回流焊工作原理和溫度曲線分析 - 全文

　　回流焊技術(shù)介紹

　　回流焊技術(shù)在電子制造領(lǐng)域并不陌生，我們電腦內(nèi)使用的各種板卡上的元件都是通過這種工藝焊接到線路板上的，這種設(shè)備的內(nèi)部有一個(gè)加熱電路，將空氣或氮?dú)饧訜岬阶銐蚋叩臏囟群蟠迪蛞呀?jīng)貼好元件的線路板，讓元件兩側(cè)的焊料融化后與主板粘結(jié)。這種工藝的優(yōu)勢(shì)是溫度易于控制，焊接過程中還能避免氧化，制造成本也更容易控制。

　　回流焊工作原理

　　由于電子產(chǎn)品PCB板不斷小型化的需要，出現(xiàn)了片狀元件，傳統(tǒng)的焊接方法已不能適應(yīng)需要。在混合集成電路板組裝中采用了回流焊，組裝焊接的元件多數(shù)為片狀電容、片狀電感，貼裝型晶體管及二管等。隨著SMT整個(gè)技術(shù)發(fā)展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件（SMD）的出現(xiàn)，作為貼裝技術(shù)部分的回流焊工藝技術(shù)及設(shè)備也得到相應(yīng)的發(fā)展，其應(yīng)用日趨廣泛，幾乎在所有電子產(chǎn)品域都已得到應(yīng)用?；亓骱甘怯⑽腞eflow是通過重新熔化預(yù)先分配到印制板焊盤上的膏裝軟釬焊料，實(shí)現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊?；亓骱甘菍⒃骷附拥絇CB板材上，回流焊是對(duì)表面帖裝器件的?；亓骱甘强繜釟饬鲗?duì)焊點(diǎn)的作用，膠狀的焊劑在定的高溫氣流下進(jìn)行物理反應(yīng)達(dá)到SMD的焊接；所以叫“回流焊”是因?yàn)闅怏w在焊機(jī)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生高溫達(dá)到焊接目的。

　　回流焊機(jī)工藝要求

　　回流焊技術(shù)在電子制造域并不陌生，我們電腦內(nèi)使用的各種板卡上的元件都是通過這種工藝焊接到線路板上的。這種工藝的優(yōu)勢(shì)是溫度易于控制，焊接過程中還能避免氧化，制造成本也更容易控制。這種設(shè)備的內(nèi)部有個(gè)加熱電路，將氮?dú)饧訜岬阶銐蚋叩臏囟群蟠迪蛞呀?jīng)貼好元件的線路板，讓元件兩側(cè)的焊料融化后與主板粘結(jié)。

　　1.要設(shè)置合理的回流焊溫度曲線并定期做溫度曲線的實(shí)時(shí)測(cè)試。

　　2.要按照PCB設(shè)計(jì)時(shí)的焊接方向進(jìn)行焊接。

　　3.焊接過程中嚴(yán)防傳送帶震動(dòng)。

　　4.必須對(duì)塊印制板的焊接效果進(jìn)行檢查。

　　5.焊接是否充分、焊點(diǎn)表面是否光滑、焊點(diǎn)形狀是否呈半月狀、錫球和殘留物的情況、連焊和虛焊的情況。還要檢查PCB表面顏色變化等情況。并根據(jù)檢查結(jié)果調(diào)整溫度曲線。在整批生產(chǎn)過程中要定時(shí)檢查焊接質(zhì)量。

　　影響回流焊工藝的因素

　　1.通常PLCC、QFP與個(gè)分立片狀元件相比熱容量要大，焊接大面積元件就比小元件更困難些。

　　2.在回流焊爐中傳送帶在周而復(fù)使傳送產(chǎn)品進(jìn)行回流焊的同時(shí)，也成為個(gè)散熱系統(tǒng)，此外在加熱部分的邊緣與中心散熱條件不同，邊緣般溫度偏低，爐內(nèi)除各溫區(qū)溫度要求不同外，同載面的溫度也差異。

　　3.產(chǎn)品裝載量不同的影響?；亓骱傅臏囟惹€的調(diào)整要考慮在空載，負(fù)載及不同負(fù)載因子情況下能得到良好的重復(fù)性。負(fù)載因子定義為：LF=L/（L+S）;其中L=組裝基板的長度，S=組裝基板的間隔。回流焊工藝要得到重復(fù)性好的結(jié)果，負(fù)載因子愈大愈困難。通?；亓骱笭t的大負(fù)載因子的范圍為0.5~0.9。這要根據(jù)產(chǎn)品情況（元件焊接密度、不同基板）和再流爐的不同型號(hào)來決定。要得到良好的焊接效果和重復(fù)性，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)很重要的。

