再流焊也叫回流焊.doc

再流焊也叫回流焊，是伴随微型化电子产品的出现而发展起来的焊接技术，主要应用于各类表面组装元器件的焊接。这种焊接技术的焊料是焊锡膏。预先在电路板的焊盘上涂上适量和适当形式的焊锡膏，再把SMT元器件贴放到相应的位置；焊锡膏具有一定粘性，使元器件固定；然后让贴装好元器件的电路板进入再流焊设备。传送系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域，焊锡膏经过干燥、预热、熔化、润湿、冷却，将元器件焊接到印制板上。
　　再流焊的核心环节是利用外部热源加热，使焊料熔化而再次流动浸润，完成电路板的焊接过程。

1．1 远红外再流焊
     1．1 远红外再流焊
    八十年代使用的远红外再流焊具有加热快、节能、运行平稳的特点，但由于印制板及各种元器件因材质、色泽不同而对辐射热吸收率有很大差异，造成电路上各种不同元器件以及不同部位温度不均匀，即局部温差。例如集成电路的黑色塑料封装体上会因辐射吸收率高而过热，而其焊接部位——银白色引线上反而温度低产生假焊。另外，印制板上热辐射被阻挡的部位，例如在大(高)元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件就会因加热不足而造成焊接不良。
1．2 全热风再流焊
    全热风再流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环，从而实现被焊件加热的焊接方法。该类设备在90年代开始兴起。由于采用此种加热方式，印制板和元器件的温度接近给定的加热温区的气体温度，完全克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应，故目前应用较广。 在全热风再流焊设备中，循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体作用于印制板的任一区域，气流必须具有足够快的速度。这在一定程度上易造成印制板的抖动和元器件的移位。此外，采用此种加热方式就热交换方式而言，效率较差，耗电较多。
    1．3 红外热风再流焊
    这类再流焊炉是在IR炉基础上加上热风使炉内温度更均匀，是目前较为理想的加热方式。这类设备充分利用了红外线穿透力强的特点，热效率高，节电，同时有效克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应，并弥补了热风再流焊对气体流速要求过快而造成的影响，因此这种IR+Hot的再流焊目前在国际上是使用得最普遍的。
    随着组装密度的提高、精细间距组装技术的出现，还出现了氮气保护的再流焊炉。在氮气保护条件下进行焊接可防止氧化，提高焊接润湿力，加快润湿速度，对未贴正的元件矫正力大，焊珠减少，更适合于免清洗工艺。

       2 温度曲线的建立
    温度曲线是指SMA通过回流炉时，SMA上某一点的温度随时间变化的曲线。温度曲线提供了一种直观的方法，来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性，避免由于超温而对元件造成损坏，以及保证焊接质量都非常有用。一个典型的温度曲线如图1所示。

