可用如下方程來描述熱能從氣流傳遞到電路板的過程，q = 傳遞到電路板上的熱能; a = 電路板和組件的對流熱傳遞系數(shù); t = 電路板的加熱時間; A = 傳熱表面積 ; ΔT = 對流氣體和電路板之間的溫度差 我們將電路板相關(guān)參數(shù)移到公式的一側(cè)，并將回流焊爐參數(shù)移到另一側(cè)，可得到如下公式： q = a | t | A | | T
) f! F/ j$ }3 T% |- j3 L# {; q雙軌回流焊PCB已經(jīng)相當(dāng)普及，并在逐漸變得復(fù)那時起來，它得以如此普及，主要原因是它給設(shè)計者提供了極為良好的彈性空間，從而設(shè)計出更為小巧，緊湊的低成本的產(chǎn)品。到今天為止，雙軌回流焊板一般都有通過回流焊接上面（元件面），然后通過波峰焊來焊接下面（引腳面）。目前的一個趨勢傾向于雙軌回流焊回流焊，但是這個工藝制程仍存在一些問題。大板的底部元件可能會在第二次回流焊過程中掉落，或者底部焊接點的部分熔融而造成焊點的可靠性問題。
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2 o2 z! `. ?8 M' N7 {2 l1 r2 j1 o2、回流焊流程介紹
/ |7 e6 x8 X* {6 [9 z v" c. P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。
0 L8 q/ U! m( r2 S% U, U- eA，單面貼裝：預(yù)涂錫膏 → 貼片（分為手工貼裝和機器自動貼裝） → 回流焊 → 檢查及電測試。
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B，雙面貼裝：A面預(yù)涂錫膏 → 貼片（分為手工貼裝和機器自動貼裝） → 回流焊 →B面預(yù)涂錫膏 →貼片（分為手工貼裝和機器自動貼裝）→ 回流焊 → 檢查及電測試。
: q& [6 N* {; a8 z9 r4 N回流焊的最簡單的流程是"絲印焊膏--貼片--回流焊，其核心是絲印的準確，對貼片是由機器的PPM來定良率，回流焊是要控制溫度上升和最高溫度及下降溫度曲線。
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回流焊工藝要求, [5 I, _8 G' m+ x2 l2 P
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。這種工藝的優(yōu)勢是溫度易于控制，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)部有一個加熱電路，將氮氣加熱到足夠高的溫度后吹向已經(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)。
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1、要設(shè)置合理的再流焊溫度曲線并定期做溫度曲線的實時測試。
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2、要按照
pcb設(shè)計時的焊接方向進行焊接。
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3、焊接過程中嚴防傳送帶震動。
! M' o1 s- `; j1 n: e$ T5 j4、必須對首塊印制板的焊接效果進行檢查。
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5、焊接是否充分、焊點表面是否光滑、焊點形狀是否呈半月狀、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)過程中要定時檢查焊接質(zhì)量。
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影響工藝的因素：
4 D' B: X0 D8 A" |6 ~2 v! O7 |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。
) F0 p2 N% ^5 c2、在回流焊爐中傳送帶在周而復(fù)使傳送產(chǎn)品進行回流焊的同時，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。
0 [% T; Y( V9 A+ T4 D3、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，負載及不同負載因子情況下能得到良好的重復(fù)性。負載因子定義為： LF=L/(L+S);其中L=組裝基板的長度，S=組裝基板的間隔�；亓骱腹に囈玫街貜�(fù)性好的結(jié)果，負載因子愈大愈困難。通�；亓骱笭t的最大負載因子的范圍為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。
