萬德盛回流焊焊接原理

1、熱風(fēng)回流焊焊接的原理2.1回流焊接的過程回流焊的基本原理比較簡單，它首先對PCB板的表面貼裝元件（SMD ）焊盤印刷錫膏，然后通過自動貼片機(jī)把 SMD貼放到預(yù)先印制好錫膏的焊盤上。最后，通過回流焊接爐，在回流焊爐中逐漸加熱，把 錫膏融化，稱為回流（Reflow ），接著，把 PCB板冷卻，焊錫凝固，把元件和焊盤牢固地焊接到一起 （見圖9）。在回流焊中，焊盤和元件管腳都不融化。這是回流焊（ Reflow Soldering ）與金屬融焊（Welding ）的不同。圖g回流焊接的過程示意圖深入的了解回流焊就必須從焊錫膏的作用原理和焊接過程中發(fā)生的物理化學(xué)變化入手。錫膏的成分 主要錫鉛合金的粉末和助

2、焊劑混合而成。在受熱的條件下，融化的焊錫材料中的錫原子和焊盤或焊接元 件（主要成分是銅原子）的接觸界面原子相互擴(kuò)散，形成金屬間化合物（IMC ），首先形成的Cu6Sn5，稱n-phase,它是形成焊接力的關(guān)鍵連接層，只有形成了 n-phase,才表示有真正的可靠焊接。隨著時(shí)間的推移，在n-phase和銅層之間中會繼續(xù)生成 CU3Sn,稱為 -phase,它將減弱焊接力量和減低長期可靠 性。在焊點(diǎn)剖面的金相圖中，可以清楚地看到這個結(jié)構(gòu)。（見圖10）（aJ 曲與岸盤上紳的鈔41- 1000 1 ««圖10電子掃描顯微鏡（SEM）顯示的 Cu-Sn IMC金屬間化合物是焊點(diǎn)強(qiáng)度的

3、關(guān)鍵因素，因此許多人員專門研究金屬間化合物的變化對焊點(diǎn)的長期可 靠性帶來的影響。為了保護(hù)焊盤或元件管腳的可焊性，一般它們表面都鍍有錫鉛合金層或有機(jī)保護(hù)層。對非銅的金屬 材料的管腳一般在管腳鍍層和金屬之間加有鍍鎳層作為阻斷層防止金屬擴(kuò)散。這個鎳鍍層還用來阻擋與 焊錫不可焊或不相容的金屬與焊錫層的接觸。另一個有關(guān)鍍層的問題是關(guān)于鍍金層的問題，有文章指出如果焊點(diǎn)中金的成分達(dá)到34%以上，焊點(diǎn)有潛在的脆性增大的危險(xiǎn)。22回流焊溫度曲線要得到好的回流焊接效果必須有一個好的回流溫度曲線（Profile ）。那么什么是一個好的回流曲線呢？ 一個好的回流曲線應(yīng)該是對所要焊接的PCB板上的各種表面貼裝元件都能夠

4、達(dá)到良好的焊接，且焊點(diǎn)不僅具有良好的外觀品質(zhì)而且有良好的內(nèi)在品質(zhì)的溫度曲線。2.2.1回流爐的參數(shù)設(shè)定Recipe。RecipeBTU爐的一個要得到一個爐溫曲線首先應(yīng)給回流爐一個參數(shù)設(shè)定。回流爐的參數(shù)設(shè)定一般稱為 一般包括爐子每區(qū)的溫度設(shè)定，傳送帶帶速設(shè)定，以及是使用空氣還是氮?dú)?。下表是Recipe的設(shè)定。溫度設(shè)定：（單位：C）'190170I1501501752352551B2B4B5B6B7B"190150150175235255帶速設(shè)定：（單位：cm/分75仃2T3T4T5T6T7T傳送帶帶速氣體設(shè)定：氮?dú)釵ff*空氣On表中1T7T , 1B7B分別表示回流爐上下溫區(qū)

