结合，环氮再流焊机活性极低的焊膏、甲酸相结合，能去除清洗工艺。当今迅速发展的SMT焊接技术中，遇到的主要问题是如何破除氧化物，获得基材的纯净表面，达到可靠的连接。通常，使用焊剂来去除氧化物，润湿被焊接表面，减小焊料的表面张力，防止再氧化。但同时，焊剂在焊接后会留下残留物，对PCB组件造成不良影响。因此，必须对电路板彻底清洗，而SMD尺寸小，不焊接处的间隙也越来越小，彻底清洗已不可能，更重要的是环保问题。在1994年国际组织发现CFC对大气臭氧层有破坏，作为主要清洗剂的CFC必须禁用。解决上述问题有效的办法是在电子装联领域中采用免清洗技术。

一氮气保护加甲酸的免清洗技术基本介绍
    在氮气中加入少量且定量的甲酸HCOOH已被证实是一种有效的免清洗技术，焊接后不用任何清洗，无任何副作用或任何对残留物的担心。
    氮气作为保护气体极其合适，主要是它的内聚能量高，只有在高温和高压下(> 500°C，>100bar)或添加能量的情况下，才会发生化学反应，目前已掌握了一个生产氮气的有效方法。空气中氮气约占78%，是一种取之不尽、用之不竭，经济性极好的保护气体。
    氮气作为保护气体，在焊接中的主要作用是排除焊接过程中的氧气，增加可焊性，防止再氧化。
    焊接可靠，除了选择合适的焊料，一般还需要焊剂的配合，焊剂主要是去除焊接前SMA组件焊接部位的氧化物以及防止焊接部位的再氧化，并形成焊料优良的润湿条件，提高可焊性。试验证明，在氮气保护下加入甲酸后即能起到如上作用。另外，在氮气保护下使用甲酸HCOOH作为活化剂焊接时，金属氧化物的还原程序为：
   MeO + HCOOH + 热Me + CO2 + H2
   注：Me即金属
    此化学方程式表明，在金属氧化物的分解过程完成后，没有任何残留物留下来，亦没有留下任何对环境有害的物质，并且，由于在缺氧环境下，还原出的金属不会再氧化。
    此外，甲酸在160°C以上即分解放出二氧碳和氢气，因此，经过波峰焊与回流焊的产品上无残留甲酸。

二氮气加甲酸技术用于波峰接机
   有关保护气体用在焊锡方面的份报告，是德国西门子公司在八十年代初发表的，经过多年发展后，现已被很多厂家采用。实验表明，通常的波峰焊接机不能改装成氮气保护的机器。目前，有一种产品是采用隧道式焊接槽结构的环氮波峰焊接机，其机身主要是一个隧道式的焊接加工槽，上盖由几块可打开的玻璃组成，确保氧气不能进入加工槽内。当氮气通入焊接，利用保护气体和空气的不同比重，氮气会自动把空赶出焊接区。
   在焊接进行过程中，PCB板会不断带入氧气注入焊接区内，因此要不断将氮气注入焊接区内，使氧气不断排到出口。
氮气加甲波峰焊锡系统如下图：
wpe8.jpg (24641 bytes)

氮气波峰焊锡系统

   这种系统的氮气耗量为18-20M³/h，成本较高，甲酸用量少，几乎可不计成本。
效果：
   1、从根本上消除了焊料的氧化，改善了液态焊料的润湿性能。
   2、焊后无残留物，实现了彻底的免清洗工艺，节省了清洗设备的投资及清洗设备所需的材料费、操作费，保护了环境。
   3、用氮气后不良率降低75%。
   4、在氮气下形成的焊点寿命较长。

