姜海峽（天津鐵路信號有限責任公司）

轉自：半導體封裝工程師之家

摘要：

從焊接機理及回流焊接溫度曲線理論分析入手，闡述了回流焊接溫度與焊接時間對ＰＣＢＡ（印制電路板組）焊接質量的影響，論述了回流焊接溫度曲線的設置與測試方法，包括測試點的選取、熱電偶的固定方法，并以監測采集板卡為例，利用文中敘述的回流焊接溫度曲線設置方法，設置該產品的溫度曲線。通過對比分析，可調整參數至更加理想的回流焊接溫度曲線，從而對該方法進行了驗證。

隨著電子技術的不斷發展，電子元器件外形尺寸日益小型化，印制電路板組裝日益高密度化，致使表面貼裝技術（ＳＭＴ）的工藝窗口越來越小，組裝難度越來越大。如何建立良好而穩固的工藝，提高回流焊接的一次合格率，已經成為ＳＭＴ技術的核心問題，解決這一問題的關鍵就在于回流焊接溫度曲線的設置。一條適宜的溫度曲線不僅應該確保ＰＣＢＡ上所有焊點潤濕良好、焊接牢靠，還應該確保元器件及ＰＣＢ（印制電路板）本身避免因受溫度沖擊而損壞。而溫度沖擊主要來源于溫度曲線的升溫斜率和降溫斜率的影響。為此，本文將針對有鉛回流焊接溫度曲線設置及測試等內容展開論述。

1 回流焊接溫度曲線理論

1.1 回流焊接的定義

印刷機通過鋼網將適量的焊錫膏施放在印制板的焊接部位，貼片機按程序將元器件貼放在焊接部位，焊錫膏將元器件粘在印制板上，通過回流焊爐的熱源加熱，使焊料熔化而再次流動浸潤，將元器件焊接到印制板上。這一過程稱為再流焊接，也稱回流焊接。

1.2 焊接機理

焊錫膏的有效成分為焊錫合金粉和助焊劑。焊錫合金粉是易熔金屬，其熔點低于被焊金屬，有鉛焊料熔點為１８３℃。當焊料被加熱到熔點以上時，焊接金屬表面在助焊劑的活化作用下，對金屬表面的氧化層和污染物起到清洗作用，同時使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料在經過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤，發生擴散、熔解、冶金結合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成金屬間結合層（焊縫），冷卻后使焊料凝固，形成焊點。

焊點的抗拉強度與焊縫的結構和厚度有關。焊縫不能太厚，因為金屬間結合層（焊縫）的主要成分是Ｃｕ６Ｓｎ５，比較脆，且基板材料、焊盤、元器件焊端之間的熱膨脹系數有差異，容易產生龜裂，造成失效。

焊縫的厚度與焊接溫度和時間成正比。例如，當焊接溫度在熔點１８３℃以上但還未高出３０℃時，在焊料和金屬表面之間的擴散和熔解不能生成足夠的焊縫，只有在高出熔點３０～４０℃并維持約２ｓ的條件下才能生成良性的結合層。但焊接溫度更高時，擴散反應率就加速，就會生成過多的惡性金屬間結合層，焊點變得脆性而多孔。因此，合理設置回流焊接溫度和時間是確保焊接質量、提高一次合格率的關鍵。

1.3 回流焊接溫度曲線的理論分析

圖１所示是一條理想狀態下的回流焊接溫度曲線。所謂溫度曲線，實際上是指ＰＣＢＡ通過回流爐時，ＰＣＢ上測試點的溫度隨時間變化的曲線，它能直觀反映出該點在整個焊接過程中的溫度變化，為獲得最佳焊接效果提供了科學依據。該曲線由４個區間組成，即預熱區、保溫區、回流區和冷卻區，前３個區間為加熱區，最后１個區間為冷卻區，大部分焊錫膏都能通過這４個溫區成功實現回流焊接。現將各區間的溫度、停留時間以及焊錫膏在各區的變化情況介紹如下。

１）預熱區，也叫斜坡區，焊接對象從室溫開始逐步加熱至大約１５０℃的區域，目的在于縮小與回流焊接區域的溫差，此時焊料中的溶劑被揮發。此區域需要注意升溫速率不能太快，以避免焊錫膏飛濺和元器件熱應力損傷。但是升溫速率也不宜太慢，以免焊錫膏感溫過度而沒有足夠的時間達到活性溫度，通常控制在１～３℃／ｓ，時間控制在６０～１２０ｓ。

