水平強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流焊設(shè)備

1．引言

強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流是再流焊工藝的最佳選擇，其具有一些與物理性質(zhì)密切相關(guān)的紅外及其他方法不同的特點(diǎn)，又因無(wú)鉛焊料加速推廣應(yīng)用，使得強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流焊接工藝更引起人們關(guān)注。比如，安裝在PCB上的各種器件有不同的輻射率，使得紅外加熱技術(shù)在許多場(chǎng)合不能使用。眾知，紅外（IR）輻射能量是直接傳播，當(dāng)一個(gè)體積小，薄形的器件緊靠大尺寸，高的器件就會(huì)有蔭影，產(chǎn)生不均勻輻射。然而現(xiàn)有的強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流焊爐仍存在許多明顯的加熱溫度不一致性。

2．現(xiàn)有強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流爐性能的加熱溫度不一致性

?? 加熱溫度的不一致性。強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流爐與紅外加熱爐相比，具有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是減少印制板平面的加熱溫度差。即使是對(duì)流爐，爐道爐壁的自然冷卻作用，爐道中央的溫度要比周?chē)臓t壁高。由此工藝工程師在設(shè)置再流工藝參數(shù)時(shí)，不得不考慮要有足夠的熱量再流印制板邊沿安裝的器件，導(dǎo)致接近中央部位溫度敏感器件的損壞或過(guò)熱。

對(duì)流再流焊爐通常采用一組加熱器對(duì)印制板的頂面熱風(fēng)加熱，另一組加熱器對(duì)印制板的底面熱風(fēng)加熱。印制板兩面任何的溫度差別都會(huì)給材料引入應(yīng)力，造成彎曲變形或分層。

熱風(fēng)流量的不一致。常規(guī)再流焊爐爐道內(nèi)，熱風(fēng)流與印制板相接觸后繼續(xù)向焊爐的爐壁方向移動(dòng)。冷卻的熱風(fēng)流被一個(gè)壓力箱收集重新加熱，又重復(fù)使用吹到印制板上。這樣吹到印制板中央部位的熱風(fēng)流量明顯低于PCB周邊任何一點(diǎn)。因?yàn)橛≈瓢逯苓叢粌H接受到直接的熱風(fēng)流，而且被冷卻熱風(fēng)流流向也經(jīng)過(guò)PCB周邊部位最終被壓力箱收集。

對(duì)流焊爐爐道/熱風(fēng)流回流收集系統(tǒng)，熱風(fēng)流與印制板接觸后繼續(xù)流向焊爐的爐壁被冷卻收集，重新加熱返回到爐道內(nèi)，這種現(xiàn)象導(dǎo)致多種不一致性：

a.在PCB面某一點(diǎn)接觸的熱風(fēng)流量與另一縱向點(diǎn)是不

同的，使得焊膏有機(jī)溶劑揮發(fā)速率不同，造成焊劑組分的活性及脫水條件的差別。

b.PCB的周邊暴露在高熱風(fēng)流量但低溫度的環(huán)境中，這樣進(jìn)

一步擴(kuò)大PCB中央高溫?zé)釁^(qū)與周邊低溫冷區(qū)的溫度差別。

c.大多數(shù)再流焊爐采用一種稱(chēng)之為噴嘴系統(tǒng)傳送熱風(fēng)流。然而在直對(duì)每個(gè)噴嘴口下面的部位與兩噴嘴口之間的熱風(fēng)流量明顯不同。

熱風(fēng)速度的差別。一則，強(qiáng)制熱風(fēng)速度的增加，加速了熱量傳送到PCB上貼片裝器件的速度。另一則，過(guò)大的風(fēng)速會(huì)造成器件移位或脫離原準(zhǔn)確貼裝位置。所以熱風(fēng)的速度一定要使得直對(duì)熱風(fēng)噴嘴口下面的器件不會(huì)造成移位（也就是講，熱量傳送的有效區(qū)域不能直接受到噴嘴口的指向影響）。在PCB周邊位置接受到較大的風(fēng)速，因?yàn)榇瞬课坏臒犸L(fēng)流是由直接的熱風(fēng)流及從鄰近位置傳送的熱風(fēng)流兩者的混合風(fēng)流。在一個(gè)固定的PCB斷面熱風(fēng)流量增大，則其熱風(fēng)速也必然增大。

壓力的差別。由于熱風(fēng)流量與風(fēng)速的差別，使得PCB安裝面的壓力不同。因速度問(wèn)題的存在，在每個(gè)熱風(fēng)噴嘴的熱風(fēng)傳送區(qū)的中央產(chǎn)生一個(gè)高壓區(qū)。也就是離PCB中央最遠(yuǎn)的部位壓力最大，而鄰近部位則較低，這是由于在一個(gè)固定的PCB斷面熱風(fēng)流量，及熱風(fēng)速大兩者所致。