5、的溫度設(shè)定，傳送帶帶速為75 cm/分，焊接環(huán)境使用空氣，不使用氮?dú)?。設(shè)定一個回流曲線要考慮的因素有很多，一般包括：所使用的錫膏特性，PCB板的特性，回流爐的特點(diǎn)等。下面分別討論。2.2.2錫膏特性與回流曲線的重要關(guān)系錫膏特性決定回流曲線的基本特性。不同的錫膏由于助焊劑（Flux）有不同的化學(xué)組分，因此它的化學(xué)變化有不同的溫度要求，對回流溫度曲線也有不同的要求。一般錫膏供應(yīng)商都能提供一個參考回流曲 線，用戶可在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的產(chǎn)品特性優(yōu)化。圖11是一個典型的Sn63/Pb37錫膏的溫度回流曲線（P3-7）。以此圖為例，來分析回流焊曲線。它可分為4個主要階段：7深圳萬德盛自動化機(jī)械有限公司1）

6、 把PCB板加熱到150 C左右，上升斜率為1-3 C /秒。稱預(yù)熱（Preheat）階段；2） 把整個板子慢慢加熱到183 C。稱均熱（Soak或Equilibrium ）階段。時(shí)間一般為 60-90秒。3） 把板子加熱到融化區(qū)（183 C以上），使錫膏融化。稱回流（Reflow Spike ）階段。在回流階段板子達(dá)到最高溫度，一般是215 C +/-10 C?；亓鲿r(shí)間以45-60秒為宜，最大不超過90秒。4） 曲線由最高溫度點(diǎn)下降的過程。稱冷卻（Cooling ）階段。一般要求冷卻的斜率為2 -4 C /秒。溫度圖11典型的回流焊接溫度曲預(yù)熱階段的目的是把錫膏中較低熔點(diǎn)的溶劑揮發(fā)走。錫膏中

7、助焊劑的主要成分包括松香，活性劑，黏 度改善劑，和溶劑。溶劑的作用主要作為松香的載體和保證錫膏的儲藏時(shí)間。預(yù)熱階段需把過多的溶劑揮 發(fā)掉，但是一定要控制升溫斜率，太高的升溫速度會造成元件的熱應(yīng)力沖擊，損傷元件或減低元件性能和 壽命，后者帶來的危害更大，因?yàn)楫a(chǎn)品已流到了客戶手里。另一個原因是太高的升溫速度會造成錫膏的塌 陷，引起短路的危險(xiǎn)，尤其對助焊劑含量較高（達(dá)10%）的錫膏。均熱階段的設(shè)定主要應(yīng)參考焊錫膏供應(yīng)商的建議和PCB板熱容的大小。因?yàn)榫鶡犭A段有兩個作用，一個是使整個 PCB板都能達(dá)到均勻的溫度（175 C左右），均熱的目的是為了減少進(jìn)入回流區(qū)的熱應(yīng)力沖 擊，以及其它焊接缺陷如元件翹起

8、，某些大體積元件冷焊等。均熱階段另一個重要作用就是焊錫膏中的助 焊劑開始發(fā)生活性反應(yīng)，增大焊件表面潤濕性能（及表面能），使得融化的焊錫能夠很好地潤濕焊件表 面。由于均熱段的重要性，因此均熱時(shí)間和溫度必須很好地控制，既要保證助焊劑能很好地清潔焊面，又 要保證助焊劑到達(dá)回流之前沒有完全消耗掉。助焊劑要保留到回流焊階段是必需的，它能促進(jìn)焊錫潤濕過 程和防止焊接表面的再氧化。尤其是目前使用低殘留，免清洗（n o-clea n）的焊錫膏技術(shù)越來越多的情況下，焊膏的活性不是很強(qiáng)，且回流焊接的也多為空氣回流焊，更應(yīng)注意不能在均熱階段把助焊劑消耗光?；亓麟A段，溫度繼續(xù)升高越過回流線（183 C）,錫膏融化并發(fā)

