关于回流焊接温度曲线设置的研究

姜海峡（天津铁路信号有限责任公司）

转自：半导体封装工程师之家

摘要：

从焊接机理及回流焊接温度曲线理论分析入手，阐述了回流焊接温度与焊接时间对ＰＣＢＡ（印制电路板组）焊接质量的影响，论述了回流焊接温度曲线的设置与测试方法，包括测试点的选取、热电偶的固定方法，并以监测采集板卡为例，利用文中叙述的回流焊接温度曲线设置方法，设置该产品的温度曲线。通过对比分析，可调整参数至更加理想的回流焊接温度曲线，从而对该方法进行了验证。

随着电子技术的不断发展，电子元器件外形尺寸日益小型化，印制电路板组装日益高密度化，致使表面贴装技术（ＳＭＴ）的工艺窗口越来越小，组装难度越来越大。如何建立良好而稳固的工艺，提高回流焊接的一次合格率，已经成为ＳＭＴ技术的核心问题，解决这一问题的关键就在于回流焊接温度曲线的设置。一条适宜的温度曲线不仅应该确保ＰＣＢＡ上所有焊点润湿良好、焊接牢靠，还应该确保元器件及ＰＣＢ（印制电路板）本身避免因受温度冲击而损坏。而温度冲击主要来源于温度曲线的升温斜率和降温斜率的影响。为此，本文将针对有铅回流焊接温度曲线设置及测试等内容展开论述。

1 回流焊接温度曲线理论

1.1 回流焊接的定义

印刷机通过钢网将适量的焊锡膏施放在印制板的焊接部位，贴片机按程序将元器件贴放在焊接部位，焊锡膏将元器件粘在印制板上，通过回流焊炉的热源加热，使焊料熔化而再次流动浸润，将元器件焊接到印制板上。这一过程称为再流焊接，也称回流焊接。

1.2 焊接机理

焊锡膏的有效成分为焊锡合金粉和助焊剂。焊锡合金粉是易熔金属，其熔点低于被焊金属，有铅焊料熔点为１８３℃。当焊料被加热到熔点以上时，焊接金属表面在助焊剂的活化作用下，对金属表面的氧化层和污染物起到清洗作用，同时使金属表面获得足够的激活能。熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润，发生扩散、熔解、冶金结合，在焊料和被焊接金属表面之间生成金属间结合层（焊缝），冷却后使焊料凝固，形成焊点。

焊点的抗拉强度与焊缝的结构和厚度有关。焊缝不能太厚，因为金属间结合层（焊缝）的主要成分是Ｃｕ６Ｓｎ５，比较脆，且基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数有差异，容易产生龟裂，造成失效。

焊缝的厚度与焊接温度和时间成正比。例如，当焊接温度在熔点１８３℃以上但还未高出３０℃时，在焊料和金属表面之间的扩散和熔解不能生成足够的焊缝，只有在高出熔点３０～４０℃并维持约２ｓ的条件下才能生成良性的结合层。但焊接温度更高时，扩散反应率就加速，就会生成过多的恶性金属间结合层，焊点变得脆性而多孔。因此，合理设置回流焊接温度和时间是确保焊接质量、提高一次合格率的关键。

1.3 回流焊接温度曲线的理论分析

图１所示是一条理想状态下的回流焊接温度曲线。所谓温度曲线，实际上是指ＰＣＢＡ通过回流炉时，ＰＣＢ上测试点的温度随时间变化的曲线，它能直观反映出该点在整个焊接过程中的温度变化，为获得最佳焊接效果提供了科学依据。该曲线由４个区间组成，即预热区、保温区、回流区和冷却区，前３个区间为加热区，最后１个区间为冷却区，大部分焊锡膏都能通过这４个温区成功实现回流焊接。现将各区间的温度、停留时间以及焊锡膏在各区的变化情况介绍如下。

１）预热区，也叫斜坡区，焊接对象从室温开始逐步加热至大约１５０℃的区域，目的在于缩小与回流焊接区域的温差，此时焊料中的溶剂被挥发。此区域需要注意升温速率不能太快，以避免焊锡膏飞溅和元器件热应力损伤。但是升温速率也不宜太慢，以免焊锡膏感温过度而没有足够的时间达到活性温度，通常控制在１～３℃／ｓ，时间控制在６０～１２０ｓ。