熱風(fēng)方向的差別在許多對(duì)流焊爐設(shè)計(jì)中，這是固有的缺陷。舉例，使用兩個(gè)相同的器件，其一放置在PCB安裝面及焊爐縱向中央位置，另一個(gè)放置在PCB安裝面的邊沿位置。前貼裝器件直接對(duì)準(zhǔn)熱風(fēng)噴嘴，熱風(fēng)流的角度是與PCB安裝面成正交的矢量，但安裝在PCB邊沿位置的器件，除了直接對(duì)準(zhǔn)熱風(fēng)噴嘴的熱風(fēng)流外，還有一部分來(lái)自相鄰方向的熱風(fēng)，最后得到的熱風(fēng)流矢量是小于直角的銳角。因?yàn)榕c其封裝體接觸的熱風(fēng)流方向不同，兩個(gè)相同的器件組所得到熱量速度是不同的。這種問(wèn)題在球引腳器件底部與印制板間的支承空間，熱風(fēng)流的流向分布變得更為突出。例如BGA器件的再流焊工藝，在封裝體的底部引腳與印制板間的熱風(fēng)流量少于印制板安裝面的引腳器件。

總之，在業(yè)界無(wú)異議地認(rèn)為強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流是SMT再流焊接的最好選擇。許多專(zhuān)家也贊成應(yīng)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)作出有價(jià)值的改進(jìn)，包括提高焊爐內(nèi)PCB安裝面熱風(fēng)流溫度，速度，流量，均勻性及一致性的系統(tǒng)能力。

3．水平熱風(fēng)對(duì)流焊爐

一種新的強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流技術(shù)稱(chēng)之為水平熱風(fēng)對(duì)流焊爐，顯示具有進(jìn)一步減少或消除上面所述的種種差異的能力。減少或消除這些問(wèn)題就有可能為工藝工程師們提供一些有效方法，擴(kuò)大工藝窗口及改進(jìn)焊接質(zhì)量，對(duì)于無(wú)鉛焊料的應(yīng)用是有積極意義的。

水平對(duì)流焊爐，每個(gè)加熱區(qū)的熱風(fēng)在封閉區(qū)范圍內(nèi)循環(huán)，減少溫度及速度等參數(shù)差異。

水平對(duì)流焊爐的設(shè)計(jì)是根據(jù)由常規(guī)強(qiáng)制對(duì)流概念分離出來(lái)的兩個(gè)原則設(shè)計(jì)的

a． 在每個(gè)加熱區(qū)內(nèi)的熱風(fēng)流嚴(yán)格在封閉區(qū)內(nèi)循環(huán)，這種設(shè)計(jì)包括加熱器，風(fēng)扇板，惰性氣體供氣系統(tǒng)及排氣裝置等所有另部件。

b.??熱風(fēng)流在焊爐的PCB板頂面或底面環(huán)流形成一個(gè)環(huán)形熱風(fēng)流或環(huán)繞PCB的熱風(fēng)流，也就是熱風(fēng)流沿焊爐縱向的水平軸傳送。

印刷板的頂面與底面從外朝中央接受熱風(fēng)流，補(bǔ)償了中央熱點(diǎn)與外部冷點(diǎn)的溫度差。由于加熱區(qū)的上部與下部的熱風(fēng)連續(xù)循環(huán)，溫度的均勻性得到保證，PCB受的應(yīng)力也極小。上下加熱區(qū)相同比例的截面得到一致均勻的熱風(fēng)流量及壓力。熱風(fēng)流與PCB板安裝面平行方向傳送熱量，爐道內(nèi)熱風(fēng)流向是一致的。（圖3）熱風(fēng)流平行傳送另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是熱風(fēng)流能滲透到器件封裝底部的支承空間，增強(qiáng)了BGA，J形引腳器件的可焊性。

常規(guī)對(duì)流焊爐與水平對(duì)流焊爐的比較，水平熱風(fēng)流流向與PCB安裝面平行得到均勻加熱。

水平對(duì)流焊爐另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是焊爐的供氣系統(tǒng)在減少惰性氣體流量時(shí)，爐內(nèi)氣氛可得到低ppm氧分量。這因?yàn)槎栊詺怏w作用的空間僅僅是加熱區(qū)的范圍。相對(duì)之下，在常規(guī)對(duì)流焊爐設(shè)計(jì)中，加熱區(qū)，上下熱風(fēng)回流收集系統(tǒng)，也必須充惰性氣體清洗。水平對(duì)流焊爐系統(tǒng)不需要常規(guī)對(duì)流焊爐的熱風(fēng)回流收集系統(tǒng)及重新反饋輸送裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更可靠，成本也低。

4．焊劑管理系統(tǒng)

?? 傳統(tǒng)對(duì)流焊爐需要一個(gè)焊劑管理裝置，當(dāng)焊劑在PCB表面被揮發(fā)后，系統(tǒng)內(nèi)充滿這些揮發(fā)物的蒸氣，在溫度較低的冷表面冷凝?，F(xiàn)有的對(duì)流焊爐一般在系統(tǒng)有較冷部分如熱淚盈眶風(fēng)回流收集焊劑物。無(wú)法制止焊劑冷凝，系統(tǒng)內(nèi)的焊劑滴液?jiǎn)栴}應(yīng)建立嚴(yán)格的管理及清洗程序，需要使用焊劑管理系統(tǒng)與高價(jià)的冷凝器聚集焊劑蒸氣，液化并將其輸入接收裝置內(nèi)。

但水平對(duì)流焊爐系統(tǒng)，焊劑蒸氣嚴(yán)格在加熱區(qū)的范圍內(nèi)循環(huán)，蒸氣不與冷卻表面接觸，不會(huì)產(chǎn)生冷凝物。這樣減少了管理及清洗，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與操作成本降低。