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回流焊是smt工藝的核心技術(shù)，PCB上所有的電子元器件通過整體加熱一次性焊接完成，電子廠SMT生產(chǎn)線的質(zhì)量控制占絕對分量的工作最后都是為了獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量。設(shè)定好溫度曲線，就管好了爐子，這是所有PE都知道的事。很多文獻與資料都提到回流焊溫度曲線的設(shè)置。對于一款新產(chǎn)品、新爐子、新錫膏，如何快速設(shè)定回流焊溫度曲線？這需要我們對溫度曲線的概念和錫膏焊接原理有基本的認識。
* b2 j& b- b3 \6 a9 y/ {本文以最常用的無鉛錫膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5錫銀銅合金為例，介紹理想的回流焊溫度曲線設(shè)定方案和分析其原理。如圖一 ：
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圖一 SAC305無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖 圖一所示為典型的SAC305合金無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖。圖中黃、橙、綠、紫、藍和黑6條曲線即為溫度曲線。構(gòu)成曲線的每一個點代表了對應(yīng)PCB上測溫點在過爐時相應(yīng)時間測得的溫度。隨著時間連續(xù)的記錄即時溫度，把這些點連接起來，就得到了連續(xù)變化的曲線。也可以看做PCB上測試點的溫度在爐子內(nèi)隨著時間變化的過程。
4 T7 D- a! y" H" e+ G/ ~. ~8 R% S那么，我們把這個曲線分成4個區(qū)域，就得到了PCB在通過回流焊時某一個區(qū)域所經(jīng)歷的時間。在這里，我們還要闡明另一個概念“斜率①”。用PCB通過回流焊某個區(qū)域的時間除以這個時間段內(nèi)溫度變化的絕對值，所得到的值即為“斜率”。引入斜率的概念是為了表示PCB受熱后升溫的速率，它是溫度曲線中重要的工藝參數(shù)。圖中A、B、C、D四個區(qū)段，分別為定義為A：升溫區(qū) ，B：預(yù)熱恒溫區(qū)（保溫區(qū)或活化區(qū)），C：回流焊接區(qū)（焊接區(qū)或Reflow區(qū)），D：冷卻區(qū)。
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! \3 H+ _, u/ [8 Q繼續(xù)深入解析個區(qū)段的設(shè)置與意義：5 ~! m3 {4 v6 N P4 g- s( i% m
2 r9 m6 u/ T$ |& D' D% s一．升溫區(qū)A
6 I+ Z' y, c' i1 jPCB進入回流焊鏈條或網(wǎng)帶，從室溫開始受熱到150℃的區(qū)域叫做升溫區(qū)。升溫區(qū)的時間設(shè)置在60-90秒，斜率控制在2-4之間。
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此區(qū)域內(nèi)PCB板上的元器件溫度相對較快的線性上升，錫膏中的低沸點溶劑開始部分揮發(fā)。若斜率太大，升溫速率過快，錫膏勢必由于低沸點溶劑的快速揮發(fā)或者水氣迅速沸騰而發(fā)生飛濺，從而在爐后發(fā)生“錫珠”缺陷。過大的斜率也會由于熱應(yīng)力的原因造成例如陶瓷電容微裂、PCB板變形曲翹、BGA內(nèi)部損壞等機械損傷。
M6 F0 S- }- i( X升溫過快的另一個不良后果就是錫膏無法承受較大的熱沖擊而發(fā)生坍塌，這是造成“短路”的原因之一。長期對制造廠的服務(wù)跟蹤，很多廠商的SMT線該區(qū)域的斜率實際控制在1.5-2.5之間能得到滿意的效果。由于各個板載貼裝的元器件尺寸、質(zhì)量不一，在升溫區(qū)結(jié)束時，大小元器件之間的溫度差異相對較大。
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二．預(yù)熱恒溫區(qū)B
6 f0 C% B! j2 d5 z! k" O此區(qū)域在很多文獻和供應(yīng)商資料中也稱為保溫區(qū)、活化區(qū)。
) l# I' S$ Q; n6 c4 {該區(qū)域PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃，時間窗口在60-120秒之間。PCB板上各個部分緩緩受到熱風(fēng)加熱，溫度隨時間緩慢上升。斜率在0.3-0.8之間。
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此時錫膏中的有機溶劑繼續(xù)揮發(fā)�；钚晕镔|(zhì)被溫度激活開始發(fā)揮作用，清除焊盤表面、零件腳和錫粉合金粉末中的氧化物。恒溫區(qū)被設(shè)計成平緩升溫的目的是為了兼顧PCB上貼裝的大小不一的元器件能均勻升溫。讓不同尺寸和材料的元器件之間的溫度差逐漸減小，在錫膏熔融之前達到最小的溫差，為在下一個溫度分區(qū)內(nèi)熔融焊接做好準備。這是防止“墓碑”缺陷的重要方法。眾多無鉛錫膏廠商的SAC305合金錫膏配方里活性劑的活化溫度大都在150-200℃之間，這也是本溫度曲線在這個溫度區(qū)間內(nèi)預(yù)熱的原因之一。
