SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)的設定包括哪幾段(區)？每個區對焊接的作用，設置不當會產生哪些不良？

轉自：SMT工程師之家

前言

電子產業之所以能夠蓬勃發展，表面貼焊技術(SMT, Surface MountTechnology)的發明及精進占有極大程度的貢獻。而回焊(Reflow)又是表面貼焊技術中最重要的技術之一。這里我們就試著來解釋一下回焊的一些技術與溫度設定的問題。

電路板組裝的回流焊溫度曲線(reflow profile)共包括了預熱(pre-heat)、吸熱(Soak)、回焊(Reflow)和冷卻(Cooling)等四個大區塊。

預熱區(Pre-heat zone)

預熱區通常是指由溫度由常溫升高至150°C左右的區域﹐在這個區域﹐溫度緩升（又稱一次升溫）以利錫膏中的部分溶劑及水氣能夠及時揮發﹐電子零件（特別是BGA、IO連接器零件）緩緩升溫﹐為適應后面的高溫預作準備。但PCB表面的零件大小不一﹐焊墊/焊盤連接銅箔面積也不同，其吸熱裎度也不一，為了避免零件內外或不同零件間有溫度不均勻的現象發生﹐以致零件變形，所以預熱區升溫的速度通常控制在1.5°C～3°C/sec之間。預熱區均勻加熱的另一目的，是要使錫膏中的溶劑可以適度緩慢的揮發并活化助焊劑，因為大部分助焊劑的活化溫度大約落在150°C上下。

快速升溫有助快速達到助焊劑軟化的溫度，因此助焊劑可以快速地擴散并覆蓋到最大區域的焊點，它可以讓一些活化劑融入實際合金的液體中。可是，升溫如果太快﹐由于熱應力的作用﹐可能會導致陶瓷電容的細微裂紋(micro crack)、PCB受熱不均而產生變形(Warpage)、空洞或IC芯片損壞﹐同時錫膏中的溶劑揮發太快﹐也會導致錫膏塌陷產生的危險。

較慢的溫度爬升則允許更多的溶劑揮發或氣體逃逸，它也使助焊劑可以更靠近焊點，減少擴散及崩塌的可能。但是升溫太慢也會導致過度氧化而降低助焊劑的活性。

爐子的預熱區一般占加熱通道長度的1/4~1/3﹐其停留時間計算如下﹕假設環境溫度為25°C﹐若升溫斜率按照3°C/sec計算則[(150-25)/3]即為42sec﹐如升溫斜率按照1.5°C/sec計算則[(150-25)/1.5]即為85sec。通常根據組件大小差異程度調整時間以調控升溫斜率在2°C/sec以下為最佳。

另外還有幾種不良現象都與預熱區的升溫有關系，下面一一說明：

1. 塌陷：

這主要是發生在錫膏融化前的膏狀階段，錫膏的黏度會隨著溫度的上升而下降，這是因為溫度的上升使得材料內的分子因熱而震動得更加劇烈所致；另外溫度迅速上升會使得溶劑(Solvent)沒有時間適當地揮發，造成黏度更迅速的下降。正確來說，溫度上升會使溶劑揮發，并增加黏度，但溶劑揮發量與時間及溫度皆成正比，也就是說給一定的溫升，時間較長者，溶劑揮發的量較多。因此升溫慢的錫膏黏度會比升溫快的錫膏黏度來的高，錫膏也就必較不容易產生塌陷。

2. 錫珠：

迅速揮發出來的氣體會連錫膏都一起往外帶，在小間隙的零件下會形成分離的錫膏區塊，回焊時分離的錫膏區塊會融化并從零件底下冒出而形成錫珠。

3. 錫球：

升溫太快時，溶劑氣體會迅速的從錫高中揮發出來并把飛濺錫膏所引起。減緩升溫的速度可以有效控制錫球的產生。但是升溫太慢也會導致過度氧化而降低助焊劑的活性。

4. 燈芯虹吸現象：

這個現象是焊料在潤濕引腳后，焊料從焊點區域沿引腳向上爬升，以致焊點產生焊料不足或空焊的問題。其可能原因是錫膏在融化階段，零件腳的溫度高于PCB的焊墊溫度所致。可以增加PCB底部溫度或是延長錫膏在的熔點附近的時間來改善，最好可以在焊料潤濕前達到零件腳與焊墊的溫度平衡。一但焊料已經潤濕在焊墊上，焊料的形狀就很難改變，此時也不在受溫升速率的影響。

5. 潤濕不良：

一般的潤濕不良是由于焊接過程中錫粉被過度氧化所引起，可經由減少預熱時錫膏吸收過多的熱量來改善。理想的回焊時間應盡可能的短。如果有其他因素致加熱時間不能縮短，那建議從室溫到錫膏熔點間采線性溫度，這樣回焊時就能減少錫粉氧化的可能性。

6. 虛焊或“枕頭效應”(Head-In-Pillow)：

虛焊的主要原因可能是因為燈蕊虹吸現象或是不潤濕所造成。燈蕊虹吸現象可以參照燈蕊虹吸現象的解決方法。如果是不潤濕的問題，也就是枕頭效應，這種現象是零件腳已經浸入焊料中，但并未形成真正的共金或潤濕，這個問題通常可以利用減少氧化來改善，可以參考潤濕不良的解決方法。

