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。很多文獻與資料都提到回流焊溫度曲線的設(shè)置。對于一款新產(chǎn)品、新爐子、新錫膏，如何快速設(shè)定回流焊溫度曲線？這需要我們對溫度曲線的概念和錫膏焊接原理有基本的認識。

    本文以蕞常用的無鉛錫膏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無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖

    圖一所示為典型的SAC305合金無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖。圖中黃、橙、綠、紫、藍和黑6條曲線即為溫度曲線。構(gòu)成曲線的每一個點代表了對應(yīng)PCB上測溫點在過爐時相應(yīng)時間測得的溫度。隨著時間連續(xù)的記錄即時溫度，把這些點連接起來，就得到了連續(xù)變化的曲線。也可以看做PCB上測試點的溫度在爐子內(nèi)隨著時間變化的過程。

    那么，我們把這個曲線分成4個區(qū)域，就得到了PCB在通過回流焊時某一個區(qū)域所經(jīng)歷的時間。在這里，我們還要闡明另一個概念“斜率①”。用PCB通過回流焊某個區(qū)域的時間除以這個時間段內(nèi)溫度變化的絕對值，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四個區(qū)段，分別為定義為A：升溫區(qū)，B：預熱恒溫區(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)深入解析個區(qū)段的設(shè)置與意義：

    一、回流焊升溫區(qū)A

    PCB進入回流焊鏈條或網(wǎng)帶，從室溫開始受熱到150℃的區(qū)域叫做升溫區(qū)。升溫區(qū)的時間設(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較快的線性上升，錫膏中的低沸點溶劑開始部分揮發(fā)。若斜率太大，升溫速率過快，錫膏勢必由于低沸點溶劑的快速揮發(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。過大的斜率也會由于熱應(yīng)力的原因造成例如陶瓷電容微裂、PCB板變形曲翹、BGA內(nèi)部損壞等機械損傷。

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

    二、回流焊預熱恒溫區(qū)B

    此區(qū)域在很多文獻和供應(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℃，時間窗口在60-120秒之間。PCB板上各個部分緩緩受到熱風加熱，溫度隨時間緩慢上升。斜率在0.3-0.8之間。

    此時錫膏中的有機溶劑繼續(xù)揮發(fā)。活性物質(zhì)被溫度激活開始發(fā)揮作用，清除焊盤表面、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，在錫膏熔融之前達到最小的溫差，為在下一個溫度分區(qū)內(nèi)熔融焊接做好準備。這是防止“墓碑”缺陷的重要方法。眾多無鉛錫膏廠商的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溫度區(qū)間內(nèi)預熱的原因之一。

    需要注意的是：1、預熱時間過短。活性劑③與氧化物反應(yīng)時間不夠，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)、低沸點溶劑揮發(fā)量不足，這將導致焊接時溶劑猛烈沸騰而發(fā)生飛濺產(chǎn)生“錫珠”。潤濕不足，可能會產(chǎn)生浸潤不足的“少錫”“虛焊”、“空焊”、“漏銅”的不良。2、預熱時間過長。活性劑消耗過度，在下一個溫度區(qū)域焊接區(qū)熔融時沒有足夠的活性劑即時清除與隔離高溫產(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表現(xiàn)出“虛焊”、“殘留物發(fā)黑”、“焊點灰暗”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合金的熔點在217℃-218℃之間④，所以本區(qū)域為＞217℃的時間，峰值溫度＜245℃，時間30-70秒。形成優(yōu)質(zhì)焊點的溫度一般在焊料熔點之上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。考慮到Sn96.5Ag3.0Cu0.5無鉛錫膏的熔點已經(jīng)在217℃以上，為照顧到PCB和元器件不受高溫損壞，峰值溫度蕞高應(yīng)控制在250℃以下，筆者所見大部分工廠實際峰值溫度蕞高在245℃以下。

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

    此時錫膏中的各種組分全面發(fā)揮作用：松香或樹脂軟化并在焊料周圍形成一層保護膜與氧氣隔絕。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，增強液態(tài)焊料的潤濕力。活性劑繼續(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。高沸點溶劑隨著時間不斷揮發(fā)，并在回焊結(jié)束時完全揮發(fā)。穩(wěn)定劑均勻分布于金屬中和焊點表面保護焊點不受氧化。焊料粉末從固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，并隨著焊劑潤濕擴展。少量不同的金屬發(fā)生化學反應(yīng)生產(chǎn)金屬間化合物，如典型的錫銀銅合金會有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。

    回焊區(qū)是溫度曲線中蕞核心的區(qū)段。峰值溫度過低、時間過短，液態(tài)焊料沒有足夠的時間流動潤濕，造成“冷焊”、“虛焊”、“浸潤不良（漏銅）”、“焊點不光亮”和“殘留物多”等缺陷；峰值溫度過高或時間過長，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間、形成蕞佳焊接效果的熔融時間之間尋求平衡，以期獲得理想的焊點。

    四、回流焊冷卻區(qū)D

    焊點溫度從液相線開始向下降低的區(qū)段稱為冷卻區(qū)。通常SAC305合金錫膏的冷卻區(qū)一般認為是217℃-170℃之間的時間段（也有的文獻提出蕞低到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，形成焊點后的質(zhì)量短期內(nèi)肉眼無法判斷，所以很多工廠往往不是很重視冷卻區(qū)的設(shè)定。然而焊點的冷卻速率關(guān)乎焊點的長期可靠性，不能不認真對待。

    冷卻區(qū)的管控要點主要是冷卻速率。經(jīng)過很多焊錫實驗室研究得出的結(jié)論：快速降溫有利于得到穩(wěn)定可靠的焊點。

    通常人們的直覺認為應(yīng)該緩慢降溫，以抵消各元器件和焊點的熱沖擊。然而，回流焊錫膏釬焊慢速冷卻會形成更多粗大的晶粒，在焊點界面層和內(nèi)部生較大Ag3Sn、Cu6Sn5等金屬間化合物顆粒。降低焊點機械強度和熱循環(huán)壽命，并且有可能造成焊點灰暗光澤度低甚至無光澤。

    快速的冷卻能形成平滑均勻而薄的金屬間化物，形成細小富錫枝狀晶和錫基體中彌散的細小晶粒，使焊點力學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、元器件和焊點能承受的熱沖擊來考量。應(yīng)該在保證焊點質(zhì)量時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。考慮到元器件和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，蕞好選擇帶水冷功能的回流焊而獲得較強的冷卻能力儲備。