回流焊工藝技術(shù)研究

 回流焊接是表面貼裝技術(shù)（SMT）特有的重要工藝，焊接工藝質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響正常生產(chǎn)，也影響*終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。因此對回流焊工藝進(jìn)行深入研究，并據(jù)此開發(fā)合理的回流焊溫度曲線，是保證表面組裝質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

 影響回流焊工藝的因素很多，也很復(fù)雜，需要工藝人員在生產(chǎn)中不斷研究探討，本文將從多個方面來進(jìn)行探討。

 一、回流焊設(shè)備的發(fā)展
 在電子行業(yè)中，大量的表面組裝組件（SMA）通過回流焊機(jī)進(jìn)行焊接，目前回流焊的熱傳遞方式經(jīng)歷了遠(yuǎn)紅外線--全熱風(fēng)--紅外/熱風(fēng)二個階段。

  遠(yuǎn)紅外回流焊
  八十年代使用的遠(yuǎn)紅外流焊具有加熱快、節(jié)能、運作平穩(wěn)的特點，但由于印制板及各種元器件因材質(zhì)、色澤不同而對輻射熱吸收率有很大差異，造成電路上各種不同元器件測驗不同部位溫度不均勻，即局部溫差。例如集成電路的黑色塑料封裝體上會因輻射被吸收率高而過熱，而其焊接部位一銀白色引線上反而溫度低產(chǎn)生假焊。另外，印制板上熱輻射被阻擋的部位，例如在大（高）元器件陰影部位的焊接引腳或小元器件就會加熱不足而造成焊接**。

  全熱風(fēng)回流焊
  全熱風(fēng)回流焊是一種通過對流噴射管嘴或者耐熱風(fēng)機(jī)來迫使氣流循環(huán)，從而實現(xiàn)被焊件加熱的焊接方法。該類設(shè)備在90年代開始興起。由于采用此種加熱方式，印制板和元器件的溫度接近給定的加熱溫區(qū)的氣體溫度，完全克服了紅外回流焊的溫差和遮蔽效應(yīng)，故目前應(yīng)用較廣。

  在全熱風(fēng)回流焊設(shè)備中，循環(huán)氣體的對流速度至關(guān)重要。為確保循環(huán)氣體作用于印制板的任一區(qū)域，氣流必須具有足夠快的速度。這在一定程度上易造成印制板的抖動和元器件的移位。此外，采用此種加熱方式而言，效率較差，耗電較多。

  紅外熱風(fēng)回流焊
  這類回流焊爐是在IR爐基礎(chǔ)上加上熱風(fēng)使?fàn)t內(nèi)溫度更均勻，是目前較為理想的加熱方式。這類設(shè)備充分利用了紅外線穿透力強(qiáng)的特點，熱效率高，節(jié)電，同時有效克服了紅外回流焊的溫差和遮蔽效應(yīng)，并彌補(bǔ)了熱風(fēng)回流焊對氣體流速要求過快而造成的影響，因此這種IR+Hot的回流焊在國際上目前是使用*普遍的。

  隨著組裝密度的提高，精細(xì)間距組裝技術(shù)的出現(xiàn)，還出現(xiàn)了氮氣保護(hù)的回流焊爐。在氮氣保護(hù)條件下進(jìn)行焊接可防止氧化，提高焊接潤濕力潤濕速度加快，對未貼正的元件矯正人力，焊珠減少，更適合于免清洗工藝。

 二、溫度曲線的建立
 溫度曲線是指SMA通過回爐時，SMA上某一點的溫度隨時間變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方法，來分析某個元件在整個回流焊過程中的溫度變化情況。這對于獲得*佳的可焊性，避免由于超溫而對元件造成損壞，以及保證焊接質(zhì)量都非常有用。