２）保溫區，也叫均溫區或活性區，使焊接對象溫度維持在焊料熔點以下（１５０～１６０℃）一段時間的區域。在此期間，焊料中助焊劑活化，并清除焊盤及引腳上的氧化物；ＰＣＢ上不同質元器件溫度趨于均勻、減少溫差。時間控制在６０～９０ｓ。時間過長會使焊錫膏再度氧化，提前使助焊劑失效。

３）回流區，也叫再流區或焊接區，溫度從保溫區繼續上升，超過焊錫膏熔點３０～４０℃，焊錫膏完全熔化并潤濕元器件焊端與焊盤，同時發生擴散、熔解、冶金結合，形成金屬間化合物。考慮元器件承受熱應力因素，升溫速率不應超過３℃／ｓ。達到峰值溫度的焊接時間不應超過１０ｓ，以免形成惡性金屬間化合物，使焊點變脆。

４）冷卻區，焊接對象溫度從最高點迅速下降到７５℃以下，凝固焊點，完成焊接。降溫過快將會引起元器件內部的溫度應力，過緩又會導致焊盤的更多分解物進入焊錫中，產生灰暗毛糙的焊點，甚至引起焊點潤濕不良和結合力弱，降溫速率應控制在－３℃／ｓ以內。

2 溫度曲線的設置與測試方法

2.1 溫度曲線的設置方法

在大規模生產中，每個產品的實際溫度曲線應根據所焊接的ＰＣＢＡ的特點（ＰＣＢ的尺寸、元器件的密集程度、元器件的種類等）進行設置、測試來確定，即使使用同樣的回流焊爐、同樣的焊錫膏，不同的ＰＣＢＡ也需要通過試驗確定適合的溫度曲線。合適溫度曲線的判定依據是焊點質量和元器件、ＰＣＢ的材料損傷情況。前者包括焊點的外觀形態、潤濕情況、是否存在冷焊空洞及焊料與被焊接金屬表面之間生成的金屬間化合物的質量等；后者包括元器件開裂、變形，ＰＣＢ分層、變色、變形等。這些不僅影響著回流焊接的一次合格率，還會給ＰＣ－ＢＡ帶來致命的損傷。

回流焊接溫度曲線設置時需要考慮的關鍵因素及相關注意事項詳見表１。

表１中的關鍵因素大部分與焊接時間和溫度有關。焊接時間的設置主要取決于回流焊爐溫區長度和傳送帶速度；爐溫的設置也與傳送帶速度、熱傳遞量有關。傳送帶速度應由焊接的工藝時間、回流焊爐的溫區總長度來確定。傳送帶速度確定以后才開始進行溫度設定。帶速慢、爐溫可低些，因為較長的時間也可達到熱平衡，反之可提高爐溫。如果ＰＣＢ上元器件密、大元器件多，達到熱平衡需要較多熱量，這就要求提高爐溫；反之可降低爐溫。

2.2 溫度曲線的測試方法

溫度曲線的測試，一般采用隨ＰＣＢ板一同進入爐膛內的溫度采集器（即溫度記憶裝置）進行，測試采用Ｋ型熱電偶，測試后將記憶裝置數據輸入ＰＣ專用測試軟件，進行曲線數據分析處理，打印出ＰＣＢ組件的溫度曲線。這一套裝置也稱溫度曲線測試儀。

溫度曲線設置好后，試生產前要通過曲線測試儀在測溫板（焊好的產品ＰＣＢＡ）上進行測試確定。測試的關鍵在于測試點的選取和熱電偶的固定。

2.2.1 測試點的選取

一般情況下至少應選取３個測試點，即能夠反映ＰＣＢＡ上最高溫度的點、最低溫度的點及重點關注元器件的測試點。最高溫度點一般在爐堂中間、無元器件處、元器件稀少處或小體積元器件處；最低溫度點一般在大型元器件處（如ＰＬＣＣ）、大面積覆銅處、傳輸導軌或爐堂的邊緣處、以及熱風對流吹不到的位置。

