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再流焊工艺技术研究

摘 要 伴随表面贴装技术发展，再流焊越来越受到大家重视，本文从多个方面对再流焊工艺进行了较具体介绍。
关键词 再流焊 表面贴装技术 表面组装组件 温度曲线
再流焊接是表面贴装技术（SMT）特相关键工艺，焊接工艺质量优劣不仅影响正常生产，也影响最终产品质量和可靠性。所以对再流焊工艺进行深入研究，并据此开发合理再流焊温度曲线，是确保表面组装质量关键步骤。
影响再流焊工艺原因很多，也很复杂，需要工艺人员在生产中不停研究探讨，本文将从多个方面来进行探讨。
一、 一、          再流焊设备发展
在电子行业中，大量表面组装组件（SMA）经过再流焊机进行焊接，现在再流焊热传输方法经历了远红外线--全热风--红外/ 热风二个阶段。
远红外再流焊
八十年代使用远红外流焊含有加热快、节能、运作平稳特点，但因为印制板及多种元器件因材质、色泽不一样而对辐射热吸收率有很大差异，造成电路上多种不一样元器件测验不一样部位温度不均匀，即局部温差。比如集成电路黑色塑料封装体上会因辐射被吸收率高而过热，而其焊接部位一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部位，比如在大（高）元器件阴影部位焊接引脚或小元器件就会加热不足而造成焊接不良。
全热风再流焊
全热风再流焊是一个经过对流喷射管嘴或耐热风机来迫使气流循环，从而实现被焊件加热焊接方法。该类设备在90年代开始兴起。因为采取此种加热方法，印制板和元器件温度靠近给定加热温区气体温度，完全克服了红外再流焊温差和遮蔽效应，故现在应用较广。
在全热风再流焊设备中，循环气体对流速度至关关键。为确保循环气体作用于印制板任一区域，气流必需含有足够快速度。这在一定程度上易造成印制板抖动和元器件移位。另外，采取此种加热方法而言，效率较差，耗电较多。
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，是现在较为理想加热方法。这类设备充足利用了红外线穿透力强特点，热效率高，节电，同时有效克服了红外再流焊温差和遮蔽效应，并填补了热风再流焊对气体流速要求过快而造成影响，所以这种IR+Hot再流焊在国际上现在是使用最普遍。
伴随组装密度提升，精细间距组装技术出现，还出现了氮气保护再流焊炉。在氮气保护条件下进行焊接可预防氧化，提升焊接润湿力润湿速度加紧，对未贴正元件矫正人力，焊珠降低，更适合于免清洗工艺。
二、 二、          温度曲线建立
温度曲线是指SMA经过回炉时，SMA上某一点温度随时间改变曲线。温度曲线提供了一个直观方法，来分析某个元件在整个回流焊过程中温度改变情况。这对于取得最好可焊性，避免因为超温而对元件造成损坏，和确保焊接质量全部很有用。
一个经典温度曲线以下图所表示。

以下从预热段开始进行简明分析。
预热段：
该区域目标是把室温PCB立即加热，以达成第二个特定目标，但升温速率要控制在合适范围以内，假如过快，会产生热冲击，电路板和元件全部可能受损，过慢，则溶剂挥发不充足，影响焊接质量。因为加热速度较快，在温区后段SMA内温差较大。为预防热冲击对元件损伤。通常要求最大速度为40C/S。然而，通常上升速率设定为1~30C/S。经典升温度速率为20C/S.
