回流焊工作原理和温度曲线分析 - 全文

　　回流焊技术介绍

　　回流焊技术在电子制造领域并不陌生，我们电脑内使用的各种板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的，这种设备的内部有一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。

　　回流焊工作原理

　　由于电子产品PCB板不断小型化的需要，出现了片状元件，传统的焊接方法已不能适应需要。在混合集成电路板组装中采用了回流焊，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感，贴装型晶体管及二管等。随着SMT整个技术发展日趋完善，多种贴片元件（SMC）和贴装器件（SMD）的出现，作为贴装技术部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展，其应用日趋广泛，几乎在所有电子产品域都已得到应用。回流焊是英文Reflow是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘间机械与电气连接的软钎焊。回流焊是将元器件焊接到PCB板材上，回流焊是对表面帖装器件的。回流焊是靠热气流对焊点的作用，胶状的焊剂在定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接；所以叫“回流焊”是因为气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的。

　　回流焊机工艺要求

　　回流焊技术在电子制造域并不陌生，我们电脑内使用的各种板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的。这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。这种设备的内部有个加热电路，将氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。

　　1.要设置合理的回流焊温度曲线并定期做温度曲线的实时测试。

　　2.要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。

　　3.焊接过程中严防传送带震动。

　　4.必须对块印制板的焊接效果进行检查。

　　5.焊接是否充分、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况。还要检查PCB表面颜色变化等情况。并根据检查结果调整温度曲线。在整批生产过程中要定时检查焊接质量。

　　影响回流焊工艺的因素

　　1.通常PLCC、QFP与个分立片状元件相比热容量要大，焊接大面积元件就比小元件更困难些。

　　2.在回流焊炉中传送带在周而复使传送产品进行回流焊的同时，也成为个散热系统，此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同，边缘般温度偏低，炉内除各温区温度要求不同外，同载面的温度也差异。

　　3.产品装载量不同的影响。回流焊的温度曲线的调整要考虑在空载，负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。负载因子定义为：LF=L/（L+S）;其中L=组装基板的长度，S=组装基板的间隔。回流焊工艺要得到重复性好的结果，负载因子愈大愈困难。通常回流焊炉的大负载因子的范围为0.5~0.9。这要根据产品情况（元件焊接密度、不同基板）和再流炉的不同型号来决定。要得到良好的焊接效果和重复性，实践经验很重要的。

　　回流焊机工艺流程介绍

　　回流焊加工的为表面贴装的板，其流程比较复杂，可分为两种：单面贴装、双面贴装。

　　A，单面贴装：预涂锡膏 → 贴片（分为手工贴装和机器自动贴装） → 回流焊 → 检查及电测试。

　　B，双面贴装：A面预涂锡膏 → 贴片（分为手工贴装和机器自动贴装） → 回流焊 →B面预涂锡膏 →贴片（分为手工贴装和机器自动贴装）→ 回流焊 → 检查及电测试。

　　回流焊的简单的流程是“丝印焊膏--贴片--回流焊，其核心是丝印的准确，对贴片是由机器的PPM来定良率，回流焊是要控制温度上升和高温度及下降温度曲线。”

　　回流焊的加热过程

　　在SMT的发展过程中，回流焊设备先后经过了气相回流焊、热板回流焊、红外回流焊和热风回流焊等几个发展阶段。气相回流焊、热板回流焊基本没有被广泛使用，红外回流焊也仅仅使用了几年的时间，二十世纪八十年代后期基本就以热风回流焊和热风+红外机型为主了。

　　红外回流焊主要依靠红外线进行加热，由于红外线的颜色效应，使得PCBA上不同部位存在较大的温度差。为了减少焊接过程中PCBA的温度不均匀性，多使用“Ramp-Soak-Spike”型的温度曲线，如图1所示，现在多把它称为传统型温度曲线。而随着全热风回流焊设备的使用，由于加热效率的提升和温度差的减小，逐渐改为“Ramp-Spike”型的温度曲线，如图2所示，这种形状的温度曲线也被称为“帐篷”型温度曲线。

　　全热风回流焊设备，尽管品牌很多，结构各异，但热风的循环方式基本一样，都是从风口板吹出，再从炉子前后回去，如图3所示。

　　PCBA的受热过程一般为先表面后内部。具体来讲，就是回流焊设备将热空气吹到PCBA的表面，使其表面被加热，再通过传导的方式把热量传递到PCBA内部，如图4所示。显而易见，由于PCBA元器件布局的不均以及元器件封装大小的不同，在加热的起始过程，PCB和元器件各部位的温度存在着差异，而这一差异会引起PCB和元器件封装体的热变形以及各焊点上焊膏开始熔化时间的不一致。

