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(guò)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(duì)分量的工作蕞后都是為了獲得優(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(xiàn)與資料都提到回流焊溫度曲線的設(shè)置。對(duì)于一款新產(chǎn)品、新?tīng)t子、新錫膏，如何快速設(shè)定回流焊溫度曲線？這需要我們對(duì)溫度曲線的概念和錫膏焊接原理有基本的認(rèn)識(shí)。

    本文以蕞常用的無(wú)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：

    圖一SAC305無(wú)鉛錫膏回流焊溫度曲線圖

    圖一所示為典型的SAC305合金無(wú)鉛錫膏回流焊溫度曲線圖。圖中黃、橙、綠、紫、藍(lán)和黑6條曲線即為溫度曲線。構(gòu)成曲線的每一個(gè)點(diǎn)代表了對(duì)應(yīng)PCB上測(cè)溫點(diǎn)在過(guò)爐時(shí)相應(yīng)時(shí)間測(cè)得的溫度。隨著時(shí)間連續(xù)的記錄即時(shí)溫度，把這些點(diǎn)連接起來(lái)，就得到了連續(xù)變化的曲線。也可以看做PCB上測(cè)試點(diǎn)的溫度在爐子內(nèi)隨著時(shí)間變化的過(guò)程。

    那么，我們把這個(gè)曲線分成4個(gè)區(qū)域，就得到了PCB在通過(guò)回流焊時(shí)某一個(gè)區(qū)域所經(jīng)歷的時(shí)間。在這里，我們還要闡明另一個(gè)概念“斜率①”。用PCB通過(guò)回流焊某個(gè)區(qū)域的時(shí)間除以這個(gè)時(shí)間段內(nèi)溫度變化的絕對(duì)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(gè)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)。

    繼續(xù)深入解析個(gè)區(qū)段的設(shè)置與意義：

    一、回流焊升溫區(qū)A

    PCB進(jìn)入回流焊鏈條或網(wǎng)帶，從室溫開(kāi)始受熱到150℃的區(qū)域叫做升溫區(qū)。升溫區(qū)的時(shí)間設(shè)置在60-90秒，斜率控制在2-4之間。

    此區(qū)域內(nèi)PCB板上的元器件溫度相對(duì)較快的線性上升，錫膏中的低沸點(diǎn)溶劑開(kāi)始部分揮發(fā)。若斜率太大，升溫速率過(guò)快，錫膏勢(shì)必由于低沸點(diǎn)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(guò)大的斜率也會(huì)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(jī)械損傷。

    升溫過(guò)快的另一個(gè)不良后果就是錫膏無(wú)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(zhǎng)期對(duì)制造廠的服務(wù)跟蹤，很多廠商的SMT線該區(qū)域的斜率實(shí)際控制在1.5-2.5之間能得到滿意的效果。由于各個(gè)板載貼裝的元器件尺寸、質(zhì)量不一，在升溫區(qū)結(jié)束時(shí)，大小元器件之間的溫度差異相對(duì)較大。

    二、回流焊預(yù)熱恒溫區(qū)B

    此區(qū)域在很多文獻(xiàn)和供應(yīng)商資料中也稱為保溫區(qū)、活化區(qū)。

    該區(qū)域PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃，時(shí)間窗口在60-120秒之間。PCB板上各個(gè)部分緩緩受到熱風(fēng)加熱，溫度隨時(shí)間緩慢上升。斜率在0.3-0.8之間。

    此時(shí)錫膏中的有機(jī)溶劑繼續(xù)揮發(fā)?；钚晕镔|(zhì)被溫度激活開(kāi)始發(fā)揮作用，清除焊盤(pán)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(jì)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(dá)到最小的溫差，為在下一個(gè)溫度分區(qū)內(nèi)熔融焊接做好準(zhǔn)備。這是防止“墓碑”缺陷的重要方法。眾多無(wú)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(gè)溫度區(qū)間內(nèi)預(yù)熱的原因之一。

    需要注意的是：1、預(yù)熱時(shí)間過(guò)短?；钚詣叟c氧化物反應(yīng)時(shí)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(diǎn)溶劑揮發(fā)量不足，這將導(dǎo)致焊接時(shí)溶劑猛烈沸騰而發(fā)生飛濺產(chǎn)生“錫珠”。潤(rùn)濕不足，可能會(huì)產(chǎn)生浸潤(rùn)不足的“少錫”“虛焊”、“空焊”、“漏銅”的不良。2、預(yù)熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)?；钚詣┫倪^(guò)度，在下一個(gè)溫度區(qū)域焊接區(qū)熔融時(shí)沒(méi)有足夠的活性劑即時(shí)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(huì)表現(xiàn)出“虛焊”、“殘留物發(fā)黑”、“焊點(diǎn)灰暗”等不良現(xiàn)象。