三氮气加甲酸技术用于再流炉
    氮气加甲酸技术一般应用于红外加强力对流混合的隧道式再流焊炉中，进口和出口一般设计成开启式，而在其内部有多道门帘，密封性好，能使组件的预热、干燥、再流焊接冷却都在隧道内完成。在这种混合气氛下，使用的焊膏中不需含有活化剂，焊后无残留物留在PCB板上。
效果：
   1、减少氧化，减少焊球的形成，不存在桥接，对精细间距器件的焊接极为有利。
   2、节省了清洗设备，保护了地球环境。
   3、由氮气所带来的附加成本容易从节约的成本中收回，成本节约从缺陷减少及其所需人工节约而来。
缺点：
   1、氮气用量16-18M³/h，成本较高。
   2、使用时需为炉内的残氧浓度进行测试，因实现清洗焊接是以高纯度氮气为代价。
   以上简单介绍了一种技术。要提高可靠性，于96年引进了SMT生产线，其中的再流焊炉与波峰焊均为使用氮气保护技术的机型，使用至今取得了较为理想的效果。由于航天产品数量较少，因而是我们的生产线多数情况下是在加工对外承接的民用消费电子产品，因其对可靠性并不要求万无一失而要求加工成本要低，此时只好取消氮气保护措施。

2009年04月18日热烈庆祝伟圳联电子发展有限公司-福永凤凰办公室开张成立

2009年05月18日热烈庆祝伟圳联电子发展有限公司-深圳工厂二手事业部在沙井成立

3G之争——中国没有退路

2009-12-28

一、“标准之争”，还是“大国博弈”

事件回放：2009年1月7日，国内移动、联通、电信三大运营商正式挂牌 3G。与此同时，一个国家，三种3G标准，这在世界其他国家地区的局面也在中国出现了。

所有的变数仿佛都浸淫着中国传统分家习俗：实力最弱的小儿子中国联通，得到一个最为成熟的 WCDMA；二儿子中国电信，自身实力居中，得到的是居中的 CDMA2000标准；至于振兴家业、发展中国标准TD-SCDMA的重任则责无旁贷地落在了实力雄厚的长子中国移动身上。

同时，看一下相关人物的“表情”：

2008年8月，工信部发布《关于同意中国移动通信集团公司开展试商用工作的批复》，同意中国移动在全国建立TD 网络并开展试商用。

2008年5月，美国商务部副部长克里斯托夫帕迪拉恼羞成怒，攻击中国推出的TD-SCDMA标准：“它是在缺乏透明度和合法诉讼程序的情况下，按照政府规定开发的。”

而早在2003年8月1日，全球 GSM协会首席执行官康威乐来到上海，为WCDMA摇旗呐喊。

三张牌照，其实可以看作中国现状下一种典型的无奈的“和稀泥”解决方式。因为采用WCDMA还是TD-SCDMA又或者CDMA2000标准已经不是一件纯经济性的活动，而是通信巨头、大国、政府间博弈的产物，是“殖民经济”这个名词的注脚。相比成熟的WCDMA和在北美有广泛应用的CDMA2000，TD-SCDMA基本是从零起步，无论是网络，还是终端。

二、强大后援

然而相对于占据电信市场78%的WCDMA和22%的CDMA2000，我国自主研发的TD-SCDMA整整晚了11年，尚处于起步阶段，且没有任何商用经验，产业链环节薄弱，市场前景实在堪忧。

工信部部长李毅中就曾明确表示：“目前，TD-SCDMA发展到了最关键的时候。政府部门要继续给予强力支持，逐项落实扶持措施。”同时李毅中还透露，目前对TD的36项扶持措施已经落实了21项；加大并明确对TD的相关政策支持也是政府发放 3G牌照的三个前提条件之一；政府还会采用采购这招杀手锏：“推动TD终端和业务纳入政府采购范围，发挥政府部门支持TD发展的示范作用。”

三、中国移动蓄势待发

(1)市场推广和网建小步快跑

中国移动的TD标准在3G无疑是现在成熟度的一个标准。不过在国内，它却已经在市场推广和网络建设方面提前了不止一步。早在2007年，就已经开始TD试验网的建设，成为公众眼中最早3G的代名词。

(2)资金优势厚积薄发

依靠于2G时代攒下的家底，中国移动在资金和客户资源这一块相较于其他两家显然有着明显优势。通过下面四个数据就可以说明：全球通、神州行和动感地带三大品牌深入人心；4.4亿手机用户；近2000亿现金；占据全国GSM用户近70%的市场份额。