  一個典型的溫度曲線如下圖所示。

  以下從預(yù)熱段開始進(jìn)行簡要分析：
  預(yù)熱段：
  該區(qū)域的目的是把室溫的PCB盡快加熱，以達(dá)到**個特定目標(biāo)，但升溫速率要控制在適當(dāng)范圍以內(nèi)，如果過快，會產(chǎn)生熱沖擊，電路板和元件都可能受損，過慢，則溶劑揮發(fā)不充分，影響焊接質(zhì)量。由于加熱速度較快，在溫區(qū)的后段SMA內(nèi)的溫差較大。為防止熱沖擊對元件的損傷。一般規(guī)定*大速度為40C/S。然而，通常上升速率設(shè)定為1~30C/S。典型的升溫度速率為20C/S.

  保溫段：
  是指溫度從1200C~1500C升至焊膏熔點的區(qū)域。保溫段的主要目的是使SMA內(nèi)各元件的溫度趨于穩(wěn)定，盡量減少溫差。在這個區(qū)域里給予足夠的時間使較大元件的溫度趕上較小元件，并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到保溫段結(jié)束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個電路板的溫度達(dá)到平衡。應(yīng)注意的是SMA上所有元件在這一段結(jié)束時應(yīng)具有相同的溫度，否則進(jìn)入到回流段將會因為各部分溫度不均產(chǎn)生各種**焊接現(xiàn)象。

  回流段:
  在這一區(qū)域里加熱器的溫度設(shè)置得*高，使組件的溫度快速上升至峰值溫度。在回流段其焊接峰值溫度視所用焊膏的不同而不同，一般推薦為焊膏為焊膏的溶點溫度加20-400C.對于熔點為1830C的63Sn/37Pb焊膏和熔點為1790C的Sn62/Pb36/Ag2膏焊，峰值溫度一般為210-2300C，再流時間不要過長，以防對SMA造成**影響。理想的溫度曲線是超過焊錫熔點的“**區(qū)”覆蓋的體積*小。

  冷卻段：
  這段中焊膏中的鉛錫粉末已經(jīng)熔化并充分潤濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來進(jìn)行冷卻，這樣將有助于得到明亮的焊點并有好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導(dǎo)致電路板的更多分解而進(jìn)入錫中，從而產(chǎn)生灰暗毛糙的焊點。在極端的情形下，它能引起沾錫**和弱焊點結(jié)合力。冷卻段降溫速率一般為3~100C/S,冷卻至750C即可。

  測量回流焊溫度曲線測試儀（以下簡稱測溫儀），其主體是扁平金屬盒子，一端插座接著幾個帶有細(xì)導(dǎo)線的微型熱電偶探頭。測量時可用焊料、膠粘劑、高溫膠帶固定在測試點上，打開測溫儀上的開關(guān)，測溫儀隨同被測印制板一起進(jìn)入爐腔，自動按內(nèi)編時間程序進(jìn)行采樣記錄。測試記錄完畢，將測試儀與打印機(jī)連接，便可打印出多根各種色彩的溫度曲線。測溫儀作為SMT工藝人員的眼睛與工具，在國外SMT行業(yè)中已相當(dāng)普遍地使用。

   在使用測溫儀時，應(yīng)注意以下幾點：
   1.測定時，必須使用已完全裝配過的板。首先對印制板元器件進(jìn)行熱特性分析，由于印制板受熱性能不同，元器件體積大小及材料差異等原因，各點實際受熱升溫不相同，長出*熱點，*冷點，分別設(shè)置熱電偶便何測量出*高溫度與*低溫度。
   2.盡可能多設(shè)置熱電偶測試點，以求**反映印制板各部分真實受熱狀態(tài)。例如印制板中心與邊緣受熱程度不一樣，大體積元件與小型元件熱容量不同及熱敏感元件都必須設(shè)置測試點。
   3.熱電偶探頭外形微小，必須用指定高溫焊料或膠粘劑固定在測試位置，否則受熱松動，偏離預(yù)定測試點，引起測試誤差。
   4.所用電池為鋰電池與可重復(fù)充電鎳鎘電池兩種。結(jié)合具體情況合理測試及時充電，以保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