２）保温区，也叫均温区或活性区，使焊接对象温度维持在焊料熔点以下（１５０～１６０℃）一段时间的区域。在此期间，焊料中助焊剂活化，并清除焊盘及引脚上的氧化物；ＰＣＢ上不同质元器件温度趋于均匀、减少温差。时间控制在６０～９０ｓ。时间过长会使焊锡膏再度氧化，提前使助焊剂失效。

３）回流区，也叫再流区或焊接区，温度从保温区继续上升，超过焊锡膏熔点３０～４０℃，焊锡膏完全熔化并润湿元器件焊端与焊盘，同时发生扩散、熔解、冶金结合，形成金属间化合物。考虑元器件承受热应力因素，升温速率不应超过３℃／ｓ。达到峰值温度的焊接时间不应超过１０ｓ，以免形成恶性金属间化合物，使焊点变脆。

４）冷却区，焊接对象温度从最高点迅速下降到７５℃以下，凝固焊点，完成焊接。降温过快将会引起元器件内部的温度应力，过缓又会导致焊盘的更多分解物进入焊锡中，产生灰暗毛糙的焊点，甚至引起焊点润湿不良和结合力弱，降温速率应控制在－３℃／ｓ以内。

2 温度曲线的设置与测试方法

2.1 温度曲线的设置方法

在大规模生产中，每个产品的实际温度曲线应根据所焊接的ＰＣＢＡ的特点（ＰＣＢ的尺寸、元器件的密集程度、元器件的种类等）进行设置、测试来确定，即使使用同样的回流焊炉、同样的焊锡膏，不同的ＰＣＢＡ也需要通过试验确定适合的温度曲线。合适温度曲线的判定依据是焊点质量和元器件、ＰＣＢ的材料损伤情况。前者包括焊点的外观形态、润湿情况、是否存在冷焊空洞及焊料与被焊接金属表面之间生成的金属间化合物的质量等；后者包括元器件开裂、变形，ＰＣＢ分层、变色、变形等。这些不仅影响着回流焊接的一次合格率，还会给ＰＣ－ＢＡ带来致命的损伤。

回流焊接温度曲线设置时需要考虑的关键因素及相关注意事项详见表１。

表１中的关键因素大部分与焊接时间和温度有关。焊接时间的设置主要取决于回流焊炉温区长度和传送带速度；炉温的设置也与传送带速度、热传递量有关。传送带速度应由焊接的工艺时间、回流焊炉的温区总长度来确定。传送带速度确定以后才开始进行温度设定。带速慢、炉温可低些，因为较长的时间也可达到热平衡，反之可提高炉温。如果ＰＣＢ上元器件密、大元器件多，达到热平衡需要较多热量，这就要求提高炉温；反之可降低炉温。

2.2 温度曲线的测试方法

温度曲线的测试，一般采用随ＰＣＢ板一同进入炉膛内的温度采集器（即温度记忆装置）进行，测试采用Ｋ型热电偶，测试后将记忆装置数据输入ＰＣ专用测试软件，进行曲线数据分析处理，打印出ＰＣＢ组件的温度曲线。这一套装置也称温度曲线测试仪。

温度曲线设置好后，试生产前要通过曲线测试仪在测温板（焊好的产品ＰＣＢＡ）上进行测试确定。测试的关键在于测试点的选取和热电偶的固定。

2.2.1 测试点的选取

一般情况下至少应选取３个测试点，即能够反映ＰＣＢＡ上最高温度的点、最低温度的点及重点关注元器件的测试点。最高温度点一般在炉堂中间、无元器件处、元器件稀少处或小体积元器件处；最低温度点一般在大型元器件处（如ＰＬＣＣ）、大面积覆铜处、传输导轨或炉堂的边缘处、以及热风对流吹不到的位置。