9、生潤濕反應(yīng)，開始生成金屬間化合物層。到達(dá)最高溫度（215 C左右），然后開始降溫，落到回流線以下，焊錫凝固?；亓鲄^(qū)同樣應(yīng)考慮溫度 的上升和下降斜率不能使元件受到熱沖擊?；亓鲄^(qū)的最高溫度是由PCB板上的溫度敏感元件的耐溫能力決定的。在回流區(qū)的時(shí)間應(yīng)該在保證元件完成良好焊接的前提下越短越好，一般為30-60秒最好，過長的回流時(shí)間和較高溫度，如回流時(shí)間大于90秒，最高溫度大于 230度，會造成金屬間化合物層增厚，影響焊點(diǎn)的長期可靠性。冷卻階段的重要性往往被忽視。好的冷卻過程對焊接的最后結(jié)果也起著關(guān)鍵作用。好的焊點(diǎn)應(yīng)該是光 亮的，平滑的。而如果冷卻效果不好，會產(chǎn)生很多問題諸如元件翹起，焊點(diǎn)發(fā)暗，焊點(diǎn)表

10、面不光滑，以及 會造成金屬間化合物層增厚等問題。因此回流焊接必須提供良好的冷卻曲線，既不能過慢造成冷卻不良， 又不能太快，造成元件的熱沖擊。223 PCB板的特性與回流曲線的關(guān)系回流曲線的設(shè)定，與要焊接的PCB板的特性也有重要關(guān)系。板子的厚薄，元件的大小，元件周圍有無大的吸熱部件，如金屬屏蔽材料，大面積的地線焊盤等，都對板子的溫度變化有影響。因此籠統(tǒng)地說一個 回流曲線的好壞是無意義的。一個回流曲線必須是針對某一個或某一類產(chǎn)品而測量得到的。因此如何準(zhǔn)確 測量回流曲線，來反映真實(shí)的回流焊接過程是非常重要的。常用的測量回流焊曲線的方法有三種：1） 用回流爐本身配備的長熱偶線（一般常用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是K型

11、熱偶線），熱偶線的一端焊接到PCB板上，另一端插到設(shè)備的預(yù)設(shè)熱偶插口上。把板放進(jìn)爐內(nèi)，當(dāng)板子從爐另一端出來時(shí)，用熱偶線把板子從出口端拉回來。在測量的同時(shí)溫度曲線就可顯示到設(shè)備的顯示器上。一般回流爐都帶有多個 K型熱偶插口，因此可連接多根熱偶線，同時(shí)測量PCB板幾個點(diǎn)的溫度曲線。2） 用一個小的溫度跟蹤記錄器。它能夠跟隨待測PCB板進(jìn)入回流爐。記錄器上也有多個熱偶插口，可因 此可連接多根熱偶線。記錄器里存放的溫度數(shù)據(jù)，只有在出爐后，才可輸?shù)诫娔X里分析或從打印機(jī)中輸出。3） 帶無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏囟雀櫽涗浧鳌Ｅc第2種方法相同，只是多了一個無線傳輸功能。當(dāng)它在爐內(nèi)測 溫時(shí)，在存儲溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)把數(shù)據(jù)用

12、無線方式傳到外面的接受器上，接受器與電腦相連。三種方法本質(zhì)都是一樣的，用戶可根據(jù)習(xí)慣來選擇采用那種方法。熱偶線的安裝有一般兩種，一是高 溫焊錫絲，溫度在 300C以上（高于回流最高溫度）。另一種方法是用膠或是高溫膠帶把它粘住。這樣熱偶線就不會在回流區(qū)脫落。焊點(diǎn)的位置一般為選取元件的焊腳和焊盤接觸的地方。焊點(diǎn)不能太大，QFP芯片PCB 高溫鴨PCB鉆孔以焊牢為準(zhǔn)。焊點(diǎn)大，溫度反應(yīng)QFP等細(xì)間距焊腳。對特殊的器件如 BGA還需要在 PCB板下鉆孔，把熱偶線穿到 BGA下面。圖12說明了 QFP和BGA元件的熱偶線焊接方法。熱偶線的安裝位置一般根據(jù)PCB板的工藝特點(diǎn)來選取，如雙面板應(yīng)在板上下都安裝熱