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需要注意的是：1、預(yù)熱時間過短�；钚詣叟c氧化物反應(yīng)時間不夠，被焊物表面的氧化物未能有效清除。錫膏中的水氣未能完全緩慢蒸發(fā)、低沸點溶劑揮發(fā)量不足，這將導(dǎo)致焊接時溶劑猛烈沸騰而發(fā)生飛濺產(chǎn)生“錫珠”。潤濕不足，可能會產(chǎn)生浸潤不足的“少錫”“虛焊”、“空焊”、“漏銅”的不良。2、預(yù)熱時間過長。活性劑消耗過度，在下一個溫度區(qū)域焊接區(qū)熔融時沒有足夠的活性劑即時清除與隔離高溫產(chǎn)生的氧化物和助焊劑高溫碳化的殘留物。這種情況在爐后的也會表現(xiàn)出“虛焊”、“殘留物發(fā)黑”、“焊點灰暗”等不良現(xiàn)象。
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三．回流焊接區(qū)C
; Y4 L5 \, K2 X( x/ {+ d1 K$ x回流區(qū)又叫焊接區(qū)或Refelow區(qū)。
4 A% ~/ [1 T: E9 ^SAC305合金的熔點在217℃-218℃之間④，所以本區(qū)域為＞217℃的時間，峰值溫度＜245℃，時間30-70秒。形成優(yōu)質(zhì)焊點的溫度一般在焊料熔點之上15-30℃左右，所以回流區(qū)最低峰值溫度應(yīng)該設(shè)置在230℃以上�？紤]到Sn96.5Ag3.0Cu0.5無鉛錫膏的熔點已經(jīng)在217℃以上，為照顧到PCB和元器件不受高溫損壞，峰值溫度最高應(yīng)控制在250℃以下，筆者所見大部分工廠實際峰值溫度最高在245℃以下。
1 K* R, ]/ r: ?+ G3 w' ~9 g" f預(yù)熱區(qū)結(jié)束后，PCB板上溫度以相對較快的速率上升到錫粉合金液相線，此時焊料開始熔融，繼續(xù)線性升溫到峰值溫度后保持一段時間后開始下降到固相線。
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此時錫膏中的各種組分全面發(fā)揮作用：松香或樹脂軟化并在焊料周圍形成一層保護膜與氧氣隔絕。表面活性劑被激活用于降低焊料和被焊面之間的表面張力，增強液態(tài)焊料的潤濕力�；钚詣├^續(xù)與氧化物反應(yīng)，不斷清除高溫產(chǎn)生的氧化物與被碳化物并提供部分流動性，直到反應(yīng)完全結(jié)束。部分添加劑在高溫下分解并揮發(fā)不留下殘留物。高沸點溶劑隨著時間不斷揮發(fā)，并在回焊結(jié)束時完全揮發(fā)。穩(wěn)定劑均勻分布于金屬中和焊點表面保護焊點不受氧化。焊料粉末從固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，并隨著焊劑潤濕擴展。少量不同的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)金屬間化合物，如典型的錫銀銅合金會有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。
; l( {+ I, z2 V) t5 E6 e' Z: P9 ?( h回焊區(qū)是溫度曲線中最核心的區(qū)段。峰值溫度過低、時間過短，液態(tài)焊料沒有足夠的時間流動潤濕，造成“冷焊”、“虛焊”、“浸潤不良（漏銅）”、“焊點不光亮”和“殘留物多”等缺陷；峰值溫度過高或時間過長，造成“PCB板變形”、“元器件熱損壞”、“殘留物發(fā)黑”等等缺陷。它需要在峰值溫度、PCB板和元器件能承受的溫度上限與時間、形成最佳焊接效果的熔融時間之間尋求平衡，以期獲得理想的焊點。
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6 d; @8 R) ^3 L% S# P四．冷卻區(qū)D" Q* U' E, d6 `8 I4 j7 j P' w
焊點溫度從液相線開始向下降低的區(qū)段稱為冷卻區(qū)。通常SAC305合金錫膏的冷卻區(qū)一般認為是217℃-170℃之間的時間段（也有的文獻提出最低到150℃）。
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由于液態(tài)焊料降溫到液相線以下后就形成固態(tài)焊點，形成焊點后的質(zhì)量短期內(nèi)肉眼無法判斷，所以很多工廠往往不是很重視冷卻區(qū)的設(shè)定。然而焊點的冷卻速率關(guān)乎焊點的長期可靠性，不能不認真對待。
5 J$ k5 z7 @& D* E, e N* X冷卻區(qū)的管控要點主要是冷卻速率。經(jīng)過很多焊錫實驗室研究得出的結(jié)論：快速降溫有利于得到穩(wěn)定可靠的焊點。
2 f1 c& I7 }, u0 F( Z通常人們的直覺認為應(yīng)該緩慢降溫，以抵消各元器件和焊點的熱沖擊。然而，回流焊錫膏釬焊慢速冷卻會形成更多粗大的晶粒，在焊點界面層和內(nèi)部生較大Ag3Sn、Cu6Sn5等金屬間化合物顆粒。降低焊點機械強度和熱循環(huán)壽命，并且有可能造成焊點灰暗光澤度低甚至無光澤。
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快速的冷卻能形成平滑均勻而薄的金屬間化物，形成細小富錫枝狀晶和錫基體中彌散的細小晶粒，使焊點力學(xué)性能和可靠性得到明顯的提升與改善。