2009年5月17日，TD-SCDMA终端专项激励基金联合研发项目签署——中国移动与9个手机厂商和3家芯片厂商联合投入12亿元推动TD-SCDMA终端产业的进程。

2009年12月17日，也就是7个月后，TD-SCDMA终端专项激励资金联合研发项目瓜熟蒂落，首批11款G3手机精彩亮相。

(3)客户为王强势出击

依托于3G特点，推出大量新的业务，并非设置了相应的业务组织。相较于其他两家，中国移动创新意识更强，营销手段更灵活，服务水平也。

借助强大的研发投入和明确的政策支持，中国移动在2009年末终于要推出一批全新G3手机了。无论是国产品牌还是与国际品牌合作研发，G3手机都代表了目前掌上终端的水平。这是一场没有退路的战争，G3手机的发布，它的号角已经越吹越响。

1 引言

    最近，光电组件正在向类似于电子元器件的表面安装封装方向发展。在上世纪90年代中期，为实现光通信网络市场所需求的低成本和小尺寸封装，已开发了C-CSP(陶瓷-芯片规模封装)，以使C-CSP替代薄型小外形封装(TSOP)、四侧引脚扁平封装(QFP)等，适应封装市场需要的CSP要具备以下条件：
   ①从现有的封装生产方式中获得大容量的利用率；
   ②好的板级可靠性，TCT达1000次(-25-125℃)；
   ③月产量为1百万只，每个低成本插件为0．8美分。
C-CSP则符合上述全部条件，并已应用于许多消费类电子产品，如数字视频便携式摄像机、移动手机等。然而，由于光组件一般比电子部件大得多，所以具有印刷布线板(PWB)的光组件组装在可靠性方面不太稳定；又由于传统的封装结构在管壳中有金属导线。为提高板级的可靠性，则用焊料将金属导线与PWB连接在一起。实用化的表面安装形式是第二级组装与基板的焊接片互连，诸如平面栅格阵列(LGA)和球面栅格阵列(BGA)封装。

    2 光BGA概念
    光BGA封装是在管壳的下部表面阵列式排布许多球形焊接凸点，集成电路芯片可采用倒装焊或引线键合载带自动焊(TAB)安装在管壳上部表面上，如图1所示。
    光BGA封装是高密度、高I／O数应用领域中的重大突破，是最实用、、可靠性高、性能好的一种封装形式，已成为上世纪90年代封装的主流技术。光BGA封装技术的优点是：
●减少了封装部件的数量，封装尺寸小，I／O数密度高；
●适合于采用SMT，与通常线焊相比无引线损伤问题；
●引脚短，缩短了信号路径，减小了引线电感和电容，改善了电气性能；特别适合于多引线器件封装；
●RF线可直接与低插入损耗的PWB焊片连接，热沉位于PWB焊片下面，可直接散热，获得良好的热特性。
●封装成品率高，效率高，降低了成本；
●安装与焊接方便，焊接可靠性高；
●有自对准效应，对准精度要求低，生产效率高；
●适合于多芯片组件(MCM)封装需要，有利于实现MCM的高密度、高性能。
   光BGA封装技术可满足微型化、低成本的高速信号传输网络市场需要。BGA封装不仅优化了表面安装技术，并对MCM的发展也起到重要作用。光BGA封装技术有待于解决的问题有：BGA与基板材料间的热膨胀系数匹配问题；有采用PWB的光组件可靠性不太稳定的问题。

    3 光BGA封装材料
    光BGA封装管壳常采用陶瓷材料，这种坚固耐用的陶瓷材料有许多优点，如具有微型设计规则的设计灵活性、简易的工艺技术、高性能和高可靠性，一般通过改变管壳的物理结构即可进行光BGA封装设计。
    陶瓷材料还具有气密性和良好的一级可靠性。这是由于陶瓷材料的热扩散系数与GaAs器件材料的热扩散系数非常相近。而且，由于陶瓷材料可采用重叠的通道进行三维布线，将减小整个封装尺寸。
    在一般情况下，由于热量可使管壳变形，所以安装光器件时必须控制热量。光器件与光纤的对准还可产生移动，这将改变光特性。采用陶瓷材料则热变形很小。因此，陶瓷材料很适合于光电组件封装，并对光通信传输网络市场产生重大影响。

