【2017年整理】热风回流焊接工艺和设备

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1、1.1 总体结构 热风回流焊炉总体结构主要分为加热区，冷却区，炉内气体循环装置，废气排放装置以及 PCB 传送等五大主体部分。见图 3： 炉体分为上下两个密封箱体，中间为传送带。部分炉体的长短主要根据加热区和冷却区的多少而不同，目前的回流炉的加热区有 410 个区不等，冷却区有12 个区不等，也有的炉不带冷却区，让 PCB 板出炉后在空气中自然冷却。每个温区的温度可编程设定，一般可设温度范围从室温到 275 度左右（视厂家设定），回流焊炉另一个重要的区别在于它是否具备进行充氮气焊接的能力，或是只能在空气环境下焊接。用户一般可根据自己的用途来选择炉体的长短和炉子的气体环境要求。 1.2 加热区结

2、构 1.2.1 加热区结构 炉体内每一个加热区的结构都是一样的。见图 4。在上下加热区各有一个马达驱动叶轮高速旋转，产生空气或氮气的吹力。气体经加热丝或其它材料加热后，从多孔板里吹出，打到 PCB 板上。有的回流炉的马达转速是可编程调节的，如 VITRONICS，可从 10003000RPM，而有的炉是厂家出厂时已固定的，如BTU 炉厂家出厂时已定为最高转速约 3000RPM。马达转速越快，风力越大，热交换能力越强。通过测量气体吹出的风压，可以监控马达的运转是否正常。由于回流过程中锡膏中助焊剂的挥发，可能凝结在叶轮上，降低风的效率，导致温度回流曲线的减低。因此有必要定期检查和清洁叶轮。 1.2

3、.2 温度控制 回流炉的每一个加热区的温度控制都是独立的闭环控制系统。温度控制器通过 PID 控制把温度保持在设定值。温度传感器采用的热偶线装在多孔板的下面，感应气流的温度。见图 5。 如果加热区的温度出现异常，例如不加温，或加温缓慢，一般需要检查固态继电器是否正常，加热区的加热器是否老化需要更换（一般使用多年的回流炉容易出现这个问题）。若出现温度显示错误，一般是热偶线已损坏。 1.3 冷却区结构 PCB 板经过回流焊接后，必须立即进行冷却，才能得到很好的焊接效果。因此在回流焊炉的最后都是有一个冷却区。冷却区的结构是一个水循环的热交换器。冷却风扇把热气吹到循环水换热器后，经降温的气体再打到 P

4、CB 板上。热交换器内的热量经循环水带走，循环水经降温后再流回换热器。见图 6。由于在冷却系统中，助焊剂（Flux）容易凝结，因此必须定期检查和清洁助焊剂过滤器上的助焊剂，否则热循环效率的下降会减低冷却系统的效率，使冷却变差，导致产品的焊接质量下降。过热焊接的 PCB 板的长期稳定性会下降。 虽然不同厂家的回流炉的冷却区的结构不尽相同,但基本的原理是一样的。冷却区一般有双面冷却和单面冷却两种结构。单面冷却是指只在传送带的上面装有冷却系统，而双面冷却在传送带上下两面都有冷却系统。图 7.1 和 7.2 是BTU 炉的结构。由图中可以看出冷却区由热交换器和冷却风扇组成。一般来讲，用单面的冷却就可以

5、满足普通电子产品的冷却需要。.4 气体控制 气体控制包括两个方面，一个是回流焊接需要气体的加入和炉内废气的排放。气体注入分为两种一种是氮气（N2），另一种是压缩空气。氮气炉一般密封极严，以防止炉外的氧气进入炉体。氧气含量是氮气炉的关键，它的大小影响到元件焊接质量。通过炉体采样气口连接氧气含量测试仪可以精确测量炉区内氧气含量。一般好的炉内的氧含量能低于 50PPM6。当不需要使用氮气时，炉内应注入压缩空气保持炉内的气体需要。炉内废气（包括助焊剂的挥发物，回流焊接产生的废烟）应不断地排出炉外以维护炉内的正常气体环境和保护操作工的健康。炉体的排气管应与整个工厂的排气装置相连。 1.5 传送带结构 回

