引言：

當錫膏至于一個加熱的環(huán)境中，錫膏回流分為五個階段；本文主要講解升溫—保溫—回流過程和RTS溫度曲線兩個模塊。

得益于升溫-到-回流的回流溫度曲線

許多舊式的爐傾向于以不同速率來加熱一個裝配上的不同零件，取決于回流焊接的零件和線路板層的顏色和質(zhì)地。一個裝配上的某些區(qū)域可以達到比其它區(qū)域高得多的溫度，這個溫度變化叫做裝配的D T。如果D T大，裝配的有些區(qū)域可能吸收過多熱量，而另一些區(qū)域則熱量不夠。這可能引起許多焊接缺陷，包括焊錫球、不熔濕、損壞元件、空洞和燒焦的殘留物。

為什么和什么時候保溫

保溫區(qū)的唯一目的是減少或消除大的D T。保溫應(yīng)該在裝配達到焊錫回流溫度之前，把裝配上所有零件的溫度達到均衡，使得所有的零件同時回流。由于保溫區(qū)是沒有必要的，因此溫度曲線可以改成線性的升溫-到-回流(RTS)的回流溫度曲線。

應(yīng)該注意到，保溫區(qū)一般是不需要用來激化錫膏中的助焊劑化學成分。這是工業(yè)中的一個普遍的錯誤概念，應(yīng)予糾正。當使用線性的RTS溫度曲線時，大多數(shù)錫膏的化學成分都顯示充分的濕潤活性。事實上，使用RTS溫度曲線一般都會改善濕潤。

升溫-保溫-回流

升溫-保溫-回流(RSS)溫度曲線可用于RMA或免洗化學成分，但一般不推薦用于水溶化學成分，因為RSS保溫區(qū)可能過早地破壞錫膏活性劑，造成不充分的濕潤。使用RSS溫度曲線的唯一目的是消除或減少DT。

RSS溫度曲線開始以一個陡坡溫升，在90秒的目標時間內(nèi)大約150° C，最大速率可達2~3°C。隨后，在150~170° C之間，將裝配板保溫90秒鐘；裝配板在保溫區(qū)結(jié)束時應(yīng)該達到溫度均衡。保溫區(qū)之后，裝配板進入回流區(qū)，在183° C以上回流時間為60(± 15)秒鐘。

整個溫度曲線應(yīng)該從45° C到峰值溫度215(± 5)° C持續(xù)3.5~4分鐘。冷卻速率應(yīng)控制在每秒4° C。一般，較快的冷卻速率可得到較細的顆粒結(jié)構(gòu)和較高強度與較亮的焊接點?？墒?，超過每秒4° C會造成溫度沖擊。

RTS溫度曲線可用于任何化學成分或合金，為水溶錫膏和難于焊接的合金與零件所首選。RTS溫度曲線比RSS有幾個優(yōu)點。RTS一般得到更光亮的焊點，可焊性問題很少，因為在RTS溫度曲線下回流的錫膏在預熱階段保持住其助焊劑載體。這也將更好地提高濕潤性，因此，RTS應(yīng)該用于難于濕潤的合金和零件。

因為RTS曲線的升溫速率是如此受控的，所以很少機會造成焊接缺陷或溫度沖擊。另外，RTS曲線更經(jīng)濟，因為減少了爐前半部分的加熱能量。此外，排除RTS的故障相對比較簡單，有排除RSS曲線故障經(jīng)驗的操作員應(yīng)該沒有困難來調(diào)節(jié)RTS曲線，以達到優(yōu)化的溫度曲線效果。

設(shè)定RTS溫度曲線

RTS曲線簡單地說就是一條從室溫到回流峰值溫度的溫度漸升曲線，RTS曲線溫升區(qū)其作用是裝配的預熱區(qū)，這里助焊劑被激化，揮發(fā)物被揮發(fā)，裝配準備回流，并防止溫度沖擊。RTS曲線典型的升溫速率為每秒0.6~1.8° C。升溫的最初90秒鐘應(yīng)該盡可能保持線性。

