回流焊是SMT生產(chǎn)中重要的工藝環(huán)節(jié)，它是一種自動(dòng)群焊過程，成千上萬個(gè)焊點(diǎn)在短短幾分鐘內(nèi)一次完成，其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，對(duì)于數(shù)字化的電子產(chǎn)品，產(chǎn)品的質(zhì)量幾乎就是焊接的質(zhì)量。做好回流焊接，人們都知道關(guān)鍵是設(shè)定回流爐的爐溫曲線，有關(guān)回流爐的爐溫曲線，許多專業(yè)文童中均有報(bào)導(dǎo)，但面對(duì)一臺(tái)新的回流爐，如何盡快設(shè)定回流爐溫度曲線呢？這就需要我們首先對(duì)所使用的錫膏中金屬成分與焙點(diǎn)、活性溫度等特性有一個(gè)全面了解，對(duì)回流爐的結(jié)構(gòu)，包括加熱溫區(qū)的數(shù)量、熱風(fēng)系統(tǒng)、加熱器的尺寸及其控溫精度、加熱區(qū)的有效長(zhǎng)度、冷卻區(qū)特點(diǎn)、傳送系統(tǒng)等應(yīng)有一個(gè)全面認(rèn)識(shí)，以及對(duì)焊接對(duì)象一表面貼裝組件（ SMA ）尺寸、組件大小及其分布做到心中有數(shù)，不難看出，回流焊是SMT工藝中復(fù)雜而又關(guān)鍵的一環(huán)，它涉及到材料、設(shè)備、熱傳導(dǎo)、焊接等方面的知識(shí)。

本文將從分析典型的焊接溫度曲線入手，較為詳細(xì)地介紹如何正確設(shè)定回流爐溫度曲線，并實(shí)際介紹 BGA 以及雙面回流焊的溫度曲線的設(shè)定。

理想的溫度曲線

圖 1 是中溫錫膏（ Sn63 / Sn62 ）理想的紅外回流溫度曲線，它反映了 SMA 通過回流爐時(shí)， PCB 上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線，它能直觀反映出該點(diǎn)在整個(gè)焊接過程中的溫度變化，為獲得最佳焊接效果提供了科學(xué)的依據(jù)，從事 SMT焊接的工程技術(shù)人員，應(yīng)對(duì)理想的溫度曲線有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，該曲線由四個(gè)區(qū)間組成，即預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)/活性區(qū)、回流區(qū)、冷卻區(qū)，前三個(gè)階段為加熱區(qū)，最后一階段為冷卻區(qū)，大部分焊錫膏都能用這四個(gè)溫區(qū)成功實(shí)現(xiàn)回流焊。故紅外回流爐均設(shè)有 4 - 5 個(gè)溫度，以適應(yīng)焊接的需要。

為了加深對(duì)理想的溫度曲線的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)將各區(qū)的溫度、停留時(shí)間以及焊錫膏在各區(qū)的變化情況，介紹如下： 

1 、預(yù)熱區(qū)

預(yù)熱區(qū)通常指由室溫升至 150 ℃ 左右的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域， SMA 平穩(wěn)升溫，在預(yù)熱區(qū)，焊膏中的部分溶劑能夠及時(shí)揮發(fā)，元器件特別是 Ic 器件緩緩升溫，以適應(yīng)以后的高溫。但 SMA 表面由于元器件大小不一，其溫度有不均勻現(xiàn)象，在預(yù)熱區(qū)升溫的速率通?？刂圃?1.5 ℃ -3 ℃/ sec。若升溫太快，由于熱應(yīng)力的作用，導(dǎo)致陶瓷電容的細(xì)微裂紋、 PCB 變形、 IC 芯片損壞，同時(shí)錫膏中溶劑揮發(fā)太快，導(dǎo)致飛珠的發(fā)生。爐子的預(yù)熱區(qū)一般占加熱信道長(zhǎng)度的 1 / 4 - 1 / 3 ，其停留時(shí)間計(jì)算如下：設(shè)環(huán)境溫度為 25 ℃ ，若升溫速率按 3 ℃／sec 。計(jì)算則（ 150 一 25 ) / 3 即為 42 sec ，若升溫速率按 1. 5 ℃／ sec 。計(jì)算則（ 150 一 25 ) / 1 . 5 即為 85sec。通常根據(jù)組件大小差異程度調(diào)整時(shí)間以調(diào)控升溫速率在 2 ℃ ／ sec。以下為最佳。

