回流焊是SMT生產(chǎn)中重要的工藝環(huán)節，它是一種自動(dòng)群焊過(guò)程，成千上萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)在短短幾分鐘內一次完成，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，對于數字化的電子產(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)鍵是設定回流爐的爐溫曲線(xiàn)，有關(guān)回流爐的爐溫曲線(xiàn)，許多專(zhuān)業(yè)文童中均有報導，但面對一臺新的回流爐，如何盡快設定回流爐溫度曲線(xiàn)呢？這就需要我們首先對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，對回流爐的結構，包括加熱溫區的數量、熱風(fēng)系統、加熱器的尺寸及其控溫精度、加熱區的有效長(cháng)度、冷卻區特點(diǎn)、傳送系統等應有一個(gè)全面認識，以及對焊接對象一表面貼裝組件（ SMA ）尺寸、組件大小及其分布做到心中有數，不難看出，回流焊是SMT工藝中復雜而又關(guān)鍵的一環(huán)，它涉及到材料、設備、熱傳導、焊接等方面的知識。

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

理想的溫度曲線(xiàn)

圖 1 是中溫錫膏（ Sn63 / Sn62 ）理想的紅外回流溫度曲線(xiàn)，它反映了 SMA 通過(guò)回流爐時(shí)， PCB 上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，它能直觀(guān)反映出該點(diǎn)在整個(gè)焊接過(guò)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，從事 SMT焊接的工程技術(shù)人員，應對理想的溫度曲線(xiàn)有一個(gè)基本的認識，該曲線(xiàn)由四個(gè)區間組成，即預熱區、保溫區/活性區、回流區、冷卻區，前三個(gè)階段為加熱區，最后一階段為冷卻區，大部分焊錫膏都能用這四個(gè)溫區成功實(shí)現回流焊。故紅外回流爐均設有 4 - 5 個(gè)溫度，以適應焊接的需要。

為了加深對理想的溫度曲線(xiàn)的認識，現將各區的溫度、停留時(shí)間以及焊錫膏在各區的變化情況，介紹如下：

1 、預熱區

預熱區通常指由室溫升至 150 ℃ 左右的區域。在這個(gè)區域， SMA 平穩升溫，在預熱區，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，其溫度有不均勻現象，在預熱區升溫的速率通常控制在 1.5 ℃ -3 ℃/ sec。若升溫太快，由于熱應力的作用，導致陶瓷電容的細微裂紋、 PCB 變形、 IC 芯片損壞，同時(shí)錫膏中溶劑揮發(fā)太快，導致飛珠的發(fā)生。爐子的預熱區一般占加熱信道長(cháng)度的 1 / 4 - 1 / 3 ，其停留時(shí)間計算如下：設環(huán)境溫度為 25 ℃ ，若升溫速率按 3 ℃／sec 。計算則（ 150 一 25 ) / 3 即為 42 sec ，若升溫速率按 1. 5 ℃／ sec 。計算則（ 150 一 25 ) / 1 . 5 即為 85sec。通常根據組件大小差異程度調整時(shí)間以調控升溫速率在 2 ℃ ／ sec。以下為最佳。

2 、保溫區／活性區

保溫區又稱(chēng)活性區，在保溫區溫度通常維持在 150 ℃ 士 10 ℃ 的區域，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(kāi)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(xiàn)形態(tài)接近水平狀，它也是評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(xiàn)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。通常保溫區在爐子的二、三區之間，維持時(shí)間約 6 0-120s，若時(shí)間過(guò)長(cháng)也會(huì )導致錫膏氧化問(wèn)題，以致焊接后飛珠增多。

3 、回流區

回流區的溫度最高， SMA 進(jìn)入該區后迅速升溫，并超出錫膏熔點(diǎn)約 30 ℃ 一 40 ℃ ，即板面溫度瞬時(shí)達到 215 ℃ 一 225 ℃ （此溫度又稱(chēng)之為峰值溫度），時(shí)間約為 5 一 10sec ，在回流區焊膏很快熔化，并迅速潤濕焊盤(pán)，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(guān)上看，此時(shí)焊料中的錫與焊盤(pán)中的銅或金由于擴散作用而形成金屬間化合物，以錫銅合金為例，當錫膏熔化后，并迅速潤濕銅層，錫原子與銅原子在其界面上互相滲透初期 Sn - - Cu 合金的結構為 Cu6Sn5 ，其厚度為 1 一 3μ , 若時(shí)間過(guò)長(cháng)、溫度過(guò)高時(shí)， Cu原子進(jìn)一步滲透到Cu6Sn5 中，其局部組織將由 Cu6Sn5 轉變?yōu)?Cu3Sn 合金，前者合金焊接強度高，導電性能好，而后者則呈脆性，焊接強度低、導電性能差， SMA 在回流區停留時(shí)間過(guò)長(cháng)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，錫膏熔化后產(chǎn)生的表面張力能適度校準由貼片過(guò)程中引起的元器件引腳偏移，但也會(huì )由于焊盤(pán)設計不正確引起多種焊接缺陷，如立碑、橋聯(lián)等。回流區的升溫速率控制在 2.5 -3 ℃／sec ,一般應在 25sec一 30sec 內達到峰值溫度。