    以下从预热段开始进行简要分析。
    2.1 预热段
    该区域的目的是把室温的PCB尽快加热，以达到第二个特定目标，但升温速率要控制在适当范围以内，如果过快，会产生热冲击，电路板和元件都可能受损；过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质量。由于加热速度较快，在温区的后段SMA内的温差较大。为防止热冲击对元件的损伤，一般规定最大速度为4℃/s。然而，通常上升速率设定为1-3℃／s。典型的升温速率为2℃／s。
    2．2 保温段
    保温段是指温度从120℃-150℃升至焊膏熔点的区域。其主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定，尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到保温段结束，焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去，整个电路板的温度达到平衡。应注意的是SMA上所有元件在这一段结束时应具有相同的温度，否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。
    2．3 回流段
    在这一区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度。在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同，一般推荐为焊膏的溶点温度加20-40℃。对于熔点为183℃的63Sn／37Pb焊膏和熔点为179℃的Sn62／Pb36／Ag2焊膏，峰值温度一般为210-230℃，再流时间不要过长，以防对SMA造成不良影响。理想的温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的面积最小。
    2．4 冷却段
    这段中焊膏内的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致电路板的更多分解而进入锡中，从而产生灰暗毛糙的焊点。在极端的情形下，它能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。冷却段降温速率一般为3-10℃／s，冷却至75℃即可。
    测量再流焊温度曲线时需使用温度曲线测试仪(以下简称测温仪)，其主体是扁平金属盒子，一端插座接着几个带有细导线的微型热电偶探头。测量时可用焊料、胶粘剂、高温胶带固定在测试点上，打开测温仪上的开关，测温仪随同被测印制板一起进入炉腔，自动按内编时间程序进行采样记录。测试记录完毕，将测试仪与打印机连接，便可打印出多根各种色彩的温度曲线。测温仪作为SMT工艺人员的眼睛与工具，在国外SMT行业中已被相当普遍地使用。
    在使用测温仪时，应注意以下几点：
    ①测定时，必须使用已完全装配过的板。首先对印制板元器件进行热特性分析，由于印制板受热性能不同，元器件体积大小及材料差异等原因，各点实际受热升温不相同，找出最热点、最冷点，分别设置热电偶便可测量出最高温度与最低温度。 ②尽可能多设置热电偶测试点，以求全面反映印制板各部分真实受热状态。例如印制板中心与边缘受热程度不一样，大体积元件与小型元件热容量不同及热敏感元件都必须设置测试点。
    ③热电偶探头外形微小，必须用指定高温焊料或胶粘剂固定在测试位置，否则受热松动，偏离预定测试点，引起测试误差。
    ④所用电池为锂电池与可重复充电镍镉电池两种。结合具体情况合理测试及时充电，以保证测试数据准确性。
3 影响再流焊加热不均匀的主要因素
在SMT再流焊工艺造成对元件加热不均匀的原因主要有：再流焊元件热容量或吸收热量的差别，传送带或加热器边缘影响，再流焊产品负载等三个方面。
    ①通常PLCC、QFP与一个分立片状元件相比热容量要大，焊接大面积元件就比小元件更困难些。
    ②在再流焊炉中，传送带在周而复始传送产品进行再流焊的同时，也成为一个散热系统。此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同，边缘一般温度偏低，炉内除各温区温度要求不同外，同一载面的温度也有差异。
   ③产品装载量不同的影响。再流焊的温度曲线的调整要考虑在空载、负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。负载因子定义为：LF=L／(L+S)；其中L=组装基板的长度，S=组装基板的间隔。
再流焊工艺要得到重复性好的结果，负载因子愈大愈困难。通常再流焊炉的最大负载因子的范围为0．5-0．9。这要根据产品情况(元件焊接密度、不同基板)和再流炉的不同型号来决定。要得到良好的焊接效果和重复性，实践经验是很重要的。
4 与再流焊相关焊接缺陷的原因分析
4.1 桥联
    焊接加热过程中也会产生焊料塌边，这个情况出现在预热和主加热两种场合，当预热温度在几十至一百度范围内，作为焊料中成分之一的溶剂即会降低粘度而流出，如果其流出的趋势是十分强烈的，会同时将焊料颗粒挤出焊区外的含金颗粒，在熔融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留的焊料球。 除上面的因素外，SMD元件端电极是否平整良好，电路线路板布线设计与焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等都会是造成桥联的原因。
4．2 立碑(曼哈顿现象)
    片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立，这是因为急热使元件两端存在温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润，而另一边的焊料未完全熔融而引起湿润不良，这样促进了元件的翘立。因此，加热时要从时间要素的角度考虑，使水平方向的加热形成均衡的温度分布，避免急热的产生。 防止元件翘立的主要因素有以下几点：
    ①选择粘接力强的焊料，焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高；
    ②元件的外部电极需要有良好的湿润性和湿润稳定性。推荐：温度40℃以下，湿度70％RH以下，进厂元件的使用期不可超过6个月；
    ③采用小的焊区宽度尺寸，以减少焊料熔融时对元件端部产生的表面张力。另外可适当减小焊料的印刷厚度，如选用100μm；
    ④焊接温度管理条件设定也是元件翘立的一个因素。通常的目标是加热要均匀，特别在元件两连接端的焊接圆角形成之前，均衡加热不可出现波动。
4．3 润湿不良
    润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区(铜箔)或SMD的外部电极，经浸润后不生成相互间的反应层，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物、锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0．005％以上时，由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。选择合适的焊料，并设定合理的焊接温度曲线。