2 、保溫區(qū)／活性區(qū)

保溫區(qū)又稱活性區(qū)，在保溫區(qū)溫度通常維持在 150 ℃ 士 10 ℃ 的區(qū)域，此時(shí)錫膏處于熔化前夕，焊膏中的揮發(fā)物進(jìn)一步被去除，活化劑開始激活，并有效地去除焊接表面的氧化物， SMA 表面溫度受熱風(fēng)對(duì)流的影響，不同大小、不同質(zhì)地的元器件溫度能保持均勻，板面溫度差 △T 接近最小值，曲線形態(tài)接近水平狀，它也是評(píng)估回流爐工藝性的一個(gè)窗口，選擇能維持平坦活性溫度曲線的爐子將提高 sMA 的焊接效果，特別是防止立碑缺陷的產(chǎn)生。通常保溫區(qū)在爐子的二、三區(qū)之間，維持時(shí)間約 6 0-120s，若時(shí)間過長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致錫膏氧化問題，以致焊接后飛珠增多。

3 、回流區(qū)

回流區(qū)的溫度最高， SMA 進(jìn)入該區(qū)后迅速升溫，并超出錫膏熔點(diǎn)約 30 ℃ 一 40 ℃ ，即板面溫度瞬時(shí)達(dá)到 215 ℃ 一 225 ℃ （此溫度又稱之為峰值溫度），時(shí)間約為 5 一 10sec ，在回流區(qū)焊膏很快熔化，并迅速潤(rùn)濕焊盤，隨看溫度的進(jìn)一步提高，焊料表面張力降低，焊料爬至組件引腳的一定高度，形成一個(gè)彎月面。從微觀上看，此時(shí)焊料中的錫與焊盤中的銅或金由于擴(kuò)散作用而形成金屬間化合物，以錫銅合金為例，當(dāng)錫膏熔化后，并迅速潤(rùn)濕銅層，錫原子與銅原子在其界面上互相滲透初期 Sn - - Cu 合金的結(jié)構(gòu)為 Cu6Sn5 ，其厚度為 1 一 3μ , 若時(shí)間過長(zhǎng)、溫度過高時(shí)， Cu原子進(jìn)一步滲透到Cu6Sn5 中，其局部組織將由 Cu6Sn5 轉(zhuǎn)變?yōu)?Cu3Sn 合金，前者合金焊接強(qiáng)度高，導(dǎo)電性能好，而后者則呈脆性，焊接強(qiáng)度低、導(dǎo)電性能差， SMA 在回流區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)鼓溫度超高會(huì)造成 PCB 板面發(fā)黃、起泡、以致元器件損壞。 SMA在理想的溫度下回流， PCB色質(zhì)保持原貌，焊點(diǎn)光亮。在回流區(qū)，錫膏熔化后產(chǎn)生的表面張力能適度校準(zhǔn)由貼片過程中引起的元器件引腳偏移，但也會(huì)由于焊盤設(shè)計(jì)不正確引起多種焊接缺陷，如立碑、橋聯(lián)等?；亓鲄^(qū)的升溫速率控制在 2.5 -3 ℃／sec ,一般應(yīng)在 25sec一 30sec 內(nèi)達(dá)到峰值溫度。

4 、冷卻區(qū)