　　热变形会导致热应力的产生，焊膏熔化时间的不同会导致焊接时间的变长；

　　这两点是PCBA回流焊接与单焊点焊接（如可焊性测试）、波峰焊接的最大不同，也是回流焊接必须根据PCBA热特性设置温度曲线的原因所在。

　　温度曲线的热过程分析

　　回流焊接中，焊膏的热过程与元器件的热变形过程是比较复杂的，特别是焊膏的热过程，至今也有些问题还没有完全搞清楚。但根据一般的经验，我们可以把它分为5个阶段：即预热升温→预热保温→焊接升温→焊接→冷却，如图5所示。

　　下面我们对各个阶段进行一下具体分析：

　　预热（升温和保温）阶段：传统式的温度曲线有明显的两个阶段（升温、均温），而“帐篷”型的温度曲线基本是一个缓慢的升温过程。不论是哪种曲线，预热过程主要解决三个问题：使大部分溶剂挥发，助焊剂活化和去除被焊接面的氧化物，使PCBA在焊接升温前达到热平衡。

　　这个阶段温度曲线的设计，主要考虑的是PCBA的热平衡问题和焊膏的飞溅问题。

　　焊接升温阶段：一些问题容易被忽略，但事实上对焊接质量的影响还是比较大的，比如立碑、芯吸、焊剂飞溅等缺陷大都发生在此阶段；特别是在无铅焊接工艺条件下，更是如此！从减少焊接缺陷的角度，我们希望这个阶段的升温速度越小越好。 焊接阶段：主要完成三项任务：所有焊点达到焊接需要的最低温度；焊料与被焊材料元素扩散，形成金属间化合物（IMC）；大尺寸元件达到热平衡，减少冷却后焊点的应力。完成这三项任务需要的条件就是焊接的峰值温度与时间必须足够。回流焊接大部分的缺陷产生都在这个阶段，具体来说就是温度和时间设置上存在问题。

　　冷却阶段：对焊点的组织形态有很大的影响。我们知道，金属的凝固速度越小，其晶体组织越粗，性能也越差。根据有关的文献介绍，合适的冷却速率大概为3～6℃/秒；但实际上，大部分靠过滤焊剂后的回用风进行冷却的回流焊炉，其最大冷却速率也就是2℃/秒左右。

　　如何设定回流焊温度曲线

　　如何设定回流焊温度曲线， 很多公司在生产和研发中已经大量的应用了 SMT 工艺和表面贴装元器件（SMC ／SMD）。因此，焊接过程也就法避免的大量的使用回流焊机。广晟德回流焊针对回流焊温度曲线的整定谈谈些具体的经验和看法。

　　先我们要了解回流焊的几个关键的地方及温度的分区情况及回流焊的种类。

　　A．影响炉温的关键地方是：

　　1：各温区的温度设定数值

　　2：各加热马达的温差

　　3：链条及网带的速度

　　4：锡膏的成份

　　5：PCB板的厚度及元件的大小和密度

　　6：加热区的数量及回流焊的长度

　　7：加热区的有效长度及泠却的特点等

　　B.回流焊的分区情况：

　　1：预热区（又名：升温区）

　　2：恒温区（保温区/活性区）

　　3：回流区

　　4：泠却区

　　根据什么设置回流焊机温度曲线

　　1、根据使用焊锡膏的温度曲线进行设置。不同金属含量的焊锡膏有不同的温度曲线，应按照焊锡膏生产厂商提供的温度曲线进行设置具体产品的回流焊温度曲线；

　　2、根据PCB的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小等；

　　3、根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有BGA、CSP等特殊元器件进行设置。

　　4、根据设备的具体情况，例如：加热区的长度、加热源的材料、回（再）流焊炉的构造和热传导方式等因素进行设置。

　　铅温度分析：

　　铅锡膏的熔点是217度，常见的铅锡膏的成份为：Sn/Ag/Gu 其比率是：96.5/3.0/0.5 如图（）所示：

　　（1）预热区

　　预热区升温到175度，时间为100S左右，由此可得预热区的升温率（由于本测试仪是采用在线测试，所以从0—46S这段时间还没有进入预热区，时间146-46=100S，由于室温为26度 175-26=149度 升温率为；149度/100S=1.49度/S）

　　（2）恒温区

　　恒温区的高温度是200度左右，时间为80S，高温度和低温度差25度

　　（3）回流区

　　回流区的高温度是245度，低温度为200度，达到峰值的时间大概是35/S左右；回流区的升温率为：45度/35S=1.3度/S 按照（如何正确的设定温度曲线）可知：此温度曲线达到峰值的时间太长。整个回流的时间大概是60S

　　（4）泠却区

　　泠却区的时间为100S左右，温度由245度降到45度左右，泠却的速度为：245度—45度=200度/100S=2度/S

　　图二（铅温度曲线）

　　

　　图（二）所示：泠却温度曲线没有同回流区升温曲线呈镜像关系（对称分布）所以上图并非为理想标准曲线

　　图（三）理想标准温度曲线（黑线）