回流焊温度曲线的设定和优化

1.     回流焊技术概述： 回流焊接是这样一个过程：运用焊膏（粉末状焊料与助焊剂混合而成的粘性混合物）把一个或多个电气元件暂时连接到其接触焊盘上，随后对整个组件进行加热，使焊料熔化从而将元件连接起来。加热可通过让组件经过回流炉、红外灯或者使用热风笔焊接各个接头来实现。回流焊接是将表面贴装元件连接到电路板的最常用方法，虽然它也可用于通孔元件，即通过用焊锡膏填充孔并使元件引线穿过焊膏的方式。由于波峰焊更为简便且成本更低，所以通常不会在纯通孔板上采用回流焊。当在包含表面贴装技术（SMT）和通孔插装技术（THT）组件混合的电路板上使用时，通孔回流能够在组装流程中省去波峰焊接步骤，进而可能降低组装成本。回流工艺的目的是熔化焊料并加热相邻表面，同时避免过热而损坏电气元件。在传统的回流焊接工艺中，通常有四个被称为“区域”的阶段，每个阶段的热分布有所不同：预热、热浸（通常简称为浸泡）、回流和冷却，并且要避免过热和损坏电气元件。

2.     回流焊接工艺： 预热是回流过程的第一个阶段。在这个回流阶段，整个板组件朝着目标浸泡或停留温度升温。预热阶段的主要目标是使整个组件安全且稳定地达到浸泡或回流前的温度，同时这也是焊膏中挥发性溶剂脱气的时机。第二阶段，热浸，通常是60至120秒的受热过程，用于去除焊膏挥发物并活化助焊剂，在这个过程中助焊剂组分开始在元件引线和焊盘上发生氧化还原反应。温度过高会造成焊料飞溅或成球，以及焊膏、附着焊盘和元件端子的氧化。第三部分，即回流区，也被称为“回流时间以上”或“液相线以上时间”（TAL），是达到最高温度的过程部分。最后一个区域是冷却区域，用于逐步冷却已加工的板并固化焊点。适当的冷却能够抑制多余的金属间化合物形成或者对组件的热冲击。冷却区的典型温度范围为30 - 100°C（86 - 212°F）。选择快速冷却速率有助于产生机械性能最佳的细晶粒结构。与最大加速率不同，降低速率通常被忽视。在某些温度以上，升温速率可能不太重要，然而，无论组件是处于加热还是冷却状态，任何组件的最大允许斜率都应当适用。通常建议冷却速率为4℃/s，这是分析过程结果时需要考虑的参数.

3.   回流焊接技术是现代电子产品组装工艺中最常用的技术，而回流焊温度曲线的设置是PCB组件回流焊接过程中最关键的技术。本文对回流焊温度曲线设置和优化的一些方法及技术进行探讨。电子工业常被视为成熟的工业，PCB的回流焊接工艺也被认为是一种非常成熟的技术，但新的挑战也不断涌现。例如：现有的元件尺寸从01005到50mm×50mm不等，并且分布在组装密度非常高的双面PCB上。还有所选器件的布局、元件尺寸、封装形式和热容，以及不同的热敏感元件的最大允许温度、不同配方的焊料和焊剂等问题。未考虑上述问题的回流焊温度曲线会产生不可接受的焊点、失效的元件以及整体更低的可靠性。因此，对回流焊温度曲线设置和优化进行探讨是十分必要的。以最常用的无铅锡膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5锡银铜合金为例，介绍理想的回流焊温度曲线设定优化方案并分析其原理。

4.     上述图片为典型的SAC305合金无铅锡膏回流焊温度曲线图。构成曲线的每个点代表对应PCB上测温点在过炉时相应时间所测的温度，将这些点连接起来便得到连续变化的曲线，也可看作PCB上测试点的温度在炉内随时间变化的过程。通常将这个曲线划分为4个区域，这样就能得到PCB在通过回流焊时在某个区域所经历的时间。这里斜率表示PCB受热后的升温速率，是温度曲线中重要的工艺参数。图中的A.、B、C、D四个区段，分别定义为A.：升温区，B：预热恒温区（保温区或活化区），C：回流焊接区（焊接区或Reflow区），D：冷却区。