SMA 運(yùn)行到冷卻區(qū)后，焊點(diǎn)迅速降溫，焊料凝固。焊點(diǎn)迅速冷卻可使焊料晶格細(xì)化，結(jié)合強(qiáng)度提高，焊點(diǎn)光亮，表面連續(xù)呈彎月面狀。通常冷卻的方法是在回流爐出口處安裝風(fēng)扇，強(qiáng)行冷卻。新型的回流爐則設(shè)有冷卻區(qū)，并采用水冷載風(fēng)冷。理想的冷卻曲線同回流區(qū)升溫曲線呈鏡面對(duì)稱分布。在大生產(chǎn)中，每個(gè)產(chǎn)品的實(shí)際工作曲線，應(yīng)根據(jù) SMA 大小、組件的多少及品種反復(fù)調(diào)節(jié)才能獲得，從時(shí)間上看，整個(gè)回流時(shí)間為 175sec 一 295sec即 3 分鐘-5分鐘左右，（不包括進(jìn)入第一溫區(qū)前的時(shí)間）。

溫度曲線的設(shè)定

1 、測(cè)試工具：在開始測(cè)定溫度曲線之前，需要有溫度測(cè)試儀，以及與之相配合的熱電偶，高溫焊錫絲、高溫膠帶以及待測(cè)的 SMA ，當(dāng)然有的回流爐自身帶有溫度測(cè)試儀，（設(shè)在爐體內(nèi)），但因附帶的熱電偶較長(zhǎng)，使用不方便，不如專用溫度測(cè)試記錄儀方便。特別這類測(cè)試儀所用的小直徑熱電偶，熱量小、響應(yīng)快、得到的結(jié)果精確。

 2 、熱電偶的位置與固定熱電偶的焊接位置也是一個(gè)應(yīng)認(rèn)真考慮的問題，其原則是對(duì)熱容量大的組件焊盤處別忘了放置熱電偶，見圖 2 ，此外對(duì)熱敏感組件的外殼， PCB 上空檔處也應(yīng)放置熱電偶，以觀察板面溫度分布狀況。

將熱電偶固定在PCB上最好的方法是采用高溫焊料(Sn96Ag4)焊接在所需測(cè)量溫度的地方，此外還可用高溫膠帶固定，但效果沒有直接焊接的效果好?？傊鶕?jù)SMA大小咲及復(fù)雜減度設(shè)有3個(gè)或更多的電偶。電偶數(shù)量越多，其對(duì)了解SMA板面的受熱情況越全面。

3、 錫膏性能

對(duì)于所使用錫膏的性能參數(shù)也是必須考慮的因素之一，首先是考慮到其合金的熔點(diǎn)，即回流區(qū)溫度應(yīng)高于合金熔點(diǎn)的30-40℃。其次應(yīng)考慮錫膏的活性溫度嘆及持續(xù)的時(shí)間，有條件時(shí)應(yīng)與錫膏供應(yīng)商了解，也可以參考供應(yīng)商提供的溫度曲線。

4、 爐子的結(jié)構(gòu)

對(duì)于首次使用的回流爐，應(yīng)首先考察一下爐子的結(jié)構(gòu)。看一看有幾個(gè)溫區(qū)，有幾塊發(fā)熱體，是否獨(dú)立控溫。熱電偶放墨在何處。熱風(fēng)的形成與特點(diǎn)，是否構(gòu)成溫區(qū)內(nèi)循環(huán)，風(fēng)速是否可調(diào)節(jié)。每個(gè)加熱區(qū)的長(zhǎng)度以及加熱溫區(qū)的總長(zhǎng)度。目前使用的紅外回流爐，一般有四個(gè)溫區(qū)，每個(gè)加熱區(qū)有上下獨(dú)立發(fā)熱體。熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)各不相同，但基本上能保持各溫區(qū)獨(dú)立循環(huán)。通常第一溫區(qū)為預(yù)熱區(qū)，第二、三溫區(qū)為保溫區(qū)，第四溫區(qū)為回流區(qū)，冷卻溫區(qū)為爐外強(qiáng)制冷風(fēng)，近幾年來也出現(xiàn)將冷卻區(qū)設(shè)在爐內(nèi)，并采用水冷卻系統(tǒng)。當(dāng)然這類爐子其溫區(qū)相應(yīng)增多，以至出現(xiàn)八溫區(qū)以上的回流爐。隨著溫區(qū)的増多，其溫度曲線的輪廓與爐子的溫度設(shè)蚤將更加接近，這將會(huì)方便于爐溫的調(diào)節(jié)。但隨著爐子溫區(qū)増多，在生產(chǎn)能力増加的同時(shí)其能耗増大、費(fèi)用增多。

