回流焊接技术的工艺要点参考(炉温曲线调整)

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1、回流焊接技术的工艺要点和技术整合考虑前言：焊接，是电子板组装作业中的重要工序，如果没有很好的掌握它，不但会出现 许多“临时故障”还会直接影响焊点的寿命。测温仪几乎都有了，可是还有很多用户没有对所有产品进行测温认证、调整 温度设置；有的用户使用测温了，却没有掌握焊接工艺要点，又无法优化工 艺。本文希望通过对回流焊接原理和要点的解释，促使用户在本课题上做进一 步的学习和研究，以达到更好的处理这门技术的目的。在SMT回流焊接中有诸 如红外、热风、激光、白热光、热压等等技术。由于篇幅和时间的原因，本文 只对最常用的热风回流焊接技术作解释。另外，任何工艺结果，都是个综合 性。PCBA的组装质量，并不是单

2、由焊接工艺决定的。即使是如焊球之类看是 焊接问题的，也都是由设计、材料、设备、和工艺（包括焊接前的各工艺工 序）所合成的。所以技术整合应用和管理才是保证良好组装质量的根本做法。 以影响SMT的工序之多（注一）以及决定质量因素种类之多，要充分的解释技 术整合应用，即使用十数万字也是不够的。所以本文在有限的篇幅中，只对焊 接工艺做重点解释，对于其他相关的工艺、可制造性设计、材料质量、设备能 力等等都假设做得到位。焊接的基本要求：不论我们采用什么焊接技术，都应该保证满足焊接的基本要求，才能确保有好 的焊接结果。咼质量的焊接应具备以下5项基本要求。1. 适当的热量；2. 良好的润湿；3 适当的焊点大小

3、和形状；4. 受控的锡流方向；5焊接过程中焊接面不移动。适当的热量指对于所有焊接面的材料，都必须有足够的热能使它们熔化和形成 金属间界面（IMC），足够的热也是提供润湿的基本条件之一。另一方面，热 量又必须控制在一定程度内，以确保所接触到的材料（不只是焊端）不会受到 热损坏，以及IMC层的形成不至于太厚（注二）。润湿除了是较好可焊性的象征外，也是形成最终焊点形状的重要条件。不良的 润湿现象通常说明焊点的结构不理想，包括IMC的未完整成形以及焊点填充不 良等问题。这些问题都会影响焊点的寿命。要焊点有足够的寿命，就必须确保焊点的形状和大小符合焊端结构的要求。太 小的焊点其机械强力不足，无法承受使用

4、中的应力，甚至连焊接后存在的内应 力也无法承受。而一旦在使用中开始出现疲劳或蠕变开裂，其断裂速度也较 快。焊点的形状不良还会造成舍重取轻的现象，缩短焊点的寿命期。受控的锡流方向也是焊接工艺中的重要部分。熔化的焊锡必须往所需要的方向 流动，才能确保焊点的形成受控。在波峰焊接工艺中的盗锡焊盘和阻焊层 （绿油）的使用，以及回流焊接工艺中的吸锡现象，就是和锡流方向控制有关 的技术细节。焊接过程中如果焊端移动，根据移动的情况和时间而定，不但会影响焊点的形 状大小，还可能造成虚焊和内孔情况。这都将影响焊点的质量寿命。所以整个 产品的设计以及工艺，都必须照顾到焊接过程中焊端保持不动状态。在回流焊接工艺中，除

5、了以上通用焊接条件外，还有特别的一点，就是必须把 经过印刷工艺后没有作用的锡膏中的化学成分及时挥发处理。这点尤其是在双 面焊接工艺中的首面要求更严格。以上的技术要求，我们在设计和处理回流焊接工艺时都必须注意。下面我们来 进一步了解回流焊接工艺以及它可控制的手段技巧。回流焊接温度直线：由于整个回流焊接的工艺要点在于控制PCBA上各点的温度和时间，温度曲线 是个常用和重要的工艺管理工具。从基本理论上来看，图一中的温度直线 是可以做到焊接效果的。图一 基本上，如果我们能够在升温不太快的情况下（避免造成热冲击损害），使焊 端的温度上升到超过其熔化温度（但不超过产品安全温度），并保持适当的时 间（提供适