有ＢＧＡ元件時，ＢＧＡ測試點應不少于２個，即測試ＢＧＡ元件錫球和ＢＧＡ元件表面溫度各１點；有ＱＦＰ元件時，在引腳焊盤上選取１點測試引腳底部溫度；還有１點用于測試ＰＣＢ表面溫度或ＣＨＩＰ元件溫度。若一塊ＰＣＢ上有幾個ＱＦＰ元件時，應優先選取較大者為測試點。

2.2.2 熱電偶的固定

熱電偶的固定可以選用高溫焊錫、高溫膠帶或紅膠等方式，其中最佳方案是采用高溫焊錫焊接在需要測量溫度的地方（見圖２）；其次是用高溫膠帶固定，但沒有直接焊接的效果好（見圖３）。

熱電偶固定時應預先將原焊點處的焊料清除干凈，測試端頭不應翹起，形成的焊點應盡可能與真正焊點大小一致，這樣不會影響溫度的真實性。

3 實際應用

本文以監測采集板卡的回流焊接溫度曲線設置為例，采用前文敘述的焊接機理及回流焊接溫度曲線設置理論，設置該產品的溫度曲線，并通過溫度曲線測試儀測試其實際曲線，與理想溫度曲線及制造商提供的焊錫膏回流焊接溫度曲線進行比對分析，調整參數，最終獲得滿意的回流焊接溫度曲線。

3.1 實例用到的設備、儀器、材料及其特性

本實例中用到的主要設備、儀器及材料詳見表２，供應商提供的焊錫膏回流焊接溫度曲線如圖４所示。

由圖４可知，該焊錫膏的回流焊接峰值溫度約為２２０℃，保溫溫度為１５０～１６０℃；預熱時間約為１．３ｍｉｎ（約８０ｓ），保溫時間約為１ｍｉｎ（即６０ｓ），回流焊接時間不足１ｍｉｎ，全過程加熱時間總共約為３．３ｍｉｎ（即２００ｓ）。由此可見，預熱時間占全程的４／１０，保溫時間占全程的３／１０，回流焊接時間占全程的３／１０。恰好用到的回流焊爐共有１０個加熱溫區，并且長度均為３７０ｍｍ。因此，可以把回流焊爐１０個溫區分配為預熱４個溫區、保溫３個溫區、回流焊接３個溫區，每個溫區大約２０ｓ，傳送帶速度即為１１０ｃｍ／ｍｉｎ（３７０ｍｍ／２０ｓ＝１８．５ｍｍ／ｓ＝１１１ｃｍ／ｍｉｎ）。

3.2 參數設置

該產品的回流焊接過程參數設置見表３。

3.3 實際溫度曲線測試

本文將使用ＫＩＣ２０００爐溫測試儀，對監測采集板卡按上述參數設置的回流焊接進行溫度曲線測試。分別選取最熱點、集成電路芯片引腳、最冷點和貼片電阻焊端４個測試點，測試后所得溫度曲線如圖５所示，區間末實際板溫見表３。

3.4 參數調整

從圖５曲線可以看出，保溫區溫度略低，焊接溫度峰值出現在回流區末端，焊點由最高溫度點直接接觸強冷空氣，不利于形成良好焊點，需要將最高溫度點略向前移，使焊接溫度在回流區內形成由最高點下降的趨勢。因此，對該產品的溫度曲線進行了優化，重新設置的參數見表４，測試的溫度曲線如圖６所示，這條曲線基本接近供應商推薦的焊接溫度曲線，當然還可以進一步調整、測試，以獲得更加理想的焊接溫度曲線。

使用這條溫度曲線加工的監測采集板卡，首件試制后，經使用視頻顯微鏡檢測，板面未見錫珠；焊點光亮飽滿、潤濕良好，器件及ＰＣＢ均未見受損現象。量產后通電調試，整批產品合格率為１００％。

4 結語

綜上所述，設置溫度曲線時，首先應對回流焊爐的結構、焊錫膏的性能、ＰＣＢＡ的尺寸及元器件的分布等情況進行全面了解，根據焊接機理和焊錫膏特性確定回流焊接峰值溫度及合適的回流焊接時間，結合回流焊爐結構設置溫區及傳送帶速度，運用傳熱學定律合理調整爐溫，并與理想溫度曲線進行比較并反復調整，直至獲得實際產品所需要的合適的回流焊接溫度曲線，以提高回流焊接一次合格率。

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