 三、影響回流焊加熱不均勻的主要因素：
 在SMT回流焊工藝造成對元件加熱不均勻的原因主要有：回流焊元件熱容量或吸收熱量的差別，傳送帶或加熱器邊緣影響，回流焊產(chǎn)品負(fù)載等三個方面。
   1.通常PLCC、QFP與一個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，也成為一個散熱系統(tǒng)，此外在加熱部分的邊緣與中心散熱條件不同，邊緣一般溫度偏低，爐內(nèi)除各溫區(qū)溫度要求不同外，同一載面的溫度也差異。
  3.產(chǎn)品裝載量不同的影響。回流焊的溫度曲線的調(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來決定。要得到良好的焊接效果和重復(fù)性，實踐經(jīng)驗很重要的。

 四、與回流焊相關(guān)焊接缺陷的原因分析
  橋聯(lián)
  焊接加熱過程中也會產(chǎn)生焊料塌邊，這個情況出現(xiàn)在預(yù)熱和主加熱兩種場合，當(dāng)預(yù)熱溫度在幾十至一百范圍內(nèi)，作為焊料中成分之一的溶劑即會降低粘度而流出，如果其流出的趨是下分強(qiáng)烈的，會同時將焊料顆粒擠出焊區(qū)外的含金顆粒，在溶融時如不能返回到焊區(qū)內(nèi)，也會形成滯留焊料球。
  除上面的因素外SMD元件端電極是否平整良好，電路線路板布線設(shè)計與焊區(qū)間距是否規(guī)范，阻焊劑涂敷方法的選擇和其涂敷精度等會是造成橋接的原因。

  立碑（曼哈頓現(xiàn)象）
  片式元件在遭受急速加熱情況下發(fā)生的翹立，這是因為急熱元件兩端存在的溫差，電極端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤，而另一邊的焊料完全熔融而引起濕潤**，這樣促進(jìn)了元件的翹立。因此，加熱時要從時間要素的角度考慮，使水平方向的加熱形成均衡的溫度分布，避免急熱的產(chǎn)生。
   防止元件翹立的主要因素以下幾點：
   1.選擇粘力強(qiáng)的焊料，焊料的印刷精度和元件的貼裝精度也需提高。
  2.元件的外部電極需要有良好的濕潤性濕潤穩(wěn)定性。推薦：溫度400C以下，濕度70％RH以下，進(jìn)廠元件的使用期不可超過6個月。
  3.采用小的焊區(qū)寬度尺寸，以減少焊料溶融時對元件端部產(chǎn)生的表面張力。另外可適當(dāng)減小焊料的印刷厚度，如選用100um。
  4.焊接溫度管理條件設(shè)定對元件翹立也是一個因素。通常的目標(biāo)是加熱要均勻，特別是在元件兩連接端的焊接圓角形成之前，均衡加熱不可出現(xiàn)波動。

  潤濕**
  潤濕**是指焊接過程中焊料和電路基板的焊區(qū)（銅箔），或SMD的外部電極，經(jīng)浸潤后不生成相互間的反應(yīng)層，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊區(qū)表面受到污染或沾上阻焊劑，或是被接合物表面生成金屬化合物層而引起的。譬如銀的表面有硫化物，錫的表面有氧化物都會產(chǎn)生潤濕**。另外焊料中殘留的鋁、鋅、鎘等超過0.005％以上時，由于焊劑的吸濕作用使活化程度降低，也可發(fā)生潤濕**。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。選擇合適和焊料，并設(shè)定合理的焊接溫度曲線。

  回流焊接是SMT工藝中復(fù)雜而關(guān)鍵的工藝，涉及到自動控制、材料、流體力學(xué)和冶金等多種科學(xué)、要獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量，必須深入研究焊接工藝的方方面面。

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