回流焊温度曲线

回流焊

回流焊技术在电子制造领域并不陌生，我们电脑内使用的各种板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的，这种设备的内部有一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。

回流焊温度曲线

常见回流焊温度曲线如图1。前面100℃左右的加热区是人们常说的预热区，接下来板子进入回焊前的浸润区，温度基本保持不变(对Sn63/Pb37焊膏而言约为150～170℃)，最后，组件进入温度高于熔点的回焊区，到达峰值温度然后离开炉子加热区域。通过峰值温度以后，板子进入到冷却区。

图1回流焊温度曲线

(1)回流焊温度曲线冷却段

这一段焊膏中的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被焊接表面，快速度地冷却会得到明亮的焊点并有好的外形及低的接触角度，缓慢冷却会使板材溶于焊锡中，而生成灰暗和毛糙的焊点，并可能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。

(2)回流焊温度曲线回焊段

这一段把电路板带入铅锡粉末熔点之上，让铅锡粉末微粒结合成一个锡球并让被焊金属表面充分润湿。结合和润湿是在助焊剂帮助下进行的，温度越高助焊剂效率越高，粘度及表面张力则随温度的升高而下降，这促使焊锡更快地湿润。但过高的温度可能使板子承受热损伤，并可能引起铅锡粉末再氧化加速、焊膏残留物烧焦、板子变色、元件失去功能等问题，而过低的温度会使助焊剂效率低下，可能使铅锡粉末处于非焊接状态而增加生焊、虚焊发生的机率，因此应找到理想的峰值与时间的最佳结合，一般应使曲线的尖端区覆盖面积最小。曲线的峰值一般为210℃－230℃，达到峰值温度的持续时间为3－5秒，超过铅锡合金熔点温度183℃的持续时间维持在20－30秒之间。

(3)回流焊温度曲线浸润段

溶剂的沸点在125－150℃之间，从保温段开始溶剂将不断蒸发，树脂或松香在70－100℃开始软化和流动，一旦熔化，树脂或松香能在被焊表面迅速扩散，溶解于其中的活性剂随之流动并与铅锡粉末的表面氧化物进行反应，以确保铅锡粉末在焊接段熔焊时是清洁的。保温段的更主要目的是保证电路板上的全部元件在进入焊接段之前达到相同的温度，电路板上的元件吸热能力通常有很大差别，有时需延长保温周期，但是太长的保温周期可能导致助焊剂的丧失，以致在熔焊区无法充分的结合与润湿，减弱焊膏的上锡能力，太快的温度上升速率会导致溶剂的快速气化，可能引起吹孔、锡珠等缺陷，而过短的保温周期又无法使活性剂充分发挥功效，也可能造成整个电路板预热温度的不平衡，从而导致不沾锡、焊后断开、焊点空洞等缺陷，所以应根据电路板的设计情况及回流炉的对流加热能力来决定保温周期的长短及温度值。一般保温段的温度在100－160℃之间,上升的速率低于每秒2度，并在150℃左右有一个0.5－1分钟左右的平台有助于把焊接段的尖端区域降低到最小。

(4)回流焊温度曲线预热段

该段的目的是把室温的电路板尽快加热，但快速的加热不能快到板子或零件的损坏及导致助焊剂中溶剂的丧失，通常的加热速率为1－3℃/秒。
 

关于回流焊温度曲线的讨论

在实际生产中，并不能要求所选择每一点的曲线均达到较为理想的情况，有时由于元件密度、所承受的最高温度的不同及热特性的具大差异或由于板材的不同及回流炉能力的限制，会导致有些点的温度曲线无法满足要求，这时必须综合各元件对整个电路板功能的影响而选择最为有利的回流参数。

我们熟悉的回流焊温度曲线包括预热、浸润、回焊和冷却四个部分，工艺工程师们对此早已耳熟能详并深信不疑，但这些过程是不是都一定是必需的呢？本文作者在此提出一种新思路，采用斜升式温度曲线取消浸润区，不仅能保持焊点的质量，还能显著缩短回流焊时间。设定温度曲线就是确定PCB组件在回流焊过程中所必须经历的一个温度-时间关系，这种关系由焊膏特性决定，如焊料合金成分、锡粉颗粒尺寸、金属含量以及焊膏中的化学成分等。对具体装配组件而言，为达到所要求的温度曲线，回流焊炉各温区温度和传送速度的设定还必须考虑产品的大小、表面形状复杂性及基板的热传导性能，同时也要考虑炉子能否提供足够的热能。炉子的热传递效率及操作者经验则只会影响到达温度曲线前反复实验的次数。

针对某种使用的焊膏其温度-时间关系通常都由制造商提供，一般在产品资料上可以找到。毕竟焊膏是制造商的配方，他们知道什么样的温度曲线才能使之充分回焊。装配组件能承受的最高温度是它上面所有零件或材料耐温值的最低值，将这个温度减去5℃可作为产品的最易受损温度T2(MVC)，回焊时温度不能超过该值。组件上温度的最大梯度为MVC减去合金熔化的液态温度T1，该温度也是理想的润湿、回流焊或完全液化温度，它一般比合金熔点高20到25℃。

既然回流焊的最高温度范围已经确定，那么也就能够定出产品允许的最大温度梯度(T2-T1)。能否让温度曲线处在这个范围之内取决于产品的大小、表面形状复杂性、基板成分及所用炉子的热传递效率。理想的状态是希望温度梯度尽量小，同时峰值温度尽可能接近T1，以缩短液态保持时间和产品在高温中的停留时间。

按传统做法，回流焊温度曲线的设定就是要让液态保持时间最短，并与焊膏制造商要求的温度-时间关系相符。液态保持时间太长会导致焊点内部合金过度生长，对焊点的长期可靠性造成影响，并使基板和元件性能下降。对于温升速率，很多业内人士采用每隔20秒取一点的方式进行量测，温升应在每秒4℃或更低。一个比较好的做法是使冷却速率和加热速率一样或更低，以免对元件造成热冲击，也即爬升的速度与下降的一样。