5.     升温区A.：PCB进入回流焊链条或网带，从室温开始受热到150℃的区域为升温区。升温区的时间设置在60 - 90秒，斜率控制在1 - 3之间。在此区域内，PCB板上的元器件温度相对较快地线性上升，锡膏中的低沸点溶剂开始部分挥发。若斜率过大，升温速率过快，锡膏必然会因低沸点溶剂的快速挥发或者水气迅速沸腾而飞溅，从而在炉后出现“锡珠”缺陷。过大的斜率还会因热应力导致例如陶瓷电容微裂、PCB板变形曲翘、BGA内部损坏等机械损伤。升温过快的另一个不良后果是锡膏无法承受较大的热冲击而坍塌，这是造成“短路”的原因之一。通常将该区域的斜率实际控制在1.5 - 2.5之间能取得满意的效果。

6.     预热恒温区B：此区域为保温区、活化区，该区域PCB表面温度从150℃平缓上升至200℃，时间窗口在60 - 120秒之间。PCB板上各个部分缓缓受到热风加热，温度随时间缓慢上升，斜率在0.3 - 0.8之间。此时，锡膏中的有机溶剂继续挥发，活性物质被温度激活开始发挥作用，清除焊盘表面、零件脚和锡粉合金粉末中的氧化物。恒温区设计为平缓升温是为了兼顾PCB上大小不一的贴装元器件能均匀升温，使不同尺寸和材料的元器件之间的温度差逐渐减小，在锡膏熔融之前达到最小温差，为在下一个温度分区内进行熔融焊接做好准备，这是防止“立碑”缺陷的重要方法。合金锡膏配方里活性剂的活化温度大多在150 - 200℃之间，这也是本温度曲线在这个温度区间内进行预热的原因之一。需要注意的是：1. 预热时间过短，活性剂与氧化物反应时间不够，被焊物表面的氧化物不能有效清除，锡膏中的水气未能完全缓慢蒸发，低沸点溶剂挥发量不足，这将导致焊接时溶剂猛烈沸腾而飞溅产生“锡珠”，并且润湿不足，可能会产生浸润不足的“少锡”“虚焊”“空焊”“漏铜”等不良现象；2. 预热时间过长，活性剂消耗过度，在下一个温度区域即焊接区熔融时没有足够的活性剂及时清除与隔离高温产生的氧化物和助焊剂高温碳化的残留物，这种情况在炉后会表现出“虚焊”“残留物发黑”“焊点灰暗”等不良现象。

7.     回流焊接区C：回流区又称为焊接区或Refelow区。SAC305合金的熔点在217℃ - 218℃之间，所以本区域为>217℃的时间，峰值温度<245℃，时间为30 - 70秒。形成优质焊点的温度一般在焊料熔点之上15 - 30℃左右，所以回流区最低峰值温度应设置在230℃以上。考虑到Sn96.5Ag3.0Cu0.5无铅锡膏的熔点已经在217℃以上，为避免PCB和元器件受高温损坏，峰值温度最高应控制在250℃以下，据笔者了解，大部分工厂实际峰值温度最高在245℃以下。预热区之后，PCB板上温度以相对较快的速率上升到锡粉合金液相线，此时焊料开始熔融，继续线性升温到峰值温度后保持一段时间再开始下降到固相线。此时，锡膏中的各种组分全面发挥作用：松香或树脂软化并在焊料周围形成一层保护膜与氧气隔绝；表面活性剂被激活用于降低焊料和被焊面之间的表面张力，增强液态焊料的润湿力；活性剂继续与氧化物反应，不断清除高温产生的氧化物与被碳化物并提供部分流动性，直到反应完全结束；部分添加剂在高温下分解并挥发且不留下残留物；高沸点溶剂随着时间不断挥发，并在回焊结束时完全挥发；稳定剂均匀分布于金属中和焊点表面保护焊点不受氧化；焊料粉末从固态转变为液态，并随着焊剂润湿扩展；少量不同的金属发生化学反应生成金属间化合物，如典型的锡银铜合金会有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。回焊区是温度曲线中最核心的区段。峰值温度过低、时间过短，液态焊料没有足够的时间流动润湿，会造成“冷焊”“虚焊”“浸润不良（漏铜）”“焊点不光亮”和“残留物多”等缺陷；峰值温度过高或时间过长，会造成“PCB板变形”“元器件热损坏”“残留物发黑”等缺陷。它需要在峰值温度、PCB板和元器件能承受的温度上限与时间、形成最佳焊接效果的熔融时间之间寻求平衡，以获得理想的焊点。

