王寧召

【摘 要】電子信息產業(yè)在中國的迅猛發(fā)展，推動著表面貼裝工藝（SMT）的質量和效率的提高。回流焊作為SMT生產線上的核心工藝環(huán)節(jié)，其質量與效率的提高集中體現在回流曲線的優(yōu)化與控制上。隨著無鉛焊的實施，回流曲線引起的焊接質量問題更加突出。本文主要闡述了回流溫度曲線設置與產品質量的關系。

【關鍵詞】回流溫度；曲線設置；產品質量

0.引言

我們從回流過程中焊膏作用和焊點形成機理出發(fā)，對回流曲線進行優(yōu)化，顯然已跳出了僅僅從避免焊接缺陷發(fā)生的角度而優(yōu)化回流曲線的范疇，將回流曲線的優(yōu)化以特定參數的形式與焊點的可靠性聯(lián)系起來，不僅可以避免焊接缺陷發(fā)生，也使得焊點的可靠性得以控制。

1.回流曲線優(yōu)化的應用策略

加熱因子是回流曲線中最重要的參數，加熱因子最優(yōu)范圍的控制決定著IMC厚度的控制，IMC厚度也基本上決定著焊點可靠性的控制，加熱因子最優(yōu)范圍在PCB板上各個焊點的實現成為回流曲線優(yōu)化是否成功的重要標志。而冷卻速率在優(yōu)化中也應得到重視，宜取較大的冷卻速率來獲得微細結構的焊點組織，使其可靠性得到提高。預熱因子僅作為一個參考值，可以不作為回流曲線優(yōu)化的重點。

假設某焊膏制造商推薦的回流曲線，首先應確定好其加熱因子的最優(yōu)范圍并作為最重要的優(yōu)化指標，其它指標如升溫速率（ramp rate），保溫時間（soak time）應基本符合焊膏制造商的要求，冷卻速率（cooling rate）須得到有效的控制，以此作為優(yōu)化的回流曲線。因此回流曲線就可以作為待要實現的經過優(yōu)化的目標回流曲線，焊點溫度曲線的加熱部分宜盡量逼近此目標回流曲線，以獲取和目標曲線盡量匹配的預熱因子，而冷卻部分宜使得熱質最小焊點（即溫升部分最熱的焊點）的冷卻速率達到許可范圍的最大值4℃/sec，這樣其它焊點的冷卻速率也可以達到許可條件下的最大化。

2.對回流爐的要求

優(yōu)化回流曲線的實現要求回流爐的熱傳遞過程有非常好的均勻性，這樣能盡量使得PCBA上每一個焊點的溫度都盡可能的一致，各個焊點的加熱因子值也盡量的一致，以最小化各個焊點的加熱因子之差，從而易于實現加熱因子最優(yōu)范圍的控制。這就要求以完全的熱風強制對流加熱為熱交換手段。對回流焊的各種加熱方式作比較，顯然對流加熱的均勻性、可控性均最好。而采用紅外加熱技術時，安裝在PCB 上的各種器件不同的輻射率使得其熱均勻性較差，而且紅外（IR）輻射能量是直線傳播，當一個體積小，薄形的器件緊靠大尺寸，高的器件就會有陰影，也會產生不均勻輻射。強制熱風對流與紅外加熱相比，能明顯減少印制板平面的加熱溫度差。目前市場上面向無鉛焊生產的回流爐都以強制熱風對流加熱為主要的熱傳遞方式。

采用對流加熱時，既要考慮熱風速度的差別，也要考慮熱風方向的差別。一方面，強制熱風速度的增加，加速了熱量傳送到 PCB 板上貼片裝器件的速度，使得熱均勻性更好，但是過大的風速會造成器件移位或脫離原準確貼裝位置。所以熱風的速度一定要使得直對熱風噴嘴口下面的器件不會造成移位（也就是講，熱量傳送的有效區(qū)域不能直接受到噴嘴口的指向影響）。另一方面，熱風方向的差別也是導致溫度不均的原因。當封裝體接觸的熱風流方向不同，兩個相同的器件組所得到熱量速度是不同的。這種問題在球引腳器件底部與印制板間的支承空間，熱風流的流向分布變得更為突出。例如BGA器件的回流焊工藝，在封裝體的底部引腳與印制板間的熱風流量少于印制板安裝面的引腳器件。

總之，業(yè)界無異議地認為強制熱風對流是SMT回流焊接的最好選擇。許多專家也贊成應對此項技術做出有價值的改進，包括提高焊爐內PCB安裝面熱風流溫度、速度、流量、均勻性及一致性的系統(tǒng)能力。

綜合上面的討論，考慮到無鉛回流焊接要求回流爐在運行中達到更高的溫度，回流曲線的工藝窗口變窄，相對于傳統(tǒng)的有鉛回流焊，對爐子有著更高的要求：

（a）首先，回流爐各加熱區(qū)應有較強的對流換熱能力，以便獲得更均勻的熱傳導。因為較強的對流換熱能力將使得較大熱質元件的溫度也能較快的逼近熱源溫度，而較小熱質元件的溫度在較早達到熱源溫度后，與熱源溫度保持平衡，直到熱源的溫度再次改變，這樣使得較大熱質元件的溫度和較小熱質元件的溫度在各加熱區(qū)的末端達到平衡，至少較為接近于平衡。

（b）其次，回流爐各加熱區(qū)在和印刷電路板發(fā)生熱交換的界面，即處于PCB板所在的平面，應有盡量均勻的溫度場分布，以平衡的加熱PCBA。

（c）回流爐各加熱區(qū)熱源的重復性需要得到切實的保證，這是實現加熱因子優(yōu)化控制最重要的因素。對于以同樣的初始條件，在同樣的爐控制參數下進行回流的同一PCBA，特定焊點所經歷的溫度曲線和加熱因子應保持一致，否則無法保證回流焊接的連續(xù)性和可靠性生產。這就要求回流爐傳遞的熱量穩(wěn)定性（包括溫度和風速、風量）好。

（d）回流爐加熱區(qū)的數目也應該有所增加，并且多多益善?？紤]到無鉛回流焊相對于傳統(tǒng)的有鉛焊升高的溫度（焊膏液相溫度升高217～183=34℃），用少數的幾個加熱區(qū)實現較高的溫度，將使得各個加熱區(qū)承擔驅動PCBA 達到特定溫度的任務過重，導致各個加熱區(qū)之間的熱源設定溫度較大，容易引起PCBA在某個時段升溫過快，造成對熱敏感元件的沖擊，可能損傷芯片元件。

（e）回流爐的冷卻區(qū)應得到有效的控制，冷卻能力應得到加強。在無鉛回流焊中，較快的冷卻速率有助于焊點形成較精細的微結構，機械性能大為改善，增強了焊點的可靠性。因此回流爐的冷卻區(qū)，尤其是靠近加熱區(qū)的第一個冷卻區(qū)，一般對應于焊料從峰值溫度降低到固相，對微結構的形成最為關鍵，尤其需要有較強的冷卻能力，并且是可控的。

3.結束語

通過不斷的摸索與總結，發(fā)現SMT產品質量與回流溫度曲線的設置密切相關，為了確保SMT產品的質量，必須加強回流溫度的理論研究和根據實際需求設置溫度曲線。

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