　　回流焊機(jī)工藝流程介紹

　　回流焊加工的為表面貼裝的板，其流程比較復(fù)雜，可分為兩種：單面貼裝、雙面貼裝。

　　A，單面貼裝：預(yù)涂錫膏 → 貼片（分為手工貼裝和機(jī)器自動(dòng)貼裝） → 回流焊 → 檢查及電測(cè)試。

　　B，雙面貼裝：A面預(yù)涂錫膏 → 貼片（分為手工貼裝和機(jī)器自動(dòng)貼裝） → 回流焊 →B面預(yù)涂錫膏 →貼片（分為手工貼裝和機(jī)器自動(dòng)貼裝）→ 回流焊 → 檢查及電測(cè)試。

　　回流焊的簡單的流程是“絲印焊膏--貼片--回流焊，其核心是絲印的準(zhǔn)確，對(duì)貼片是由機(jī)器的PPM來定良率，回流焊是要控制溫度上升和高溫度及下降溫度曲線。”

　　回流焊的加熱過程

　　在SMT的發(fā)展過程中，回流焊設(shè)備先后經(jīng)過了氣相回流焊、熱板回流焊、紅外回流焊和熱風(fēng)回流焊等幾個(gè)發(fā)展階段。氣相回流焊、熱板回流焊基本沒有被廣泛使用，紅外回流焊也僅僅使用了幾年的時(shí)間，二十世紀(jì)八十年代后期基本就以熱風(fēng)回流焊和熱風(fēng)+紅外機(jī)型為主了。

　　紅外回流焊主要依靠紅外線進(jìn)行加熱，由于紅外線的顏色效應(yīng)，使得PCBA上不同部位存在較大的溫度差。為了減少焊接過程中PCBA的溫度不均勻性，多使用“Ramp-Soak-Spike”型的溫度曲線，如圖1所示，現(xiàn)在多把它稱為傳統(tǒng)型溫度曲線。而隨著全熱風(fēng)回流焊設(shè)備的使用，由于加熱效率的提升和溫度差的減小，逐漸改為“Ramp-Spike”型的溫度曲線，如圖2所示，這種形狀的溫度曲線也被稱為“帳篷”型溫度曲線。

　　全熱風(fēng)回流焊設(shè)備，盡管品牌很多，結(jié)構(gòu)各異，但熱風(fēng)的循環(huán)方式基本一樣，都是從風(fēng)口板吹出，再從爐子前后回去，如圖3所示。

　　PCBA的受熱過程一般為先表面后內(nèi)部。具體來講，就是回流焊設(shè)備將熱空氣吹到PCBA的表面，使其表面被加熱，再通過傳導(dǎo)的方式把熱量傳遞到PCBA內(nèi)部，如圖4所示。顯而易見，由于PCBA元器件布局的不均以及元器件封裝大小的不同，在加熱的起始過程，PCB和元器件各部位的溫度存在著差異，而這一差異會(huì)引起PCB和元器件封裝體的熱變形以及各焊點(diǎn)上焊膏開始熔化時(shí)間的不一致。

　　熱變形會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，焊膏熔化時(shí)間的不同會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)間的變長；

　　這兩點(diǎn)是PCBA回流焊接與單焊點(diǎn)焊接（如可焊性測(cè)試）、波峰焊接的最大不同，也是回流焊接必須根據(jù)PCBA熱特性設(shè)置溫度曲線的原因所在。

　　溫度曲線的熱過程分析

　　回流焊接中，焊膏的熱過程與元器件的熱變形過程是比較復(fù)雜的，特別是焊膏的熱過程，至今也有些問題還沒有完全搞清楚。但根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)，我們可以把它分為5個(gè)階段：即預(yù)熱升溫→預(yù)熱保溫→焊接升溫→焊接→冷卻，如圖5所示。

　　下面我們對(duì)各個(gè)階段進(jìn)行一下具體分析：

　　預(yù)熱（升溫和保溫）階段：傳統(tǒng)式的溫度曲線有明顯的兩個(gè)階段（升溫、均溫），而“帳篷”型的溫度曲線基本是一個(gè)緩慢的升溫過程。不論是哪種曲線，預(yù)熱過程主要解決三個(gè)問題：使大部分溶劑揮發(fā)，助焊劑活化和去除被焊接面的氧化物，使PCBA在焊接升溫前達(dá)到熱平衡。

　　這個(gè)階段溫度曲線的設(shè)計(jì)，主要考慮的是PCBA的熱平衡問題和焊膏的飛濺問題。

　　焊接升溫階段：一些問題容易被忽略，但事實(shí)上對(duì)焊接質(zhì)量的影響還是比較大的，比如立碑、芯吸、焊劑飛濺等缺陷大都發(fā)生在此階段；特別是在無鉛焊接工藝條件下，更是如此！從減少焊接缺陷的角度，我們希望這個(gè)階段的升溫速度越小越好。 焊接階段：主要完成三項(xiàng)任務(wù)：所有焊點(diǎn)達(dá)到焊接需要的最低溫度；焊料與被焊材料元素?cái)U(kuò)散，形成金屬間化合物（IMC）；大尺寸元件達(dá)到熱平衡，減少冷卻后焊點(diǎn)的應(yīng)力。完成這三項(xiàng)任務(wù)需要的條件就是焊接的峰值溫度與時(shí)間必須足夠?；亓骱附哟蟛糠值娜毕莓a(chǎn)生都在這個(gè)階段，具體來說就是溫度和時(shí)間設(shè)置上存在問題。