RTS曲線的升溫基本原則是，曲線的三分之二在150°C以下。在這個溫度后，大多數(shù)錫膏內(nèi)的活性系統(tǒng)開始很快失效。因此，保持曲線的前段冷一些將活性劑保持時間長一些，其結(jié)果是良好的濕潤和光亮的焊接點。

RTS曲線回流區(qū)是裝配達到焊錫回流溫度的階段。在達到150° C之后，峰值溫度應(yīng)盡快地達到，峰值溫度應(yīng)控制在215(± 5)° C，液化居留時間為60(± 15)秒鐘。液化之上的這個時間將減少助焊劑受夾和空洞，增加拉伸強度。和RSS一樣，RTS曲線長度也應(yīng)該是從室溫到峰值溫度最大3.5~4分鐘，冷卻速率控制在每秒4° C。

排除RTS曲線的故障

排除RSS和RTS曲線的故障，原則是相同的：按需要，調(diào)節(jié)溫度和曲線溫度的時間，以達到優(yōu)化的結(jié)果。時常，這要求試驗和出錯，略增加或減少溫度，觀察結(jié)果。以下是使用RTS曲線遇見的普遍回流問題，以及解決辦法。

1、焊錫球

許多細小的焊錫球鑲陷在回流后助焊劑殘留的周邊上。在RTS曲線上，這個通常是升溫速率太慢的結(jié)果，由于助焊劑載體在回流之前燒完，發(fā)生金屬氧化。這個問題一般可通過曲線溫升速率略微提高達到解決。焊錫球也可能是溫升速率太快的結(jié)果，但是，這對RTS曲線不大可能，因為其相對較慢、較平穩(wěn)的溫升。

2、焊錫珠

經(jīng)常與焊錫球混淆，焊錫珠是一顆或一些大的焊錫球，通常落在片狀電容和電阻周圍。雖然這常常是絲印時錫膏過量堆積的結(jié)果，但有時可以調(diào)節(jié)溫度曲線解決。和焊錫球一樣，在RTS曲線上產(chǎn)生的焊錫珠通常是升溫速率太慢的結(jié)果。這種情況下，慢的升溫速率引起毛細管作用，將未回流的錫膏從焊錫堆積處吸到元件下面。回流期間，這些錫膏形成錫珠，由于焊錫表面張力將元件拉向機板，而被擠出到元件邊。和焊錫球一樣，焊錫珠的解決辦法也是提高升溫速率，直到問題解決。

3、熔濕性差

熔濕性差經(jīng)常是時間與溫度比率的結(jié)果。錫膏內(nèi)的活性劑由有機酸組成，隨時間和溫度而退化。如果曲線太長，焊接點的熔濕可能受損害。因為使用RTS曲線，錫膏活性劑通常維持時間較長，因此熔濕性差比RSS較不易發(fā)生。如果RTS還出現(xiàn)熔濕性差，應(yīng)采取步驟以保證曲線的前面三分之二發(fā)生在150° C之下。這將延長錫膏活性劑的壽命，結(jié)果改善熔濕性。

4、焊錫不足

焊錫不足通常是不均勻加熱或過快加熱的結(jié)果，使得元件引腳太熱，焊錫吸上引腳?；亓骱笠_看到去錫變厚，焊盤上將出現(xiàn)少錫。減低加熱速率或保證裝配的均勻受熱將有助于防止該缺陷。

5、墓碑

墓碑通常是不相等的熔濕力的結(jié)果，使得回流后元件在一端上站起來。一般，加熱越慢，板越平穩(wěn)，越少發(fā)生。降低裝配通過183° C的溫升速率將有助于校正這個缺陷。