6、流炉的产品传送装置一般有两类，一种是网式传送带，一种是轨道式传送带。根据产品需要用户可自己选择。一般的回流炉同时带有这两种传送带，为方便用户使用。传送带的转速是可编程确定的。由于带速直接影响回流焊接的温度曲线。因此带速的稳定性是至关重要的。回流焊接炉的带速控制也是闭环控制系统。见图 8。通过控制传送带的驱动马达的转速来控制带速。除了带速的稳定性外，传送带的机械运动的平稳性也很重要。因为在回流焊正在融化过程时，传送带的振动都会带来焊接缺陷，如元件偏位，焊接虚焊，掉件等问题。保证机械平稳的关键在于传送机构的维护保养的好坏。如链条和齿轮的清洁、润滑，直流电机的电刷的保养等都非常重要。传送带一般还配有

7、不间断电源（UPS） ，它可以在整个炉子电源意外中断时，维持传送带运行 510 分钟，直到把炉内的所有的 PCB 板送出，避免发生烧板事故。2.1 回流焊接的过程 回流焊的基本原理比较简单，它首先对 PCB 板的表面贴装元件（SMD）焊盘印刷锡膏，然后通过自动贴片机把 SMD 贴放到预先印制好锡膏的焊盘上。最后，通过回流焊接炉，在回流焊炉中逐渐加热，把锡膏融化，称为回流（Reflow），接着，把 PCB 板冷却，焊锡凝固，把元件和焊盘牢固地焊接到一起（见图9）。在回流焊中，焊盘和元件管脚都不融化。这是回流焊（Reflow Soldering）与金属融焊（Welding）的不同。 深入的了解回流

8、焊就必须从焊锡膏的作用原理和焊接过程中发生的物理化学变化入手。锡膏的成分主要锡铅合金的粉末和助焊剂混合而成。在受热的条件下，融化的焊锡材料中的锡原子和焊盘或焊接元件（主要成分是铜原子）的接触界面原子相互扩散，形成金属间化合物（IMC） ，首先形成的 Cu6Sn5，称 n-phase，它是形成焊接力的关键连接层， 只有形成了 n-phase，才表示有真正的可靠焊接。随着时间的推移，在 n-phase 和铜层之间中会继续生成 Cu3Sn，称为-phase，它将减弱焊接力量和减低长期可靠性。在焊点剖面的金相图中，可以清楚地看到这个结构。 （见图 10）金属间化合物是焊点强度的关键因素，因此许多人员专

9、门研究金属间化合物的变化对焊点的长期可靠性带来的影响 410。 为了保护焊盘或元件管脚的可焊性，一般它们表面都镀有锡铅合金层或有机保护层。对非铜的金属材料的管脚一般在管脚镀层和金属之间加有镀镍层作为阻断层防止金属扩散。这个镍镀层还用来阻挡与焊锡不可焊或不相容的金属与焊锡层的接触 5。另一个有关镀层的问题是关于镀金层的问题，有文章 5指出如果焊点中金的成分达到 34%以上，焊点有潜在的脆性增大的危险。 2.2 回流焊温度曲线 要得到好的回流焊接效果必须有一个好的回流温度曲线（Profile）。那么什么是一个好的回流曲线呢？一个好的回流曲线应该是对所要焊接的 PCB 板上的各种表面贴装元件都能够达

10、到良好的焊接，且焊点不仅具有良好的外观品质而且有良好的内在品质的温度曲线。 2.2.1 回流炉的参数设定 要得到一个炉温曲线首先应给回流炉一个参数设定。回流炉的参数设定一般称为 Recipe。Recipe 一般包括炉子每区的温度设定，传送带带速设定，以及是使用空气还是氮气。下表是 BTU 炉的一个 Recipe的设定。 温度设定：（单位：） 1T 2T 3T 4T 5T 6T 7T190 170 150 150 175 235 2551B 2B 3B 4B 5B 6B 7B190 170 150 150 175 235 255带速设定：（单位：cm/分） 传送带带速 75气体设定： 氮气 Of

11、f空气 On表中 1T7T，1B7B 分别表示回流炉上下温区的温度设定，传送带带速为 75 cm/分，焊接环境使用空气，不使用氮气。 设定一个回流曲线要考虑的因素有很多，一般包括： 所使用的锡膏特性，PCB 板的特性，回流炉的特点等。下面分别讨论。 2.2.2 锡膏特性与回流曲线的重要关系 锡膏特性决定回流曲线的基本特性。不同的锡膏由于助焊剂（Flux）有不同的化学组分，因此它的化学变化有不同的温度要求，对回流温度曲线也有不同的要求。一般锡膏供应商都能提供一个参考回流曲线，用户可在此基础上根据自己的产品特性优化。 图 11 是一个典型的 Sn63/Pb37 锡膏的温度回流曲线 6（P3-7）。

