回流焊原理及工艺流程

回流焊接是一个将焊膏（粉状焊料和助焊剂的粘性混合物）用于把一个或数千个微小电气元件临时连接到其接触垫上，然后将整个组件置于受控热量之下的过程。在这个过程中，焊锡膏在熔融状态下重新流动，从而形成永久性焊点。加热可通过将组件穿过回流炉、置于红外线灯下，或者（非常规地）用脱焊热风笔焊接单个焊点来实现。

使用长型工业对流炉进行回流焊接，是将表面贴装技术元件（SMT）焊接到印刷电路板（PCB）上的首选方法。烤箱的每一段会依据每个组件的具体热需求来调节温度。专门用于焊接表面贴装元件的回流焊炉也能用于通孔元件，方法是在孔中填入焊膏并把元件引线插入焊膏。然而，波峰焊是将多引线通孔元件焊接到为表面贴装元件设计的电路板上的常用方法。

当应用于含有表面贴装和电镀通孔（PTH）元件的电路板时，如果能通过专门修改的锡膏模版实现通孔回流焊，就可将波峰焊接步骤从装配过程中去除，这有可能降低装配成本。虽然以前使用的铅锡焊膏可能会如此，但无铅焊料合金（如SAC）在烘箱温度曲线调整的限制以及专门的通孔元件要求方面带来了挑战，这些元件必须用焊锡丝手工焊接，或者无法合理承受电路板在回流炉传送带上移动时的高温。在对流炉中使用焊膏对通孔元件进行回流焊接的过程被称为侵入式焊接。

回流焊工艺的目标是让焊膏达到共晶温度，特定的焊料合金在该温度下会发生相变成为液态或熔融态。在这个特定温度范围内，熔化的合金呈现出粘附特性。熔化的焊料合金的行为很像水，具有内聚力和附着力的特性。如果助焊剂充足，在液态时，熔融焊料合金将展现出一种名为“润湿”的特性。

润湿是合金在其特定共晶温度范围内的一种特性。润湿是形成焊点的必要条件，符合“可接受”或“目标”条件的标准，而依据IPC（国际电子工业联接协会），“不合格”被视为有缺陷的。

回流炉的温度曲线要适配特定电路板组件的特性，例如电路板内地平面层的大小和深度、电路板的层数、元件的数量和大小等。特定电路板的温度曲线将允许焊料回流到相邻表面，同时不会因过热而损坏电气元件使其超出温度承受能力。在传统的回流焊工艺中，通常有四个阶段（称为“区域”），每个阶段都有独特的热曲线：预热、热浸泡（通常简称为浸泡）、回流和冷却。

预热区 回流焊接是一个复杂且关键的工艺过程，涉及多个阶段并需要考量众多因素。

在预热区，整个电路板组件朝着目标浸泡温度升温，此阶段要按照特定的温度斜率进行加热，需要考虑目标处理时间、锡膏挥发性以及元件等变量，其中元件的热敏性是重要因素。过快的温度变化可能使元件开裂，但在某些情况下可定制斜率以提高加工时间，同时也要避免锡膏溶剂因加热过快而飞溅。

预热是回流焊过程的第一阶段。在这个回流阶段，整个电路板组件朝着目标浸泡或停留温度攀升。预热阶段的主要目标是让整个组件安全、稳定地达到浸泡或预回流温度。预热也是焊膏中的挥发性溶剂释放的时机。为了使锡膏溶剂正确排出，并让组件安全地达到预回流温度，必须以一致的、线性的方式对PCB（印刷电路板）进行加热。回流过程第一阶段的一个重要指标是温度斜率（即上升与时间的关系），通常以摄氏度/秒（C/s）来衡量。许多变量会影响制造商的目标斜率，这些因素包括目标处理时间、锡膏挥发性和元件相关因素。

考虑到所有这些工艺变量是很重要的，但在大多数情况下，对敏感元件的考量最为重要。“如果温度变化过快，许多元件会开裂。最敏感元件所能承受的最大热变化率就成为最大允许斜率”。然而，如果不使用热敏元件，并且最大限度提高产量非常重要，那么可以定制较积极的斜率以增加加工时间。出于这个原因，许多制造商将这些斜率提高到3.0°C/秒这个最大常见允许斜率。相反，如果使用含有特别强溶剂的焊膏，过快加热装配很容易造成工艺失控。随着挥发性溶剂的释放，它们可能使焊料从焊盘飞溅到电路板上。在预热阶段，焊料飞溅是剧烈放气的主要问题。一旦板子在预热阶段被升温，就到了进入浸泡或预回流阶段的时候了。