4 、冷卻區

SMA 運行到冷卻區后，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化，結合強度提高，焊點(diǎn)光亮，表面連續呈彎月面狀。通常冷卻的方法是在回流爐出口處安裝風(fēng)扇，強行冷卻。新型的回流爐則設有冷卻區，并采用水冷載風(fēng)冷。理想的冷卻曲線(xiàn)同回流區升溫曲線(xiàn)呈鏡面對稱(chēng)分布。在大生產(chǎn)中，每個(gè)產(chǎn)品的實(shí)際工作曲線(xiàn)，應根據 SMA 大小、組件的多少及品種反復調節才能獲得，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)入第一溫區前的時(shí)間）。

溫度曲線(xiàn)的設定

1 、測試工具：在開(kāi)始測定溫度曲線(xiàn)之前，需要有溫度測試儀，以及與之相配合的熱電偶，高溫焊錫絲、高溫膠帶以及待測的 SMA ，當然有的回流爐自身帶有溫度測試儀，（設在爐體內），但因附帶的熱電偶較長(cháng)，使用不方便，不如專(zhuān)用溫度測試記錄儀方便。特別這類(lèi)測試儀所用的小直徑熱電偶，熱量小、響應快、得到的結果精確。

2 、熱電偶的位置與固定熱電偶的焊接位置也是一個(gè)應認真考慮的問(wèn)題，其原則是對熱容量大的組件焊盤(pán)處別忘了放置熱電偶，見(jiàn)圖 2 ，此外對熱敏感組件的外殼， PCB 上空檔處也應放置熱電偶，以觀(guān)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)焊接在所需測量溫度的地方，此外還可用高溫膠帶固定，但效果沒(méi)有直接焊接的效果好。總之根據SMA大小咲及復雜減度設有3個(gè)或更多的電偶。電偶數量越多，其對了解SMA板面的受熱情況越全面。

3、 錫膏性能

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

4、 爐子的結構

對于首次使用的回流爐，應首先考察一下?tīng)t子的結構。看一看有幾個(gè)溫區，有幾塊發(fā)熱體，是否獨立控溫。熱電偶放墨在何處。熱風(fēng)的形成與特點(diǎn)，是否構成溫區內循環(huán)，風(fēng)速是否可調節。每個(gè)加熱區的長(cháng)度以及加熱溫區的總長(cháng)度。目前使用的紅外回流爐，一般有四個(gè)溫區，每個(gè)加熱區有上下獨立發(fā)熱體。熱風(fēng)循環(huán)系統各不相同，但基本上能保持各溫區獨立循環(huán)。通常第一溫區為預熱區，第二、三溫區為保溫區，第四溫區為回流區，冷卻溫區為爐外強制冷風(fēng)，近幾年來(lái)也出現將冷卻區設在爐內，并采用水冷卻系統。當然這類(lèi)爐子其溫區相應增多，以至出現八溫區以上的回流爐。隨著(zhù)溫區的増多，其溫度曲線(xiàn)的輪廓與爐子的溫度設蚤將更加接近，這將會(huì )方便于爐溫的調節。但隨著(zhù)爐子溫區増多，在生產(chǎn)能力増加的同時(shí)其能耗増大、費用增多。

5、 爐子的帶速

設定溫度曲線(xiàn)的第一個(gè)考慮的參數是傳輸帶的速度設定，故應首先測量爐子的加熱區總長(cháng)度，再根據所加工的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在抑熱區所運行的時(shí)間。正如前節所說(shuō)，理想爐溫曲線(xiàn)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的長(cháng)度，以及所需時(shí)間，就可以方便地計算出回流爐運行速度。