　　冷卻階段：對(duì)焊點(diǎn)的組織形態(tài)有很大的影響。我們知道，金屬的凝固速度越小，其晶體組織越粗，性能也越差。根據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)介紹，合適的冷卻速率大概為3～6℃/秒；但實(shí)際上，大部分靠過濾焊劑后的回用風(fēng)進(jìn)行冷卻的回流焊爐，其最大冷卻速率也就是2℃/秒左右。

　　如何設(shè)定回流焊溫度曲線

　　如何設(shè)定回流焊溫度曲線， 很多公司在生產(chǎn)和研發(fā)中已經(jīng)大量的應(yīng)用了 SMT 工藝和表面貼裝元器件（SMC ／SMD）。因此，焊接過程也就法避免的大量的使用回流焊機(jī)。廣晟德回流焊針對(duì)回流焊溫度曲線的整定談?wù)勑┚唧w的經(jīng)驗(yàn)和看法。

　　先我們要了解回流焊的幾個(gè)關(guān)鍵的地方及溫度的分區(qū)情況及回流焊的種類。

　　A．影響爐溫的關(guān)鍵地方是：

　　1：各溫區(qū)的溫度設(shè)定數(shù)值

　　2：各加熱馬達(dá)的溫差

　　3：鏈條及網(wǎng)帶的速度

　　4：錫膏的成份

　　5：PCB板的厚度及元件的大小和密度

　　6：加熱區(qū)的數(shù)量及回流焊的長度

　　7：加熱區(qū)的有效長度及泠卻的特點(diǎn)等

　　B.回流焊的分區(qū)情況：

　　1：預(yù)熱區(qū)（又名：升溫區(qū)）

　　2：恒溫區(qū)（保溫區(qū)/活性區(qū)）

　　3：回流區(qū)

　　4：泠卻區(qū)

　　根據(jù)什么設(shè)置回流焊機(jī)溫度曲線

　　1、根據(jù)使用焊錫膏的溫度曲線進(jìn)行設(shè)置。不同金屬含量的焊錫膏有不同的溫度曲線，應(yīng)按照焊錫膏生產(chǎn)廠商提供的溫度曲線進(jìn)行設(shè)置具體產(chǎn)品的回流焊溫度曲線；

　　2、根據(jù)PCB的材料、厚度、是否多層板、尺寸大小等；

　　3、根據(jù)表面組裝板搭載元器件的密度、元器件的大小以及有BGA、CSP等特殊元器件進(jìn)行設(shè)置。

　　4、根據(jù)設(shè)備的具體情況，例如：加熱區(qū)的長度、加熱源的材料、回（再）流焊爐的構(gòu)造和熱傳導(dǎo)方式等因素進(jìn)行設(shè)置。

　　鉛溫度分析：

　　鉛錫膏的熔點(diǎn)是217度，常見的鉛錫膏的成份為：Sn/Ag/Gu 其比率是：96.5/3.0/0.5 如圖（）所示：

　　（1）預(yù)熱區(qū)

　　預(yù)熱區(qū)升溫到175度，時(shí)間為100S左右，由此可得預(yù)熱區(qū)的升溫率（由于本測(cè)試儀是采用在線測(cè)試，所以從0—46S這段時(shí)間還沒有進(jìn)入預(yù)熱區(qū)，時(shí)間146-46=100S，由于室溫為26度 175-26=149度 升溫率為；149度/100S=1.49度/S）

　?。?）恒溫區(qū)

　　恒溫區(qū)的高溫度是200度左右，時(shí)間為80S，高溫度和低溫度差25度

　　（3）回流區(qū)

　　回流區(qū)的高溫度是245度，低溫度為200度，達(dá)到峰值的時(shí)間大概是35/S左右；回流區(qū)的升溫率為：45度/35S=1.3度/S 按照（如何正確的設(shè)定溫度曲線）可知：此溫度曲線達(dá)到峰值的時(shí)間太長。整個(gè)回流的時(shí)間大概是60S

　?。?）泠卻區(qū)

　　泠卻區(qū)的時(shí)間為100S左右，溫度由245度降到45度左右，泠卻的速度為：245度—45度=200度/100S=2度/S

　　圖二（鉛溫度曲線）

　　圖（二）所示：泠卻溫度曲線沒有同回流區(qū)升溫曲線呈鏡像關(guān)系（對(duì)稱分布）所以上圖并非為理想標(biāo)準(zhǔn)曲線

　　圖（三）理想標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線（黑線）