5、 爐子的帶速

設(shè)定溫度曲線的第一個(gè)考慮的參數(shù)是傳輸帶的速度設(shè)定，故應(yīng)首先測(cè)量爐子的加熱區(qū)總長(zhǎng)度，再根據(jù)所加工的SMA尺寸大小、元器件多少以及元器件大小或熱容量的大小決定SMA在抑熱區(qū)所運(yùn)行的時(shí)間。正如前節(jié)所說，理想爐溫曲線所需的焊接時(shí)間約為3-5分鐘，因此不難看出有了加熱區(qū)的長(zhǎng)度，以及所需時(shí)間，就可以方便地計(jì)算出回流爐運(yùn)行速度。

各區(qū)溫度設(shè)定：

接下來必須設(shè)定各個(gè)區(qū)的溫度，通常回流爐儀表顯示的溫度僅代表各加熱器內(nèi)熱電偶所處位置的溫度，并不等于SMA經(jīng)過該溫區(qū)時(shí)其扳面上的溫度。如果,熱電偶越靠近加熱源，顯示溫度會(huì)明顯高于相應(yīng)的區(qū)間溫度，熱電偶越靠近PCB的運(yùn)行信道，顯示溫度將越能反應(yīng)區(qū)間溫度，因此可打開回流爐上蓋了解熱電偶所設(shè)定的位墨。當(dāng)然也可以用一塊試驗(yàn)板進(jìn)行模擬測(cè)驗(yàn)，找出PCB上溫度與表溫設(shè)定的關(guān)系，通過幾次反復(fù)試驗(yàn)，最終可以找出規(guī)律。當(dāng)速度與溫度確定后，再適當(dāng)調(diào)節(jié)其它參數(shù)如冷卻風(fēng)扇速度，強(qiáng)制空氣或N2流量，并可以正式使用所加工的SNA進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)實(shí)測(cè)的結(jié)果與理論溫度曲線相比較或與錫膏供應(yīng)商提供的曲線相比較。并結(jié)合環(huán)境溫度、回流峰值溫度、焊接效果、以及生產(chǎn)能力適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)。最后將爐子的參數(shù)記錄或儲(chǔ)存以備后用。雖然這個(gè)過程開始較慢和費(fèi)力，但最終可以以此為依據(jù)取得熟練設(shè)定爐溫曲線的能力。

兩種典型的溫度曲線設(shè)定

1、BGA焊接溫度的設(shè)定

BGA是近幾年使用較多的封裝器件，由于它的引腳均處于封裝體的下方，因?yàn)楹更c(diǎn)間距較大(1.27mm)焊接后不易出現(xiàn)橋連缺陷，但也帶來一些新問題，即焊點(diǎn)易出現(xiàn)空洞或氣泡，而在QFP或PLCC器件的焊接中，這類缺陷相對(duì)的要少得多。就其原因來說這與BGA焊點(diǎn)在其下方陰影效應(yīng)大有關(guān)。故會(huì)出現(xiàn)實(shí)際焊接溫度比其它元器件焊接溫度要低的現(xiàn)狀，此時(shí)錫膏中滾劑得不到有效的揮發(fā)，包裏在焊料中。圖3為實(shí)際測(cè)量到的BGA器件焊接溫度。圖中，第一根溫度曲線為BGA外側(cè)，第二根溫度曲線為BGA焊盤上，它是通過在PCB上開一小槽，并將熱電偶伸入其中，兩溫度上升為同步上升，但第二根溫度曲線顯示出的溫度要低8℃左右,這是BGA體積較大，其熱容量也較大的緣故，故反映出組件體內(nèi)的溫度要低，這就告訴我們，盡管熱電偶放在BGA體的外側(cè)仍不能如實(shí)地反映出BGA焊點(diǎn)處的溫度。因此實(shí)際工作中應(yīng)盡可能地將熱電偶伸入到BGA體下方，并調(diào)節(jié)BGA的焊接溫度使它與其它組件溫度相兼容。

