回流温度曲线.doc

怎樣設定錫膏回流溫度曲線
“正確的溫度曲線將保證高品質的焊接錫點。”
約翰.希羅與約翰.馬爾波尤夫(美)
在使用表面貼裝元件的印刷電路板(PCB)裝配中，要得到優質的焊點，一條優化的回流溫度曲線是最重要的因素之一。溫度曲線是施加於電路裝配上的溫度對時間的函數，當在笛卡爾平面作圖時，回流過程中在任何給定的時間上，代表PCB上一個特定點上的溫度形成一條曲線。
幾個參數影響曲線的形狀，其中最關鍵的是傳送帶速度和每個區的溫度設定。帶速決定機板暴露在每個區所設定的溫度下的持續時間，增加持續時間可以允許更多時間使電路裝配接近該區的溫度設定。每個區所花的持續時間總和決定總共的處理時間。
每個區的溫度設定影響PCB的溫度上升速度，高溫在PCB與區的溫度之間産生一個較大的溫差。增加區的設定溫度允許機板更快地達到給定溫度。因此，必須作出一個圖形來決定PCB的溫度曲線。接下來是這個步驟的輪廓，用以産生和優化圖形。
在開始作曲線步驟之前，需要下列設備和輔助工具：溫度曲線儀、熱電偶、將熱電偶附著於PCB的工具和錫膏參數表。可從大多數主要的電子工具供應商買到溫度曲線附件工具箱，這工具箱使得作曲線方便，因爲它包含全部所需的附件(除了曲線儀本身)。
現在許多回流焊機器包括了一個板上測溫儀，甚至一些較小的、便宜的臺面式爐子。測溫儀一般分爲兩類：即時測溫儀，即時傳送溫度/時間資料和作出圖形；而另一種測溫儀採樣儲存資料，然後上載到電腦。
熱電偶必須長度足夠，並可經受典型的爐膛溫度。一般較小直徑的熱電偶，熱質量小回應快，得到的結果精確。
有幾種方法將熱電偶附著於PCB，較好的方法是使用高溫焊錫如銀/錫合金，焊點儘量最小。
另一種可接受的方法，快速、容易和對大多數應用足夠準確，少量的熱化合物(也叫熱導膏或熱油脂)斑點覆蓋住熱電偶，再用高溫膠帶(如Kapton)粘住。
還有一種方法來附著熱電偶，就是用高溫膠，如氰基丙烯酸鹽粘合劑，此方法通常沒有其他方法可靠。 附著的位置也要選擇，通常最好是將熱電偶尖附著在PCB焊盤和相應的元件引腳或金屬端之間。

(圖一、將熱電偶尖附著在PCB焊盤和相應的元件引腳或金屬端之間)
錫膏特性參數表也是必要的，其包含的資訊對溫度曲線是至關重要的，如：所希望的溫度曲線持續時間、錫膏活性溫度、合金熔點和所希望的回流最高溫度。
開始之前，必須理想的溫度曲線有個基本的認識。理論上理想的曲線由四個部分或區間組成，前面三個區加熱、最後一個區冷卻。爐的溫區越多，越能使溫度曲線的輪廓達到更準確和接近設定。大多數錫膏都能用四個基本溫區成功回流。