各區溫度設定：

接下來(lái)必須設定各個(gè)區的溫度，通常回流爐儀表顯示的溫度僅代表各加熱器內熱電偶所處位置的溫度，并不等于SMA經(jīng)過(guò)該溫區時(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 )明顯高于相應的區間溫度，熱電偶越靠近PCB的運行信道，顯示溫度將越能反應區間溫度，因此可打開(kāi)回流爐上蓋了解熱電偶所設定的位墨。當然也可以用一塊試驗板進(jìn)行模擬測驗，找出PCB上溫度與表溫設定的關(guān)系，通過(guò)幾次反復試驗，最終可以找出規律。當速度與溫度確定后，再適當調節其它參數如冷卻風(fēng)扇速度，強制空氣或N2流量，并可以正式使用所加工的SNA進(jìn)行測試，并根據實(shí)測的結果與理論溫度曲線(xiàn)相比較或與錫膏供應商提供的曲線(xiàn)相比較。并結合環(huán)境溫度、回流峰值溫度、焊接效果、以及生產(chǎn)能力適當的協(xié)調。最后將爐子的參數記錄或儲存以備后用。雖然這個(gè)過(guò)程開(kāi)始較慢和費力，但最終可以以此為依據取得熟練設定爐溫曲線(xiàn)的能力。

兩種典型的溫度曲線(xiàn)設定

1、BGA焊接溫度的設定

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，因為焊點(diǎn)間距較大(1.27mm)焊接后不易出現橋連缺陷，但也帶來(lái)一些新問(wèn)題，即焊點(diǎn)易出現空洞或氣泡，而在QFP或PLCC器件的焊接中，這類(lèi)缺陷相對的要少得多。就其原因來(lái)說(shuō)這與BGA焊點(diǎn)在其下方陰影效應大有關(guān)。故會(huì )出現實(shí)際焊接溫度比其它元器件焊接溫度要低的現狀，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)際測量到的BGA器件焊接溫度。圖中，第一根溫度曲線(xiàn)為BGA外側，第二根溫度曲線(xiàn)為BGA焊盤(pán)上，它是通過(guò)在PCB上開(kāi)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(xiàn)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，故反映出組件體內的溫度要低，這就告訴我們，盡管熱電偶放在BGA體的外側仍不能如實(shí)地反映出BGA焊點(diǎn)處的溫度。因此實(shí)際工作中應盡可能地將熱電偶伸入到BGA體下方，并調節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

早期對雙面板回流焊接時(shí)，通常要求設計人員將器件放在PCB的一側，而將阻容組件放在另一側，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(zhù)布線(xiàn)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(lái)越多，這就要求我們在調節爐溫曲線(xiàn)時(shí)，不僅在焊接面設定熱電偶而且在反面也應設定熱電偶，并做到在焊接面的溫度曲線(xiàn)符合要求的同時(shí)，SMA反面的溫度最高值不應超過(guò)錫膏熔化溫度（17913）,見(jiàn)圖4

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

常見(jiàn)有缺陷的溫度曲線(xiàn)

下列溫度曲線(xiàn)是設定時(shí)常見(jiàn)的缺陷：

1、活性區溫度梯度過(guò)大

立碑是片式組件常見(jiàn)的焊接缺陷，引起的原因是由于組件焊盤(pán)上的錫膏熔化時(shí)潤濕力不平衡，導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(pán)上的溫度不一致是其原因之一。圖5所示的溫度曲線(xiàn)表明活性區溫度梯度過(guò)大，這意味著(zhù)PCB板面溫度差過(guò)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。解決的方法是調整活性區的溫度。

2、活性區溫度過(guò)低

圖6所示的溫度曲線(xiàn)表明，活性區溫度過(guò)低，此時(shí)易引起錫膏中滾劑得不到充分揮發(fā)，當到回流區時(shí)錫膏中滾劑受高溫易引起激烈揮發(fā)，其結果會(huì )導致飛珠的形成。

3、回浚區溫度過(guò)高或過(guò)低

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

4、熱電耦出故障

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

綜上所述，面對首次使用的回流爐，當測試溫度曲線(xiàn)時(shí)，應對回流爐的結構、錫膏性能、SNA的大小及元器件的分布等全面了解。首先設定帶速，然后調節溫度，并與理想溫度曲線(xiàn)比較，反復調節，就能得到實(shí)際產(chǎn)品所需要的溫度曲線(xiàn)和満意的焊接效果。