13、偶線，大的C芯片腳要安裝，BGA元件要安裝，某些易造成冷焊的元件（如金屬屏蔽罩周圍，散熱器周圍元 件）一定要放置。還有就是你認(rèn)為要研究的焊接出了問題的元件。2.2.4回流爐設(shè)備的特點(diǎn)與回流曲線的關(guān)系7深圳萬德盛自動化機(jī)械有限公司因?yàn)榛亓髑€的實(shí)現(xiàn)是在回流爐中完成的，因此它與回流爐的具體特點(diǎn)有關(guān)。不同的爐因加 熱區(qū)的數(shù)目和長短不同，氣流的大小不同，爐溫的容量不同，對回流曲線都會造成影響。設(shè)備對 回流曲線的影響可歸納為下面幾點(diǎn)：1）加熱區(qū)數(shù)目的因素。對加熱區(qū)多的回流爐（8個加熱區(qū)），由于每一個爐區(qū)都能單獨(dú)設(shè)定爐溫，因此調(diào)整回流溫度曲線比較容易。對要求較復(fù)雜的回流曲線同樣可以做到。但短爐子（4個加熱

14、區(qū)），因?yàn)樗挥兴膫€可調(diào)溫區(qū)，要想得到復(fù)雜的曲線比較難，但對于沒有特別要求的SMT焊接，短爐子也能滿足要求，而且價(jià)錢便宜。另一個方面，長爐子的優(yōu)點(diǎn)是傳送帶的帶速可以比短爐子提高至少1倍以上，這樣長爐的產(chǎn)量至少能達(dá)到短爐的1倍以上。當(dāng)大批量生產(chǎn)線追求產(chǎn)能時(shí)，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的。2）熱風(fēng)氣流的因素。由于目前大多數(shù)回流爐以風(fēng)扇強(qiáng)制驅(qū)動熱風(fēng)循環(huán)為主，因此風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速決定了風(fēng)量的大小。 在相同的帶速和相同的溫度設(shè)定下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，回流曲線的溫度越高。當(dāng)風(fēng)扇馬達(dá)出現(xiàn)故 障時(shí)，如停轉(zhuǎn)，即使?fàn)t溫顯示正常，爐溫的曲線測量也會比正常曲線低很多，若故障馬達(dá)在回流 區(qū)，貝U PCB板極易產(chǎn)生冷焊，若故障馬達(dá)在冷卻區(qū)

15、，則PCB板的冷卻效果就下降。因此對馬達(dá)轉(zhuǎn)速是可編程調(diào)節(jié)的回流焊接爐，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也是需要經(jīng)常檢查的參數(shù)之一。3）爐溫的容量的因素?；亓骱附佑袝r(shí)會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，當(dāng)焊接一塊小尺寸的PCB板時(shí)，焊接結(jié)果非常好，而焊接一塊大尺寸的 PCB板時(shí)，某些溫區(qū)爐溫會出現(xiàn)稍微下降的現(xiàn)象。這就是由于大板子吸熱較多，爐子的熱容量不足引起的。一般可以通過加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。但是爐溫的容量主要是由爐體結(jié) 構(gòu)，加熱器功率等設(shè)計(jì)因素決定的，因此是爐子廠家設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)固定了的。用戶在選擇回流爐必 須考慮這個因素。熱容量越大越好，當(dāng)然爐子消耗的功率也越多。2.3氮?dú)饣亓骱概c空氣回流焊氮?dú)饣亓骱傅氖褂弥饕菫榱嗽鰪?qiáng)焊接質(zhì)量，使焊接發(fā)生在氧含量極少（100PPM）以下的環(huán)境下，可避免元件的氧化問題。因此氮?dú)饣亓骱傅闹饕獑栴}是保證氧氣含量越低越好。氧含量的 控制對用戶