(圖二、理論上理想的回流曲線由四個區組成，前面三個區加熱、最後一個區冷卻)
預熱區，也叫斜坡區，用來將PCB的溫度從周圍環境溫度提升到所須的活性溫度。在這個區，産品的溫度以不超過每秒2~5°C速度連續上升，溫度升得太快會引起某些缺陷，如陶瓷電容的細微裂紋，而溫度上升太慢，錫膏會感溫過度，沒有足夠的時間使PCB達到活性溫度。爐的預熱區一般占整個加熱通道長度的25~33%。
活性區，有時叫做乾燥或浸濕區，這個區一般占加熱通道的33~50%，有兩個功用，第一是，將PCB在相當穩定的溫度下感溫，允許不同質量的元件在溫度上同質，減少它們的相當溫差。第二個功能是，允許助焊劑活性化，揮發性的物質從錫膏中揮發。一般普遍的活性溫度範圍是120~150°C，如果活性區的溫度設定太高，助焊劑沒有足夠的時間活性化，溫度曲線的斜率是一個向上遞增的斜率。雖然有的錫膏製造商允許活性化期間一些溫度的增加，但是理想的曲線要求相當平穩的溫度，這樣使得PCB的溫度在活性區開始和結束時是相等的。市面上有的爐子不能維持平坦的活性溫度曲線，選擇能維持平坦的活性溫度曲線的爐子，將提高可焊接性能，使用者有一個較大的處理視窗。 回流區，有時叫做峰值區或最後升溫區。這個區的作用是將PCB裝配的溫度從活性溫度提高到所推薦的峰值溫度。活性溫度總是比合金的熔點溫度低一點，而峰值溫度總是在熔點上。典型的峰值溫度範圍是205~230°C，這個區的溫度設定太高會使其溫升斜率超過每秒2~5°C，或達到回流峰值溫度比推薦的高。這種情況可能引起PCB的過分捲曲、脫層或燒損，並損害元件的完整性。
今天，最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，這種比例的錫和鉛使得該合金共晶。共晶合金是在一個特定溫度下熔化的合金，非共晶合金有一個熔化的範圍，而不是熔點，有時叫做塑性裝態。本文所述的所有例子都是指共晶錫/鉛，因爲其使用廣泛，該合金的熔點爲183°C。
理想的冷卻區曲線應該是和回流區曲線成鏡像關係。越是靠近這種鏡像關係，焊點達到固態的結構越緊密，得到焊接點的質量越高，結合完整性越好。
作溫度曲線的第一個考慮參數是傳輸帶的速度設定，該設定將決定PCB在加熱通道所花的時間。典型的錫膏製造廠參數要求3~4分鐘的加熱曲線，用總的加熱通道長度除以總的加熱感溫時間，即爲準確的傳輸帶速度，例如，當錫膏要求四分鐘的加熱時間，使用六英尺加熱通道長度，計算爲：6 英尺 ÷ 4 分鐘 = 每分鐘 1.5 英尺 = 每分鐘 18 英寸。
接下來必須決定各個區的溫度設定，重要的是要瞭解實際的區間溫度不一定就是該區的顯示溫度。顯示溫度只是代表區內熱敏電偶的溫度，如果熱電偶越靠近加熱源，顯示的溫度將相對比區間溫度較高，熱電偶越靠近PCB的直接通道，顯示的溫度將越能反應區間溫度。明智的是向爐子製造商諮詢瞭解清楚顯示溫度和實際區間溫度的關係。本文中將考慮的是區間溫度而不是顯示溫度。表一列出的是用於典型PCB裝配回流的區間溫度設定。
表一、典型PCB回流區間溫度設定
區間
區間溫度設定
區間末實際板溫
預熱
210°C(410°F)
140°C(284°F)
活性
177°C(350°F)
150°C(302°F)
回流
250°C(482°C)
210°C(482°F)
速度和溫度確定後，必須輸入到爐的控制器。看看手冊上其他需要調整的參數，這些參數包括冷卻風扇速度、強制空氣衝擊和惰性氣體流量。一旦所有參數輸入後，啓動機器，爐子穩定後(即，所有實際顯示溫度接近符合設定參數)可以開始作曲線。下一部將PCB放入傳送帶，觸發測溫儀開始記錄資料。爲了方便，有些測溫儀包括觸發功能，在一個相對低的溫度自動啓動測溫儀，典型的這個溫度比人體溫度37°C(98.6°F)稍微高一點。例如，38°C(100°F)的自動觸發器，允許測溫儀幾乎在PCB剛放入傳送帶進入爐時開始工作，不至於熱電偶在人手上處理時産生誤觸發。
一旦最初的溫度曲線圖産生，可以和錫膏製造商推薦的曲線或圖二所示的曲線進行比較。
首先，必須證實從環境溫度到回流峰值溫度的總時間和所希望的加熱曲線居留時間相協調，如果太長，按比例地增加傳送帶速度，如果太短，則相反。
下一步，圖形曲線的形狀必須和所希望的相比較(圖二)，如果形狀不協調，則同下面的圖形(圖三~六)進行比較。選擇與實際圖形形狀最相協調的曲線。應該考慮從左道右(流程順序)的偏差，例如，如果預熱和回流區中存在差異，首先將預熱區的差異調正確，一般最好每次調一個參數，在作進一步調整之前運行這個曲線設定。這是因爲一個給定區的改變也將影響隨後區的結果。我們也建議新手所作的調整幅度相當較小一點。一旦在特定的爐上取得經驗，則會有較好的“感覺”來作多大幅度的調整。

圖三、預熱不足或過多的回流曲線

圖四、活性區溫度太高或太低

圖五、回流太多或不夠

圖六、冷卻過快或不夠
當最後的曲線圖盡可能的與所希望的圖形相吻合，應該把爐的參數記錄或儲存以備後用。雖然這個過程開始很慢和費力，但最終可以取得熟練和速度，結果得到高品質的PCB的高效率的生産。