6、当的热量）后受控降温。我们是可能达到焊接要求的。事实上这很难做到。主要存在三个问题。一是我们的实际产品存在不同的器件 和布线，这意味着PCBA上不同点有热容量的差别。所以我们可能出现以下图 二中的情况。图二从图二中我们可以看到板上有热点和冷点需要同时照顾到其各自的温度/时间需 求。当我们如图二中把冷点（B ）的温度调到符合焊接要求时，板上的热点（A）有可能已经超出安全温度而造成损坏。但如果我们把温度降低到A点符合要求 时，则B点可能又出现冷焊故障。温度直线所面对的第二个问题，是在实际焊接中我们必须首先处理锡膏中已经 无用的成分，使其完全并温和的挥发。这挥发工艺对于不同的锡膏有不同的要 求。而由

7、于锡膏中存在溶剂、稳定剂、稀释剂和浓化剂等多种成分，各成分对 挥发所需要的时间和温度又有不同，我们未必在以上热、冷点的限制下能够通 过直线完成。在产品设计不复杂的情况下（热容量差距小和安全窗口大），我 们可能可以通过放缓升温速度来达到要求，但从室温到峰值温度一般需要200 度左右（无铅技术更高），这对需要快速生产的用户又是个难题。第三个问题，是PCBA设计一般牵涉到许多不同的器件材料和封装，而我们面 前采用的回流炉子以热风技术为多，空气本身并不是个很好的热导体，其传热 必须依靠对流效果。而空气流动的控制是个高难度的工艺，何况必须控制到 SMT焊端这么微小的面积精度上，更几乎是不可能做得很好。加

8、上PCBA上器 件的布局对空气流动的影响，使我们在处理PCBA上各点的温度和时间关系上 难以兼顾。这造成了我们如果要解决所有焊接相关的问题（例如焊球、气孔、 吸锡等），我们必须有个能够灵活设置和调整的曲线。回流温度曲线：如果我们要避开以上温度直线的问题，并拥有较好的工艺能力的话。我们需要 类似以下图三的温度曲线。图三：温度曲线从上图中我们可以看到，整个回流焊接过程可以分5个工序。即是：1. 升温2. 恒温3. 助焊4焊接5. 冷却第一工序的升温目的，是在不损害产品的情况下，尽快使PCBA上的各点的温 度进入工作状态。所谓工作状态，即开始对无助于焊接的锡膏成份进行挥发处 理。恒温区起着两个作用。

9、一是恒温，就是提供足够的时间让冷点的温度追上 热点。当焊点的温度越接近热风温度时，其升温速率就越慢，我们就利用这种 现象来使冷点的温度逐渐接近热点温度。使热冷点温度接近的目的，是为了减 少进入助焊和焊接区时峰值温差的幅度，便于控制个焊点的质量和确保一致 性。恒温区的第二个作用是对锡膏中已经没有用的化学成份进行挥发处理。助焊工序是锡膏中的活性材料（助焊剂）发挥作用的时候。此刻的温度和时间 提供助焊剂清洗氧化物所需的活化条件。当温度进入焊接区后，所提供的热量足以熔化锡膏的金属颗粒。一般上器件焊 端和PCB焊盘所使用的材料，其熔点都高于锡膏，所以本区的开始温度由锡膏 特性决定。例如以63Sn37锡膏

10、来说，此温度为183*。升温超过此温度后，温 度必须继续上升，并保持足够的时间使熔化的锡膏有足够的润湿性，以及能够 和各器件焊端以及PCB焊盘间形成IMC为准。最后的冷却区作用，除了使PCBA回到室温便于后工序的操作外，冷却速度也 可以控制焊点内部的微结晶结构。这影响焊点的寿命。回流焊接工艺故障和曲线的关系：以上提到的5个回流焊接工序中，每一部分都有它的作用，而相关的故障模式 也不同。处理这些工艺问题的关键在于对它们的理解以及如何判断故障模式和 工序的关系。比如第一个升温工序，如果设置不当造成的故障将可能是气爆、溅锡引 起的焊球、材料受热冲击损坏等问题。恒温工序造成的问题可能是热坍塌、连锡桥接

11、、高残留物、焊 球、润湿不良、气孔、立碑等等。助焊工序相关问题有焊球、润湿不良、虚焊等等。焊接工序设置不当的相关问题可能是润湿不良、吸锡、缩锡、 焊球、IMC形成不良、立碑、过热损坏、冷焊、焦 炭、焊端溶解等等。冷却所可能造成的问题一般较少和较轻。但如果设置不当，也将可能影响焊点 的寿命。如果马上进入清洗工艺，则可能造成清洁剂内渗而难以清洗的问题。必须注意的是，前4项工序是连贯性的，相互间也有关系。所以故障模式并不 常是那么容易区分。例如立碑和焊球故障往往必须综合调整才能够完 全解决问题。常见的回流焊接工艺设置问题：本文开始时我提到了不少用户在回流焊接上做得不理想。以下是常见的一些问 题和错误