8.     冷却区D：焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区。通常，SAC305合金锡膏的冷却区一般被认为是217℃ - 170℃之间的时间段。由于液态焊料降温到液相线以下后便形成固态焊点，形成焊点后的质量短期内肉眼无法判断，所以很多工厂往往不太重视冷却区的设定。然而，焊点的冷却速率关系到焊点的长期可靠性，必须认真对待。冷却区的管控要点主要是冷却速率。经过许多焊锡实验室研究得出的结论：快速降温有利于得到稳定可靠的焊点。通常人们直觉上认为应该缓慢降温，以抵消各元器件和焊点的热冲击。然而，回流焊锡膏钎焊慢速冷却会形成更多粗大的晶粒，在焊点界面层和内部产生较大的Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物颗粒，降低焊点机械强度和热循环寿命，并且可能导致焊点灰暗、光泽度低甚至无光泽。快速冷却能够形成平滑均匀且薄的金属间化物，形成细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小晶粒，使焊点的力学性能和可靠性得到显著提升与改善。在生产应用中，并非冷却速率越大越好，要结合回流焊设备的冷却能力、板子、元器件和焊点能承受的热冲击来考虑，应在保证焊点质量的同时不损害板子和元器件之间寻求平衡。最小冷却速率应在2.5℃以上，最佳冷却速率在3℃以上。考虑到元器件和PCB能承受的热冲击，最大冷却速率应控制在6 - 10℃。

9.     从回流焊接技术本身来看，其四个阶段的温度控制、时间设置以及各阶段中各种物质的反应等都非常关键。预热阶段要确保组件安全升温并达到合适温度，使焊膏中的挥发性溶剂脱气；热浸阶段要注意温度控制以防止焊料飞溅、氧化等问题；回流区是核心部分，峰值温度和时间的设置需要在多种因素间取得平衡，否则会出现诸如“冷焊”“虚焊”“PCB板变形”等各种缺陷；冷却区虽然常被忽视，但冷却速率对焊点长期可靠性影响很大，需要在设备能力、板子和元器件承受热冲击能力的基础上确定合适的冷却速率。

  <！--[endif]-->PPCB质量对回流焊接的影响： 焊盘的镀层厚度不足会导致焊接不良。装配有元件的焊盘表面上的涂层厚度不足会导致焊接不良，例如，锡的厚度不足会导致在高温下熔化时锡量不足，从而造成元件与焊盘焊接不良。 焊盘表面脏污会导致焊接不良。如果PCB未被正确清洁，焊盘表面会残留杂质，进而导致焊接不良。 湿膜偏差会导致焊接不良。 焊盘中存在缺陷可能导致部件不易焊接或脱落。BGA焊盘显影不干净且有杂质，可能导致焊接不当或误焊。BGA上的插孔突出，会导致BGA元件与焊盘之间接触不充分，容易断裂。 定位孔与电路图之间的距离不符合要求，会导致焊膏偏位或短路。在回流焊接过程中，多种因素会影响焊接质量。

11  在涉及PCB质量方面，如焊盘的镀层厚度不足、表面脏污、湿膜偏差、存在缺陷，BGA焊盘显影不干净、插孔突出，定位孔与电路图距离不符合要求等情况，都会导致焊接不良。这些因素表明，在回流焊接过程中，不仅要关注回流焊技术本身的工艺参数，还要重视PCB的质量状况，任何一个环节出现问题都可能影响最终的焊接效果和产品质量。