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生產(chǎn)應(yīng)用中，并不是冷卻速率越大越好。要結(jié)合回流焊設(shè)備的冷卻能力、板子、元器件和焊點能承受的熱沖擊來考量。應(yīng)該在保證焊點質(zhì)量時不損害板子和元器件之間尋求平衡。最小冷卻速率應(yīng)該在2.5℃以上，最佳冷卻速率在3℃以上。考慮到元器件和PCB能承受的熱沖擊，最大冷卻速率應(yīng)該控制在6-10℃。工廠在選擇設(shè)備時，最好選擇帶水冷功能的回流焊而獲得較強的冷卻能力儲備。
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3、回流焊技術(shù)有那些優(yōu)勢？: `* f/ ]& _* O, z# e2 w
1）再流焊技術(shù)進行焊接時，不需要將印刷電路板浸入熔融的焊料中，而是采用局部加熱的方式完成焊接任務(wù)的；因而被焊接的元器件受到熱沖擊小，不會因過熱造成元器件的損壞。
?2 k& C3 C- f, O5 r+ M* f2）由于在焊接技術(shù)僅需要在焊接部位施放焊料，并局部加熱完成焊接，因而避免了橋接等焊接缺陷。
0 j: ~' n( H" B* X- M( K- ?3）再流焊技術(shù)中，焊料只是一次性使用，不存在再次利用的情況，因而焊料很純凈，沒有雜質(zhì)，保證了焊點的質(zhì)量。
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4 J' E. W$ \! I' e4、回流焊的注意事項+ V8 g* {3 g" W7 z8 Y5 g1 F/ U
1.橋聯(lián)
/ j5 o& F; o% Z* d' U回流焊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度范圍內(nèi)，作為焊料中成分之一的溶劑即會降低粘度而流出，如果其流出的趨勢是十分強烈的，會同時將焊料顆粒擠出焊區(qū)外的含金顆粒，在熔融時如不能返回到焊區(qū)內(nèi)，也會形成滯留的焊料球。 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都會是造成橋聯(lián)的原因。
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2.立碑元件浮高(曼哈頓現(xiàn)象)
; K: I) r# W5 W' G片式元件在遭受回流焊急速加熱情況下發(fā)生的翹立，這是因為急熱使元件兩端存在溫差，電極端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤，而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤不良，這樣促進了元件的翹立。因此，回流焊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，避免回流焊急熱的產(chǎn)生。 ! t! }3 {/ N3 z6 C% W9 w% s
防止元件翹立的主要因素有以下幾點： 2 g/ n; p5 `% ]- w; ?
①選擇粘接力強的焊料，焊料的印刷精度和元件的貼裝精度也需提高；
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②元件的外部電極需要有良好的濕潤性和濕潤穩(wěn)定性。推薦：溫度40℃以下，濕度70％RH以下，進廠元件的使用期不可超過6個月；
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③采用小的焊區(qū)寬度尺寸，以減少焊料熔融時對元件端部產(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100μm；
9 e4 w7 N/ I: E" l$ b3 w④焊接溫度管理條件設(shè)定也是元件翹立的一個因素。通常的目標是加熱要均勻，特別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。
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3.潤濕不良
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潤濕不良是指回流焊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)生潤濕不良。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)生潤濕不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。選擇合適的焊料，并設(shè)定回流焊合理的焊接溫度曲線。
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, F$ U) h# K9 ?( ^2 |8 b無鉛焊接的五個步驟：* o+ e1 ^& F \5 |
1、選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾头椒?