12、 以此图为例，来分析回流焊曲线。它可分为 4 个主要阶段： 1）把 PCB 板加热到 150左右，上升斜率为 1-3 /秒。 称预热（Preheat）阶段； 2）把整个板子慢慢加热到 183 。称均热（Soak 或 Equilibrium）阶段。时间一般为 60-90 秒。 3）把板子加热到融化区（183 以上），使锡膏融化。称回流（Reflow Spike）阶段。在回流阶段板子达到最高温度，一般是 215 +/-10 。回流时间以 45-60 秒为宜，最大不超过 90 秒。 4）曲线由最高温度点下降的过程。称冷却（Cooling）阶段。一般要求冷却的斜率为 2 -4/秒。预热阶段的目的是把锡

13、膏中较低熔点的溶剂挥发走。锡膏中助焊剂的主要成分包括松香，活性剂，黏度改善剂，和溶剂。溶剂的作用主要作为松香的载体和保证锡膏的储藏时间。预热阶段需把过多的溶剂挥发掉，但是一定要控制升温斜率，太高的升温速度会造成元件的热应力冲击，损伤元件或减低元件性能和寿命，后者带来的危害更大，因为产品已流到了客户手里。另一个原因是太高的升温速度会造成锡膏的塌陷，引起短路的危险，尤其对助焊剂含量较高（达 10%）的锡膏 5。 均热阶段的设定主要应参考焊锡膏供应商的建议和 PCB 板热容的大小。因为均热 阶段有两个作用，一个是使整个 PCB 板都能达到均匀的温度（175左右），均热的目的是为了减少进入回流区的热应

14、力冲击，以及其它焊接缺陷如元件翘起，某些大体积元件冷焊等。均热阶段另一个重要作用就是焊锡膏中的助焊剂开始发生活性反应，增大焊件表面润湿性能（及表面能），使得融化的焊锡能够很好地润湿焊件表面。由于均热段的重要性，因此均热时间和温度必须很好地控制，既要保证助焊剂能很好地清洁焊面，又要保证助焊剂到达回流之前没有完全消耗掉。助焊剂要保留到回流焊阶段是必需的，它能促进焊锡润湿过程和防止焊接表面的再氧化。尤其是目前使用低残留，免清洗（no-clean）的焊锡膏技术越来越多的情况下，焊膏的活性不是很强，且回流焊接的也多为空气回流焊，更应注意不能在均热阶段把助焊剂消耗光。 回流阶段，温度继续升高越过回流线（1

15、83），锡膏融化并发生润湿反应，开始生成金属间化合物层。到达最高温度（215 左右），然后开始降温，落到回流线以下，焊锡凝固。回流区同样应考虑温度的上升和下降斜率不能使元件受到热冲击。回流区的最高温度是由 PCB 板上的温度敏感元件的耐温能力决定的。在回流区的时间应该在保证元件完成良好焊接的前提下越短越好，一般为 30-60 秒最好，过长的回流时间和较高温度，如回流时间大于 90 秒，最高温度大于 230 度，会造成金属间化合物层增厚，影响焊点的长期可靠性 4。 冷却阶段的重要性往往被忽视。好的冷却过程对焊接的最后结果也起着关键作用。好的焊点应该是光亮的，平滑的。而如果冷却效果不好，会产生很多

16、问题诸如元件翘起，焊点发暗，焊点表面不光滑，以及会造成金属间化合物层增厚等问题。因此回流焊接必须提供良好的冷却曲线，既不能过慢造成冷却不良，又不能太快，造成元件的热冲击。 2.2.3 PCB 板的特性与回流曲线的关系 回流曲线的设定，与要焊接的 PCB 板的特性也有重要关系。板子的厚薄，元件的大小，元件周围有无大的吸热部件，如金属屏蔽材料，大面积的地线焊盘等，都对板子的温度变化有影响。因此笼统地说一个回流曲线的好坏是无意义的。一个回流曲线必须是针对某一个或某一类产品而测量得到的。因此如何准确测量回流曲线，来反映真实的回流焊接过程是非常重要的。常用的测量回流焊曲线的方法有三种： 1）用回流炉本身配备的长热偶线（一般常用的工业标准是 K 型热偶线），热偶线的一端焊接到 PCB 板上，另一端插到设备的预设热偶插口上。把板放进炉内，当板子从炉另一端出来时，用热偶线把板子从出口端拉回来。在测量的同时温度曲线就可显示到设备的显示器上。一般回流炉 都