6、空洞

空洞是錫點的X光或截面檢查通常所發(fā)現(xiàn)的缺陷?？斩词清a點內(nèi)的微小“氣泡” ，可能是被夾住的空氣或助焊劑?？斩匆话阌扇齻€曲線錯誤所引起：不夠峰值溫度；回流時間不夠；升溫階段溫度過高。由于RTS曲線升溫速率是嚴密控制的，空洞通常是第一或第二個錯誤的結(jié)果，造成沒揮發(fā)的助焊劑被夾住在錫點內(nèi)。這種情況下，為了避免空洞的產(chǎn)生，應(yīng)在空洞發(fā)生的點測量溫度曲線，適當調(diào)整直到問題解決。

7、無光澤、顆粒狀焊點

一個相對普遍的回流焊缺陷是無光澤、顆粒狀焊點。這個缺陷可能只是美觀上的，但也可能是不牢固焊點的征兆。在RTS曲線內(nèi)改正這個缺陷，應(yīng)該將回流前兩個區(qū)的溫度減少5° C；峰值溫度提高5° C。如果這樣還不行，那么，應(yīng)繼續(xù)這樣調(diào)節(jié)溫度直到達到希望的結(jié)果。這些調(diào)節(jié)將延長錫膏活性劑壽命，減少錫膏的氧化暴露，改善熔濕能力。

8、燒焦的殘留物

燒焦的殘留物，雖然不一定是功能缺陷，但可能在使用RTS溫度曲線時遇見。為了糾正該缺陷，回流區(qū)的時間和溫度要減少，通常5° C。

結(jié)論

RTS溫度曲線不是適于每一個回流焊接問題的萬靈藥，也不能用于所有的爐或所有的裝配?？墒?，采用RTS溫度曲線可以減少能源成本、增加效率、減少焊接缺陷、改善熔濕性能和簡化回流工序。這并不是說RSS溫度曲線已變得過時，或者RTS曲線不能用于舊式的爐。無論如何，工程師應(yīng)該知道還有更好的回流溫度曲線可以利用。

注：所有溫度曲線都是使用Sn63/Pb37合金，183° C的共晶熔點。

群焊的溫度曲線

作溫度曲線是一個很好的直觀化方法，保持對回流焊接或波峰焊接工藝過程的跟蹤。通過繪制當印刷電路裝配(PCA)穿過爐子時的時間溫度曲線，可以計算在任何給定時間所吸收的熱量。只有當所有涉及的零件在正確的時間暴露給正確的熱量時，才可以使群焊達到完善。這不是一個容易達到的目標，因為零件經(jīng)常有不同的熱容量，并在不同的時間達到所希望的溫度。

經(jīng)常我們看到在一個PCA上不只一種大小的焊點，同一個溫度曲線要熔化不同數(shù)量的焊錫。需要考慮PCA的定位與方向、熱源位置與設(shè)備內(nèi)均勻的空氣循環(huán)，以給焊接點輸送正確的熱量。許多人從經(jīng)驗中了解到，大型元件底部與PCA其它位置的溫度差別是不容忽視的。

為什么得到正確的熱量是如此重要呢？當焊接點不得到足夠的熱量，助焊劑可能不完全激化，焊接合金可能未完全熔化。在最終產(chǎn)品檢查中，可能觀察到冷焊點(cold solder)、元件豎立(tomb-stoning)、不濕潤(non-wetting)、錫球/飛濺(solder ball/splash)等結(jié)果。另一方面，如果吸收太多熱量，元件或板可能被損壞。最終結(jié)果可能是元件爆裂或PCB翹曲，同時不能經(jīng)受對長期的產(chǎn)品可靠性的影響。

對于波峰焊接，裝配已經(jīng)部分地安裝了回流焊接的表面貼裝元件。已回流的焊接點可能回到一個液化階段，降低固態(tài)焊點的位置精度。

除了熱的數(shù)量之外，加熱時間也是重要的。PCA溫度必須以預先決定的速率從室溫提高到液化溫度，而不能給裝配帶來嚴重的溫度沖擊。這個預熱，或升溫階段也將在助焊劑完全被激化之前讓其中的溶劑蒸發(fā)。重要的是要保證，裝配上的所有零件在上升到焊接合金液化溫度之前，以最大的預熱溫度達到溫度平衡。這個預熱有時叫作“駐留時間”或“保溫時間”。