保温段：
是指温度从1200C~1500C升至焊膏熔点区域。保温段关键目标是使SMA内各元件温度趋于稳定，尽可能降低温差。在这个区域里给足够时间使较大元件温度赶上较小元件，并确保焊膏中助焊剂得到充足挥发。到保温段结束，焊盘、焊料球及元件引脚上氧化物被除去，整个电路板温度达成平衡。应注意是SMA上全部元件在这一段结束时应含有相同温度，不然进入到回流段将会因为各部分温度不均产生多种不良焊接现象。
回流段:
在这一区域里加热器温度设置得最高，使组件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不一样而不一样，通常推荐为焊膏为焊膏溶点温度加20-400C.对于熔点为1830C63Sn/37Pb焊膏和熔点为1790CSn62/Pb36/Ag2膏焊，峰值温度通常为210-2300C，再流时间不要过长，以防对SMA造成不良影响。理想温度曲线是超出焊锡熔点“尖端区”覆盖体积最小。
冷却段
这段中焊膏中铅锡粉末已经熔化并充足润湿被连接表面，应该用尽可能快速度来进行冷却，这么将有利于得到明亮焊点并有好外形和低接触角度。缓慢冷却会造成电路板更多分解而进入锡中，从而产生昏暗毛糙焊点。在极端情形下，它能引发沾锡不良和弱焊点结协力。冷却段降温速率通常为3~100C/S,冷却至750C即可。
测量再流焊温度曲线测试仪（以下简称测温仪），其主体是扁平金属盒子，一端插座接着多个带有细导线微型热电偶探头。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统计。测试统计完成，将测试仪和打印机连接， 便可打印出多根多种色彩温度曲线。测温仪作为SMT工艺人员眼睛和工具，在国外SMT行业中已相当普遍地使用。
在使用测温仪时，应注意以下几点：
1. 1.         测定时，必需使用已完全装配过板。首先对印制板元器件进行热特征分析，因为印制板受热性能不一样，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，长出最热点，最冷点，分别设置热电偶便何测量出最高温度和最低温度。
2. 2.         尽可能多设置热电偶测试点，以求全方面反应印制板各部分真实受热状态。比如印制板中心和边缘受热程度不一样，大致积元件和小型元件热容量不一样及热敏感元件全部必需设置测试点。
3. 3.         热电偶探头外形微小，必需用指定高温焊料或胶粘剂固定在测试位置，不然受热松动，偏离预定测试点，引发测试误差。
4. 4.         所用电池为锂电池和可反复充电镍镉电池两种。结合具体情况合理测试立即充电，以确保测试数据正确性。
三、 三、          影响再流焊加热不均匀关键原因：
在SMT再流焊工艺造成对元件加热不均匀原因关键有：再流焊元件热容量或吸收热量差异，传送带或加热器边缘影响 ，再流焊产品负载等三个方面。
1. 1.       通常PLCC、QFP和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. 2.       在再流焊炉中传送带在周而复使传送产品进行再流焊同时，也成为一个散热系统，另外在加热部分边缘和中心散热条件不一样，边缘通常温度偏低，炉内除各温区温度要求不一样外，同一载面温度也差异。
3. 3.       产品装载量不一样影响。再流焊温度曲线调整要考虑在空载，负载及不一样负载因子情况下能得到良好反复性。负载因子定义为：LF=L/(L+S);其中L=组装基板长度，S=组装基板间隔。
再流焊工艺要得到反复性好结果，负载因子愈大愈困难。通常再流焊炉最大负载因子范围为0.5~0.9。这要依据产品情况（元件焊接密度、不一样基板）和再流炉不一样型号来决定。要得到良好焊接效果和反复性，实践经验很关键。
四、 四、          和再流焊相关焊接缺点原因分析
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所，当预热温度在几十至一百范围内，作为焊料中成份之一溶剂即会降低粘度而流出，假如其流出趋是下分强烈，会同时将焊料颗粒挤出焊区外含金颗粒，在溶融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留焊料球。
除上面原因外SMD元件端电极是否平整良好，电路线路板布线设计和焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法选择和其涂敷精度等会是造成桥接原因。
立碑（曼哈顿现象）
片式元件在遭受急速加热情况下发生翘立，这是因为急热元件两端存在温差，电极端一边焊料完全熔融后取得良好湿润，而另一边焊料完全熔融而引发湿润不良，这么促进了元件翘立。所以，加热时要从时间要素角度考虑，使水平方向加热形成均衡温度分布，避免急热产生。
预防元件翘立关键原因以下几点：
① ①       选择粘力强焊料，焊料印刷精度和元件贴装精度也需提升。
② ②       元件外部电极需要有良好湿润性湿润稳定性。推荐：温度400C以下，湿度70％RH以下，进厂元件使用期不可超出6个月。
③ ③       采取小焊区宽度尺寸，以降低焊料溶融时对元件端部产生表面张力。另外可合适减小焊料印刷厚度，如选择100um。
④ ④       焊接温度管理条件设定对元件翘立也是一个原因。通常目标是加热要均匀，尤其是在元件两连接端焊接圆角形成之前，均衡加热不可出现波动。
润湿不良
润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板焊区（铜箔），或SMD外部电极，经浸润后不生成相互间反应层，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发。譬如银表面有硫化物，锡表面有氧化物全部会产生润湿不良。另外焊料中残留铝、锌、镉等超出0.005％以上时，因为焊剂吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良。所以在焊接基板表面和元件表面要做好防污方法。选择适宜和焊料，并设定合理焊接温度曲线。
再流焊接是SMT工艺中复杂而关键工艺，包含到自动控制、材料、流体力学和冶金等多个科学、要取得优良焊接质量，必需深入研究焊接工艺方方面面。本文仅从多个方面就焊