12、。读者不妨也看看本身是否存在这些问题。1. 完全按照锡膏供应商所提供的温度曲线指标来设置炉温目前绝大多数的用户，在焊接温度的设置上都只用锡膏供应商所提供的资料 作为根据。这引出了两个问题。一是锡膏供应商所建议的曲线只做锡膏焊接 性方面的考虑，而并不可能知道用户PCBA上的其他要求。所以曲线只能作 为参考而非标准。尤其是焊接区的温度和时间部分，用户的考虑需求往往不 是锡膏方面的。另外，锡膏供应商在恒温区的特性要求上往往不是十分精 确，这和锡膏供应行业的特性有关。因此造成了用户焊接工艺设置不能优 化。2. 缺乏工艺窗口的概念在工程项目中，我们很忌讳缺乏窗口、上下限和公差的概念。 因为这样将使我们忽

13、略和无法优化以及控制我们的技术特性参数。回流焊接 工艺也是如此。虽然以上如图二在解释原理时我们只用单一曲线指标。但实 际工作中，我们对于每一个工艺特性参数，都必须有上限和下限。也就是有 个明确的工艺窗口才好操作。3. 热冷点的错误判断有了工艺窗口后，适当的做法是确保PCBA上的每一点的温度都在这窗口范 围内。在实际工作中我们不可能对每一个焊点进行测量。所以回流焊接工艺 设置的要点在于如何确认PCBA上的最冷和最热点。当我们将这两点的要求 都能够通过工艺调整来满足时，其他的焊点自然就同时得到满足。传统的做 法中，用户多通过外观观察器件的大小来决定测温热耦该设置在什么地方。 这是一套十分陈旧的做法

14、。在以往的红外线焊接技术中还可能有几分可 靠。，但到了热风焊接中其可靠性就很小了。如果读者曾见到诸如0603的 小矩形件的两端温差高达8度，或QFP四周引脚温差达13度，或在拼版上 不同电路的同一器件焊点位置上有高达20度的温差情况时，就会相信这观 察预测的做法是绝对不行的。我甚至见过有用户使用未贴片裸板，把热耦选择接在四角和中央位置来测温 的，这和盲目设置炉温又有什么两样。？4轻重取舍不清在设置和调制焊接工艺时，我们可能会遇到设计难度高的产品。这些产品可 能由于板上器件的选择和布局造成其间热容量出现巨大的差异。如果再遇到 所采用的回流炉能力不是很强，或所采用的锡膏在焊接窗口上容忍性不是很 高

15、的话，工艺调制可能无法兼顾到所有的焊点质量。在这种情况下，我们就 必须对焊点质量进行取舍。不少用户由于DFM/DFR （可制造性设计/可靠性 设计）做得不到位，或生产部对产品上各材料/焊点的寿命要求不了解，造 成无法有效进行取舍，正由于缺乏前面3步的正确做法，不少用户甚至对于 这种工艺调制优化的做法完全没有意识。5.误把五个工艺当成单一工艺本文先前提到，回流焊接事实上是包括了升温、恒温、助焊、焊接、和冷却 5个工序的一套工艺。如果忽略了这个重要环节，对于我们解决工艺问题可 能造成混乱或错误的决策。例如焊球问题的处理，焊球问题在升温、恒温或 助焊工序处理不当时都可能出现，但成因各异。升温工序造成的焊球问题多 是由于气爆引起，也多半和材料质量、库存时间和条件以及锡膏印刷工艺有 关（注三）。但如果是恒温工序造成的，则多和温度/时间设置不当，或锡 膏变质有关。和助焊工序相关的，则是氧化程度偏高以及温度/时间设置不 当引起。各情况下出现的焊球其表象各不相同，处理方法也不一样。如果没 有把它当成不同工序不同机理来分析，就只可能胡乱调整设备或盲目尝试 了。我曾在一些国内外的技术论文中见到用DOE来优化回流炉温度和链速参数 设置的。这是把5种工序混成一体处理的做法。这做法的效果（注四）应该 给于仔细评估。在没有使用热冷点测温做法的情况下，这种DOE做法或许 能给我们带来