對于蒸發(fā)錫膏內(nèi)的揮發(fā)性成分和激化助焊劑是重要的。在達到液化溫度之后，裝配應(yīng)該有足夠的時間停留在該溫度之上，以保證裝配的所有區(qū)域都達到液化溫度，適當?shù)匦纬珊附狱c。如果在裝配中有表面貼裝膠要固化，固化時間和溫度必須與焊接溫度曲線協(xié)調(diào)。

在焊接點形成之后，裝配必須從液化溫度冷卻超過150°C到室溫。同樣，這必須一預先確定的速度來完成，以避免溫度沖擊。穩(wěn)定的降溫將給足夠的時間讓熔化的焊錫固化。這也將避免由于元件與PCB之間的溫度膨脹系數(shù)(CTE)不同所產(chǎn)生的力對新形成的焊接點損壞。

經(jīng)典印刷電路板(PCB)的溫度曲線(profile)作圖，涉及將PCB裝配上的熱電偶連接到數(shù)據(jù)記錄曲線儀上，并把整個裝配從回流焊接爐中通過。作溫度曲線有兩個主要的目的：1) 為給定的PCB裝配確定正確的工藝設(shè)定，2) 檢驗工藝的連續(xù)性，以保證可重復的結(jié)果。通過觀察PCB在回流焊接爐中經(jīng)過的實際溫度(溫度曲線)，可以檢驗和/或糾正爐的設(shè)定，以達到最終產(chǎn)品的最佳品質(zhì)。

經(jīng)典的PCB溫度曲線將保證最終PCB裝配的最佳的、持續(xù)的質(zhì)量，實際上降低PCB的報廢率，提高PCB的生產(chǎn)率和合格率，并且改善整體的獲利能力。

回流工藝

在回流工藝過程中，在爐子內(nèi)的加熱將裝配帶到適當?shù)暮附訙囟?，而不損傷產(chǎn)品。為了檢驗回流焊接工藝過程，人們使用一個作溫度曲線的設(shè)備來確定工藝設(shè)定。溫度曲線是每個傳感器在經(jīng)過加熱過程時的時間與溫度的可視數(shù)據(jù)集合。通過觀察這條曲線，你可以視覺上準確地看出多少能量施加在產(chǎn)品上，能量施加哪里。溫度曲線允許操作員作適當?shù)母淖?，以?yōu)化回流工藝過程。

一個典型的溫度曲線包含幾個不同的階段 -初試的升溫(ramp)、保溫(soak)、向回流形成峰值溫度(spike to reflow)、回流(reflow)和產(chǎn)品的冷卻(cooling)。作為一般原則，所希望的溫度坡度是在2~4°C范圍內(nèi)，以防止由于加熱或冷卻太快對板和/或元件所造成的損害。

在產(chǎn)品的加熱期間，許多因素可能影響裝配的品質(zhì)。最初的升溫是當產(chǎn)品進入爐子時的一個快速的溫度上升。目的是要將錫膏帶到開始焊錫激化所希望的保溫溫度。最理想的保溫溫度是剛好在錫膏材料的熔點之下 - 對于共晶焊錫為183°C，保溫時間在30~90秒之間。

保溫區(qū)有兩個用途：1) 將板、元件和材料帶到一個均勻的溫度，接近錫膏的熔點，允許較容易地轉(zhuǎn)變到回流區(qū)，2) 激化裝配上的助焊劑。在保溫溫度，激化的助焊劑開始清除焊盤與引腳的氧化物的過程，留下焊錫可以附著的清潔表面。向回流形成峰值溫度是另一個轉(zhuǎn)變，在此期間，裝配的溫度上升到焊錫熔點之上，錫膏變成液態(tài)。