热浸透区 第二部分为热浸泡区，通常持续60 - 120秒，目的是去除焊膏挥发物并激活助焊剂，温度过高或过低都会带来诸如焊料飞溅、助焊剂不完全激活等问题，并且在浸泡区结束时需要达成组件的热平衡，采用浸泡曲线可减少不同尺寸组件间的温差或减少大型PCB组件区域阵列型封装的空洞。

热浸泡，通常是60至120秒的曝露过程，用于去除焊膏挥发物并激活助焊剂，助焊剂成分在元件引线和焊盘上开始氧化还原反应。温度过高会导致焊料飞溅或起球，以及焊膏、连接焊盘和元件终端的氧化。同样，如果温度过低，助焊剂可能无法完全激活。在浸泡区结束且在回流区之前，需要整个组件达到热平衡。建议采用浸泡曲线，以减少不同尺寸组件之间的温度差，或者如果PCB组件非常大，也建议使用浸泡曲线以减少区域阵列型封装的空洞。

回流焊区 第三部分即回流区，是达到最高温度的部分，要关注峰值温度，该温度由组件上最不耐高温的部件决定，工艺温度监控非常重要，防止超过极限以免损害SMT元件内部模具或妨碍锡膏充分回流。液态以上时间也需合理，过长会使助焊剂过早激活或消耗，过短则可能导致润湿性差等焊点缺陷，虽然大多数焊膏规定最低时间为30秒，但原因可能是减少未测量区域未回流的几率以及为防止烘箱温度变化提供安全系数。

回流区，也被称为“回流以上时间”或“液态以上温度”（TAL），是工艺中达到最高温度的部分。一个重要的考虑因素是峰值温度，它是整个过程中的最高允许温度。常见的峰值温度是液态以上20 - 40℃。这个极限由组件上对高温容忍度最低的部件（最容易受热损伤的部件）决定。一个标准的指导原则是，从最脆弱部件所能承受的最高温度中减去5℃，得出工艺的最高温度。监控工艺温度使其不超过这个极限是很重要的。此外，高温（超过260℃）可能损害SMT元件的内部模具并促使金属间生长。反之，温度不够高可能妨碍锡膏充分回流。

液态以上时间（TAL），或回流以上时间，用于衡量焊料处于液态的时间。助焊剂降低金属交界处的表面张力以完成冶金结合，使各个焊粉球体结合。如果液态时间超过制造商的规格，结果可能是助焊剂过早激活或消耗，在形成焊点之前有效地“干燥”锡膏。不充分的时间/温度关系会导致助焊剂的清洁作用下降，造成润湿性差、溶剂和助焊剂去除不充分，并可能导致焊点缺陷。专家通常建议尽可能短的时间，然而，大多数焊膏规定的最低时间为30秒，尽管这个具体时间似乎没有明确的理由。

一种可能性是，PCB上有些地方在剖析时未被测量，因此，将最小允许时间设定为30秒可减少未被测量区域未回流的几率。较长的最小回流时间也为防止烘箱温度变化提供了安全系数。润湿时间最好保持在液面以上60秒以下。超过液态的额外时间可能导致金属间过度生长，从而使接头变脆。在超过液态温度的情况下，电路板和元件也可能被损坏，大多数元件都有明确的时间限制，即它们能暴露在超过给定最大值温度下的时长。超过液态温度的时间过短，可能滞留溶剂和助焊剂，造成接头变冷或变钝以及焊料空隙的可能性。

冷却区 最后一个区域是冷却区，它是逐步冷却已加工电路板并固化焊点的区域，适当的冷却可抑制多余金属间形成或热冲击，典型温度范围为30 - 100 °C，建议冷却率为4 °C/s。

此外，“回流”一词有其特定含义，热分析有助于确定焊接过程是否处于受控状态，现代软件工具可进行剖面捕获和自动优化，从而减少建立最佳设置的时间。总之，回流焊的每个环节都紧密相连，任何一个环节的失误都可能影响最终焊点质量和电路板性能。

“回流”是指超过这个温度时，固体焊料合金必定会熔化（而非仅仅软化）。如果冷却到低于这个温度，焊料将不会流动。如果再次加热到该温度以上，焊料将再次流动——因此被称为“回流”。

使用回流焊的现代电路组装技术不一定允许焊料流动超过一次。它们确保焊膏中含有的颗粒状焊料超过相关焊料的回流温度。

热剖析 热分析是指测量电路板上的几个点，以确定其在焊接过程中的热偏移。在电子制造业中，SPC（统计过程控制）有助于确定过程是否处于控制状态，依据由焊接技术和元件要求定义的回流参数进行测量。现代软件工具允许捕获剖面，然后使用数学模拟自动优化，这大大减少了为过程建立最佳设置所需的时间。