· 一、焊料
目前一般采用Sn63／Pb37棒状共晶焊料，熔点183℃。使用过程中,Sn和Pb的含量分别保持在±l％以内；Sn的最小含量为61.5％：焊料中主要杂质的最大含量控制在以下范围内：
Cu<0.08％；A1<0.005％；Fe<0.02％；Bi<0.1％；Zn<0.002％；Sb<0.02％；As<0.05％。根据设备的使用情况定期(三个月至半年)检测焊料的主要杂质以及Sn和Pb的含量，不符合要求时更换焊锡或采取其它措施，例如当Sn含量少于标准要求时，可掺加一些纯Sn。
二.焊剂和焊剂的选择
预热的作用
1.焊剂的作用
(1)焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活性化反应，能去除焊接金属表面氧化膜，同时松香树旨又能保护金属表面在高温下不再氧化。
(2)焊剂能降低熔融焊料的表面张力，有利于焊料的润湿和扩散。
2.焊剂的特性要求
(1)熔点比焊料低，扩展率>85％。
( 2)粘度和比重比熔融焊料小，容易被置换，不产生毒气。焊剂的比重可以用溶剂来稀释，一般控制在0.82-0.84。
(3)免清洗型焊剂的比重<0.8，要求固体含量<2.0wt％，不含卤化物，焊后残留物少，不产生腐蚀作用，绝缘性能好，绝缘电阻>1x1011 Ω。
(4)水清洗、半水清洗和溶剂清洗型焊剂要求焊后易清洗。
(5)常温下储存稳定。
3.焊剂的选择
按照清洗要求，焊剂分为免清洗、水清洗、半水清洗和溶剂清洗四种类型。按照松香的活性分类，可分为R(非活性)、RMA(中等活性)、RA(全活性)三种类型，要根据产品对清洁度和电性能的具体要求进行选择。
一般情况下军用及生命保障类产品，如卫星、飞机仪表、潜艇通信、医疗装置和微弱信号测试仪器等电子产品必须采用清洗型的焊剂。其他如通信类、工业设备类、办公设备类及计算机等类型的电子产品可采用免清洗或清洗型的焊剂。一般家用电器类电子产品均可采用免清洗型焊剂或采用RMA(中等活性)松香型焊剂，可不清洗。
三、稀释剂
当焊剂的比重超过要求值时，可使用稀释剂进行稀释；不同型号的焊剂应采用相应的稀释剂。
四、防氧化剂 防氧化剂是为减少焊接时焊料在高温下氧化而加大的辅料，起节约焊料和提高焊接质量作用，目前主要采用油类与还原剂组成的防氧化剂。要求防氧化剂还原能力强、在焊接温度下不碳化。
五、锡渣减除剂 锡渣减除剂能使熔融的焊锡与锡渣分离，从而起到节省焊料的作用。
六、阻焊剂或耐高温阻焊胶带 用于防止波峰焊时后附元件的插孔被焊料堵塞等。

　金属元素原子构造的共同特点，就是它的最外层电子（价电子）的数目少（一般仅有1-2个），而且它们与原子核的结合力弱，很容易摆脱原子核的束缚而变成自由电子。当大量的金属原子聚合在一起构成金属晶体时，绝大部分金属原子都将失去其价电子而变成正离子，正离子又按一定几何形式规则地排列起来，并在固定的位置上作高频率的热振动。而脱离了原子束缚的那些价电子都以自由电子的形式，在各离子间自由运动，它们为整个金属所共有，形成所谓“电子气”。金属晶体就是依靠各正离子与公有的自由电子间的相互引力而结合起来的，而离子与离子间以及电子与电子间的斥力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为“金属键”。 

　　由于金属晶体是金属键结合，因而使金属具有上述一系列的金属特性。例如：金属中的自由电子在外电场作用下会沿着电场方向作定向运动，形成电流，从而显示良好的导电性。而靠离子键或共价键结合的非金属晶体，由于没有自由电子存在，故无这种特性。又如：因金属中正离子是以某一固定位置为中心作热振动的，对自由电子的流通就有阻碍作用，这就是金属具有电阻的原因。随着温度的升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，因而金属的电阻是随着温度的升高而增大的，即具有正的电阻温度系数。此外，由于自由电子的运动和正离子振动可以传递热能，因而使金属具有较好的导热性。当金属发生塑性变形（即晶体中原子发生了相对位移）后，正离子与自由电子间仍能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。因为金属晶体中的自由电子能吸收可见光的能量，故使金属具有不透明性。吸收能量而跳到较高能级的电子，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表现为金属的光泽。