2、雙面板焊接溫度的淞

早期對(duì)雙面板回流焊接時(shí)，通常要求設(shè)計(jì)人員將器件放在PCB的一側(cè)，而將阻容組件放在另一側(cè)，其目的是防止第二面焊接時(shí)組件在二次高溫時(shí)會(huì)脫落。但隨著布線密度的増大或SMA功能的増多，PCB雙面布有器件的產(chǎn)品越來越多，這就要求我們?cè)谡{(diào)節(jié)爐溫曲線時(shí)，不僅在焊接面設(shè)定熱電偶而且在反面也應(yīng)設(shè)定熱電偶，并做到在焊接面的溫度曲線符合要求的同時(shí)，SMA反面的溫度最高值不應(yīng)超過錫膏熔化溫度（17913）,見圖4

從圖中看出當(dāng)焊接面的溫度達(dá)到2i5匕時(shí)反面最高溫度僅為165匕，未達(dá)到焊膏熔化溫度。此時(shí)SMA反面即使有大的元器件，也不會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

常見有缺陷的溫度曲線

下列溫度曲線是設(shè)定時(shí)常見的缺陷：

1、活性區(qū)溫度梯度過大

立碑是片式組件常見的焊接缺陷，引起的原因是由于組件焊盤上的錫膏熔化時(shí)潤(rùn)濕力不平衡，導(dǎo)致組件兩端的力距不平衡故易引起組件立碑。引起立碑的原因有多方面，其中兩焊盤上的溫度不一致是其原因之一。圖5所示的溫度曲線表明活性區(qū)溫度梯度過大，這意味著PCB板面溫度差過大，特別是靠近大器件四周的阻容組件兩端溫度受熱不平衡，錫膏熔化時(shí)間有一個(gè)延遲故易引起立碑缺陷。解決的方法是調(diào)整活性區(qū)的溫度。

2、活性區(qū)溫度過低

圖6所示的溫度曲線表明，活性區(qū)溫度過低，此時(shí)易引起錫膏中滾劑得不到充分揮發(fā)，當(dāng)?shù)交亓鲄^(qū)時(shí)錫膏中滾劑受高溫易引起激烈揮發(fā)，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致飛珠的形成。

3、回流區(qū)溫度過高或過低

圖7中曲線1所不的溫度曲線表明回流溫度過咼，易造成PCB以及兀器件損傷，應(yīng)降低回流區(qū)溫度，而曲線2所示的溫度表明回流溫度過低。此時(shí)焊料雖已熔化，但流動(dòng)性差。焊料不能充分潤(rùn)濕，故易引起虛焊或冷焊。

4、熱電耦出故障

圖8所示溫度曲線，曲線出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，曲線如鋸齒狀，這通常是由于用來測(cè)試溫度的熱電耦出現(xiàn)故障。

綜上所述，面對(duì)首次使用的回流爐，當(dāng)測(cè)試溫度曲線時(shí)，應(yīng)對(duì)回流爐的結(jié)構(gòu)、錫膏性能、SNA的大小及元器件的分布等全面了解。首先設(shè)定帶速，然后調(diào)節(jié)溫度，并與理想溫度曲線比較，反復(fù)調(diào)節(jié)，就能得到實(shí)際產(chǎn)品所需要的溫度曲線和満意的焊接效果。