一旦錫膏在熔點之上，裝配進入回流區(qū)，通常叫做液態(tài)以上時間(TAL, time above liquidous)?；亓鲄^(qū)時爐子內(nèi)的關(guān)鍵階段，因為裝配上的溫度梯度必須最小，TAL必須保持在錫膏制造商所規(guī)定的參數(shù)之內(nèi)。產(chǎn)品的峰值溫度也是在這個階段達到的 - 裝配達到爐內(nèi)的最高溫度。

必須小心的是，不要超過板上任何溫度敏感元件的最高溫度和加熱速率。例如，一個典型的鉭電容具有的最高溫度為230°C。理想地，裝配上所有的點應(yīng)該同時、同速率達到相同的峰值溫度，以保證所有零件在爐內(nèi)經(jīng)歷相同的環(huán)境。在回流區(qū)之后，產(chǎn)品冷卻，固化焊點，將裝配為后面的工序準備?？刂评鋮s速度也是關(guān)鍵的，冷卻太快可能損壞裝配，冷卻太慢將增加TAL，可能造成脆弱的焊點。

在回流焊接工藝中使用兩種常見類型的溫度曲線，它們通常叫做保溫型(soak)和帳篷型(tent)溫度曲線。在保溫型曲線中，如前面所講到的，裝配在一段時間內(nèi)經(jīng)歷相同的溫度。帳篷型溫度曲線是一個連續(xù)的溫度上升，從裝配進入爐子開始，直到裝配達到所希望的峰值溫度。

典型的保溫型溫度曲線：

典型的帳篷型溫度曲線：

所希望的溫度曲線將基于裝配制造中使用的錫膏類型而不同。取決于錫膏化學組成，制造商將建議最佳的溫度曲線，以達到最高的性能。溫度曲線的信息可以通過聯(lián)系錫膏制造商得到。最常見的配方類型包括水溶性(OA)、松香適度激化型(RMA, rosin mildly activated)和免洗型(no-clean)錫膏。

經(jīng)典的PCB溫度曲線系統(tǒng)元件

一個經(jīng)典的PCB溫度曲線系統(tǒng)由以下元件組成：

?數(shù)據(jù)收集曲線儀，它從爐子中間經(jīng)過，從PCB收集溫度信息。

?熱電偶，它附著在PCB上的關(guān)鍵元件，然后連接到隨行的曲線儀上。

?隔熱保護，它保護曲線儀被爐子加熱。

?軟件程序，它允許收集到的數(shù)據(jù)以一個格式觀看，迅速確定焊接結(jié)果和/或在失控惡劣影響最終PCB產(chǎn)品之前找到失控的趨勢。

讀出與評估溫度曲線數(shù)據(jù)

錫膏制造商一般對其錫膏配方專門有推薦的溫度曲線。應(yīng)該使用制造商的推薦來確定一個特定工藝的最佳曲線，與實際的裝配結(jié)果進行比較。然后可能采取步驟來改變機器設(shè)定，以達到特殊裝配的最佳結(jié)果。

總結(jié)

做溫度曲線是PCB裝配中的一個關(guān)鍵元素，它用來決定過程機器的設(shè)定和確認工藝的連續(xù)性。沒有可測量的結(jié)果，對回流工藝的控制是有限的。咨詢一下錫膏供應(yīng)商，查看一下元件規(guī)格，為一個特定的工藝確定最佳的曲線參數(shù)。通過實施經(jīng)典PCB溫度曲線和機器的品質(zhì)管理溫度曲線的一個正常的制度，PCB的報廢率將會降低，而質(zhì)量與產(chǎn)量都會改善。結(jié)果，總的運作成本將減低。

任選選老師擅長SMT貼片回流與DIP制程中的異常分析及改善，擁有多項技術(shù)改造專利；軍工，航空航天，工控醫(yī)療的PCBA具備深厚加工經(jīng)驗；具備多個上市公司SMT制程管理經(jīng)驗，現(xiàn)服務(wù)于PCBA樣板生產(chǎn)上市公司。

審核編輯：湯梓紅