    4 光BGA封装特性
    光BGA封装有两个主要特性：电特性和热特性。
    4.1 电特性
    为了获得高速传输(10Gb／s)性能，关键是从激光二极管(LD)的焊片到焊接凸点通道要进行化的电子设计。高速表面安装封装必须将通路孔设计、内部图形和用于焊接凸点的焊片这三个重要部分化，以便获得阻抗匹配。传统封装结构的电信号连接是从管壳的上部直接到下部，无阻抗匹配控制。在陶瓷的每个面上完成信号图形和接地图形，再通过通道孑L进行连接。当传输高速信号时，这种传统结构很不稳定。而改进后的光BGA封装结构则有良好的阻抗匹配控制，可获得稳定的高速信号。图2示出传统的封装结构与改进后的光BGA封装结构的比较。
    为实现高速传输，光BGA封装结构必须化:
●通路孔化
    为使与LD连接的上部图形化，可采用共平面连线。为使通路孔化，设置了接地通道以便控制阻抗。通过调节控制信号与接地线之间距离便可控制阻抗。
●内部图形化
    内层设计也必须进行阻抗匹配。图3为改进后BGA封装结构的内部图形，在信号线周围设置了一个信号通路和多个接地通道。为获得阻抗匹配，还要将接地通道位置的距离和角度进行化。
●焊球焊片化
    焊球与接地线之间的电容值是一个重要参数。一般在减小面积的同时还要控制阻抗。为减小尺寸而减小焊接片与信号通道间的距离，则可导致高电容和低阻抗。所以，为控制阻抗，内部接地层的间隙必须大于信号焊片直径。

    4．2 热特性
    传统的封装结构在管壳中有金属导线。为提高可靠性，则用焊料进行金属导线与PWB之间的连接，但其缺点是所产生的热量可导致管壳变形，所以安装光器件时必须控制热量。此外，为获得最小化和低成本，光BGA的封装中包括驱动器集成电路(1C)，然而，该驱动器IC可产生1．5W的热量，并可影响LD性能，对LD的光功率和板极可靠性有较大影响。通常速率为2．4Gb／s的DFB-LD所要求的工作温度为0-70℃，因此驱动器IC所产生的热量必须控制在该温度范围以内。采用Cu-W制成的热沉有极好的散热能力。已设计了用于大规模集成电路(LSI)组件区和DFB-LD组件区的热沉。图4中示出了模拟组件，并在表1中示出其测量数据。光BGA封装具有良好的热特性。尽管LSI产生1．5W的热量，但LD组件区却可保持在70℃以下，以保证LD性能不会下降。
    在图5中示出了典型化光BGA封装特性的测量结果。在传输速率为2．5GHz时，回波损耗为-20．83dB、插入损耗为-0．09dB；在传输速率为10GHz时，回波损耗为-19．00dB、插入损耗为-0．96dB。此外，在300次无故障中进行二级组件可靠性测试，证明在苛刻环境中，采用光BGA封装的LD性能没有下降。

    5 发展趋势
    目前，由于对更高数据传输速率、低成本和系统微型化的需求，正在促进用户系统的传输容量大幅度增长。随着因特网容量的急剧扩大，需要高速率传输系统。目前，2．4Gb／s速率传输网络和10Gb／s速率数据通信网络领域市场正在增长。在图6中示出了短距离局域网络的光电组件封装发展趋势：光电组件将从分离型转向MCM型、从导线型转向球形连接型。而且，由于非致冷组件的出现，在2004年将可实现40GHz的定向调制器。为了向MCM封装方向发展，不仅要开发光电器件技术，也要开发光电器件封装技术。此外，MCM封装技术的发展也决定了光电子器件市场的发展。
    目前，光BGA以其性能和价格优势正成为封装的主流技术。为满足高速信号传输、微型化和低成本光传输网络需要，光BGA封装技术还在不断发展。未来将进行高频封装的高密度设计，不断开发包括低损耗布线和低介电陶瓷材料在内的新型材料，并将按照系统级可靠性进行2nd组件可靠性测试。