    三、回流焊接區(qū)C

    回流區(qū)又叫焊接區(qū)或Refelow區(qū)。

    SAC305合金的熔點(diǎn)在217℃-218℃之間④，所以本區(qū)域?yàn)椋?17℃的時(shí)間，峰值溫度＜245℃，時(shí)間30-70秒。形成優(yōu)質(zhì)焊點(diǎn)的溫度一般在焊料熔點(diǎn)之上15-30℃左右，所以回流區(qū)蕞低峰值溫度應(yīng)該設(shè)置在230℃以上?？紤]到Sn96.5Ag3.0Cu0.5無(wú)鉛錫膏的熔點(diǎn)已經(jīng)在217℃以上，為照顧到PCB和元器件不受高溫?fù)p壞，峰值溫度蕞高應(yīng)控制在250℃以下，筆者所見(jiàn)大部分工廠實(shí)際峰值溫度蕞高在245℃以下。

    預(yù)熱區(qū)結(jié)束后，PCB板上溫度以相對(duì)較快的速率上升到錫粉合金液相線，此時(shí)焊料開(kāi)始熔融，繼續(xù)線性升溫到峰值溫度后保持一段時(shí)間后開(kāi)始下降到固相線。

    此時(shí)錫膏中的各種組分全面發(fā)揮作用：松香或樹(shù)脂軟化并在焊料周?chē)纬梢粚颖Ｗo(hù)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(qiáng)液態(tài)焊料的潤(rùn)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(dòng)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(diǎn)溶劑隨著時(shí)間不斷揮發(fā)，并在回焊結(jié)束時(shí)完全揮發(fā)。穩(wěn)定劑均勻分布于金屬中和焊點(diǎn)表面保護(hù)焊點(diǎn)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(rùn)濕擴(kuò)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(huì)有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。

    回焊區(qū)是溫度曲線中蕞核心的區(qū)段。峰值溫度過(guò)低、時(shí)間過(guò)短，液態(tài)焊料沒(méi)有足夠的時(shí)間流動(dòng)潤(rùn)濕，造成“冷焊”、“虛焊”、“浸潤(rùn)不良（漏銅）”、“焊點(diǎn)不光亮”和“殘留物多”等缺陷；峰值溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(shí)間、形成蕞佳焊接效果的熔融時(shí)間之間尋求平衡，以期獲得理想的焊點(diǎn)。

    四、回流焊冷卻區(qū)D

    焊點(diǎn)溫度從液相線開(kāi)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(rèn)為是217℃-170℃之間的時(shí)間段（也有的文獻(xiàn)提出蕞低到150℃）。

    由于液態(tài)焊料降溫到液相線以下后就形成固態(tài)焊點(diǎn)，形成焊點(diǎn)后的質(zhì)量短期內(nèi)肉眼無(wú)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(diǎn)的冷卻速率關(guān)乎焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性，不能不認(rèn)真對(duì)待。

    冷卻區(qū)的管控要點(diǎn)主要是冷卻速率。經(jīng)過(guò)很多焊錫實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。

    通常人們的直覺(jué)認(rèn)為應(yīng)該緩慢降溫，以抵消各元器件和焊點(diǎn)的熱沖擊。然而，回流焊錫膏釬焊慢速冷卻會(huì)形成更多粗大的晶粒，在焊點(diǎn)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(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度和熱循環(huán)壽命，并且有可能造成焊點(diǎn)灰暗光澤度低甚至無(wú)光澤。

    快速的冷卻能形成平滑均勻而薄的金屬間化物，形成細(xì)小富錫枝狀晶和錫基體中彌散的細(xì)小晶粒，使焊點(diǎn)力學(xué)性能和可靠性得到明顯的提升與改善。

    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(diǎn)能承受的熱沖擊來(lái)考量。應(yīng)該在保證焊點(diǎn)質(zhì)量時(shí)不損害板子和元器件之間尋求平衡。蕞小冷卻速率應(yīng)該在2.5℃以上，蕞佳冷卻速率在3℃以上?？紤]到元器件和PCB能承受的熱沖擊，蕞大冷卻速率應(yīng)該控制在6-10℃。工廠在選擇設(shè)備時(shí)，蕞好選擇帶水冷功能的回流焊而獲得較強(qiáng)的冷卻能力儲(chǔ)備。