有ＢＧＡ元件时，ＢＧＡ测试点应不少于２个，即测试ＢＧＡ元件锡球和ＢＧＡ元件表面温度各１点；有ＱＦＰ元件时，在引脚焊盘上选取１点测试引脚底部温度；还有１点用于测试ＰＣＢ表面温度或ＣＨＩＰ元件温度。若一块ＰＣＢ上有几个ＱＦＰ元件时，应优先选取较大者为测试点。

2.2.2 热电偶的固定

热电偶的固定可以选用高温焊锡、高温胶带或红胶等方式，其中最佳方案是采用高温焊锡焊接在需要测量温度的地方（见图２）；其次是用高温胶带固定，但没有直接焊接的效果好（见图３）。

热电偶固定时应预先将原焊点处的焊料清除干净，测试端头不应翘起，形成的焊点应尽可能与真正焊点大小一致，这样不会影响温度的真实性。

3 实际应用

本文以监测采集板卡的回流焊接温度曲线设置为例，采用前文叙述的焊接机理及回流焊接温度曲线设置理论，设置该产品的温度曲线，并通过温度曲线测试仪测试其实际曲线，与理想温度曲线及制造商提供的焊锡膏回流焊接温度曲线进行比对分析，调整参数，最终获得满意的回流焊接温度曲线。

3.1 实例用到的设备、仪器、材料及其特性

本实例中用到的主要设备、仪器及材料详见表２，供应商提供的焊锡膏回流焊接温度曲线如图４所示。

由图４可知，该焊锡膏的回流焊接峰值温度约为２２０℃，保温温度为１５０～１６０℃；预热时间约为１．３ｍｉｎ（约８０ｓ），保温时间约为１ｍｉｎ（即６０ｓ），回流焊接时间不足１ｍｉｎ，全过程加热时间总共约为３．３ｍｉｎ（即２００ｓ）。由此可见，预热时间占全程的４／１０，保温时间占全程的３／１０，回流焊接时间占全程的３／１０。恰好用到的回流焊炉共有１０个加热温区，并且长度均为３７０ｍｍ。因此，可以把回流焊炉１０个温区分配为预热４个温区、保温３个温区、回流焊接３个温区，每个温区大约２０ｓ，传送带速度即为１１０ｃｍ／ｍｉｎ（３７０ｍｍ／２０ｓ＝１８．５ｍｍ／ｓ＝１１１ｃｍ／ｍｉｎ）。

3.2 参数设置

该产品的回流焊接过程参数设置见表３。

3.3 实际温度曲线测试

本文将使用ＫＩＣ２０００炉温测试仪，对监测采集板卡按上述参数设置的回流焊接进行温度曲线测试。分别选取最热点、集成电路芯片引脚、最冷点和贴片电阻焊端４个测试点，测试后所得温度曲线如图５所示，区间末实际板温见表３。

3.4 参数调整

从图５曲线可以看出，保温区温度略低，焊接温度峰值出现在回流区末端，焊点由最高温度点直接接触强冷空气，不利于形成良好焊点，需要将最高温度点略向前移，使焊接温度在回流区内形成由最高点下降的趋势。因此，对该产品的温度曲线进行了优化，重新设置的参数见表４，测试的温度曲线如图６所示，这条曲线基本接近供应商推荐的焊接温度曲线，当然还可以进一步调整、测试，以获得更加理想的焊接温度曲线。

使用这条温度曲线加工的监测采集板卡，首件试制后，经使用视频显微镜检测，板面未见锡珠；焊点光亮饱满、润湿良好，器件及ＰＣＢ均未见受损现象。量产后通电调试，整批产品合格率为１００％。

4 结语

综上所述，设置温度曲线时，首先应对回流焊炉的结构、焊锡膏的性能、ＰＣＢＡ的尺寸及元器件的分布等情况进行全面了解，根据焊接机理和焊锡膏特性确定回流焊接峰值温度及合适的回流焊接时间，结合回流焊炉结构设置温区及传送带速度，运用传热学定律合理调整炉温，并与理想温度曲线进行比较并反复调整，直至获得实际产品所需要的合适的回流焊接温度曲线，以提高回流焊接一次合格率。

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