9 V3 H! x. }6 {6 V在無鉛焊接工藝中，焊接材料的選擇是最具挑戰(zhàn)性的。因為對于無鉛焊接工藝來說，無鉛焊料、焊膏、助焊劑等材料的選擇是最關(guān)鍵的，也是最困難的。在選擇這些材料時還要考慮到焊接元件的類型、線路板的類型，以及它們的表面涂敷狀況。選擇的這些材料應(yīng)該是在自己的研究中證明了的，或是權(quán)威機構(gòu)或文獻推薦的，或是已有使用的經(jīng)驗。把這些材料列成表以備在工藝試驗中進行試驗，以對它們進行深入的研究，了解其對工藝的各方面的影響。 7 p2 s" [4 O) v! {' c2 D1 H- V
對于焊接方法，要根據(jù)自己的實際情況進行選擇，如元件類型：表面安裝元件、通孔插裝元件；線路板的情況；板上元件的多少及分布情況等。對于表面安裝元件的焊接，需采用回流焊的方法；對于通孔回流焊插裝元件，可根據(jù)情況選擇波峰焊、浸焊或噴焊法來進行焊接。波峰焊更適合于整塊板(大型)上通孔插裝元件的焊接；浸焊更適合于整塊板(小型)上或板上局部區(qū)域通孔插裝元件的回流焊焊接；局噴焊劑更適合于板上個別元件或少量通孔插裝元件的回流焊焊接。另外，還要注意的是，無鉛回流焊焊接的整個過程比含鉛焊料的要長，而且所需的焊接溫度要高，這是由于無鉛焊料的熔點比含鉛焊料的高，而它的浸潤性又要差一些的緣故。 在焊接方法選擇好后，其焊接工藝的類型就確定了。這時就要根據(jù)焊接工藝要求選擇設(shè)備及相關(guān)的工藝控制和工藝檢查儀器，或進行升級。焊接設(shè)備及相關(guān)儀器的選擇跟焊接材料的選擇一樣，也是相當(dāng)關(guān)鍵的。
# o4 H: f2 d# Y1 K; O2、確定工藝路線和工藝條件
" ` _1 k' u. {3 A* q+ D% V在第一步完成后，就可以對所選的焊接材料進行焊接工藝試驗。通過試驗確定工藝路線和工藝條件。在試驗中，需要對列表選出的焊接材料進行充分的試驗，以了解其特性及對工藝的影響。這一步的目的是開發(fā)出無鉛焊接的樣品。 2 d1 c6 [+ N \( e
3、開發(fā)健全焊接工藝
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這一步是第二步的繼續(xù)。它是對第二步在工藝試驗中收集到的試驗數(shù)據(jù)進行分析，進而改進材料、設(shè)備或改變工藝，以便獲得在實驗室條件下的健全工藝。在這一步還要弄清無鉛合金焊接工藝可能產(chǎn)生的沾染知道如何預(yù)防、測定各種焊接特性的工序能力(CPK)值，以及與原有的錫／鉛工藝進行比較。通過這些研究，就可開發(fā)出焊接工藝的檢查和測試程序，同時也可找出一些工藝失控的處理方法。
! V# G: e6 e. m0 c3 l& Y( \2 ]) d: X4、還需要對焊接樣品進行可靠性試驗，以鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量是否達到要求。如果達不到要求，需找出原因并進行解決，直到達到要求為止。一旦焊接產(chǎn)品的可靠性達到要求，無鉛焊接工藝的開發(fā)就獲得成功，這個工藝就為規(guī)模生產(chǎn)做好了準準備就緒后的操作一切準備就緒，現(xiàn)在就可以從樣品生產(chǎn)轉(zhuǎn)變到工業(yè)化生產(chǎn)。在這時，仍需要對工藝進行以維持工藝處于受控狀態(tài)。
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5、控制和改進工藝
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無鉛焊接工藝是一個動態(tài)變化的舞臺。工廠必須警惕可能出現(xiàn)的各種問題以避免出現(xiàn)工藝失控，同時也還需要不斷地改進工藝，以使產(chǎn)品的質(zhì)量和合格晶率不斷得到提高。對于任何無鉛焊接工藝來說，改進焊接材料，以及更新設(shè)備都可改進產(chǎn)品的焊接性能
電子產(chǎn)業(yè)一站式賦能平臺
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