7. 墓碑效應及歪斜：

這是由于零件兩端的潤濕不平均所造成的，類似燈蕊虹吸現象，可以藉由延長錫膏在的熔點附近的時間來改善，或是降低升溫的速率，使零件兩端的溫度在錫膏熔點前達到平衡。另一個要注意的是PCB的焊墊設計，如果有明顯的大小不同、不對稱、或是一方焊墊有接地(ground)又未設計熱阻(thermal relief)焊墊，而另一方焊墊無接地，都容易造成不同的溫度出現在焊墊的兩端，當一方焊墊先融化后，因表面張力的拉扯，會將零件立直(墓碑)及拉斜。

8. 空洞(Voids)：

主要是因為助焊劑中的溶劑或是水氣快速氧化，且在焊料固化前未實時逸出所致。

吸

熱區 (Soak zone)

主要是因為一般將這個區域翻譯成「浸潤區」，但經白老師糾正，正確的名稱應該叫「吸熱區」，也稱「活性區」﹐在這段幾近恒溫區的溫度通常維持在150±10°C的區域﹐斜升式的溫度通常落在150～190°C之間，此時錫膏正處于融化前夕﹐焊膏中的揮發物會進一步被去除﹐活化劑開始啟動﹐并有效的去除焊接表面的氧化物﹐PCB表面溫度受熱風對流的影響﹐讓不同大小、質地不同的零組件溫度能保持均勻溫度﹐板面溫度差△T接近最小值。

（如果PCB上的零件簡單，沒有太多復雜的零件，如BGA或大顆容易或不易吸熱零件，也就是說零件間的溫度可以輕易達到均勻，建議使用「斜升式曲線」。現代科技進步，有些回焊爐的效率好，可以快速均勻所有零件的溫度，也可以考慮「斜升式曲線」。「斜升式曲線」的優點是希望確保錫膏融錫時所有焊點同時融錫，已達到最佳的焊接效果。）

溫度曲線形態接近水平狀﹐它也是評估回焊爐工藝的一個窗口﹐選擇能維持平坦活性溫度曲線的爐子將可提高焊接的效果﹐特別是防止立碑缺陷的產生，因為較不易造成融錫不一的時間差，零件兩端也就比較不會有應力不同的問題。

恒溫區通常在爐子的2﹐3區之間﹐時間維持約為60～120s﹐若時間過長會導致松香過度揮發，并造成錫膏過度氧化的問題﹐在回流焊接時失去活性和保護功能，以致焊接后造成虛焊、焊點殘留物發黑、焊點不光亮等問題。

此區域的溫度如果升溫太快，錫膏中的松香(助焊劑)就會迅速膨脹揮發，正常情況下，松香應該會慢慢從錫膏間的縫隙逸散，當松香揮發的速度過快時，就會發生氣孔、炸錫、錫珠等質量問題。

回焊區(Reflow zone)

回焊區是整段回焊溫度最高的區域﹐通常也叫做「液態保持時間(TAL, time above liquids)」。此時焊料中的錫會與焊墊上的銅或鎳因為「化學反應」而形成金屬間的化合物Cu₅sn₆或Ni₃Sn₄。以OSP(有機保護膜)的表面處理為例﹐當錫膏融化后﹐會迅速潤濕銅層﹐錫原子與銅原子在其接口上互相滲透，初期Sn-Cu合金的結構為良好的Cu₆Sn₅介金屬化合物(IMC)，為回焊爐子內的關鍵階段，因為裝配上的溫度梯度必須最小。IMC的厚度在1-5μm都可以接受，但IMC太厚也不好，一般建議可以控制在1-3μm為最佳。TAL必須保持在錫膏制造商所規定的參數之內。產品的峰值溫度也是在這個階段達成的（裝配達到爐內的最高溫度），時間如果過長就會繼續生成Cu₃Sn的不良IMC。ENIG表面處理的板子，初期則會生成Ni₃Sn₄的IMC，但只會生成極少的Cu₆Sn₅化合物。

必須小心的是，溫度不可超過PCB板上任何溫度敏感組件的最高溫度和加熱速率承受能力。例如，一個典型符合無鉛制程的鉭電容具有的最高溫度在260°C時最多只能持續10秒鐘。理想狀況下應該讓裝配上所有的焊點同時、同速率達到相同的峰值溫度，以保證所有零件在爐內經歷相同的環境。

回焊的峰值溫度，通常取決于焊料的熔點溫度及組裝零件所能承受的溫度。一般的峰值溫度應該比錫膏的正常熔點溫度要高出約25~30°C，才能順利的完成焊接作業。如果低于此溫度，則極有可能會造成冷焊與潤濕不良的缺點。

冷卻區(Cooling zon）

e)

在回焊區之后，產品冷卻，固化焊點，將為后面裝配的工序準備。控制冷卻速度也是關鍵的，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。

一般認為冷卻區應迅速降溫使焊料凝固。迅速冷卻也可以得到較細的合晶結構，提高焊點的強度，使焊點光亮，表面連續并呈彎月面狀，但缺點就是較容易生成孔洞，因為有些氣體來不及逃逸。

相反的，在熔點以上緩慢的冷卻則容易導致過量的介金屬化合物(IMC)產生及較大的合晶顆粒，降低抗疲勞強度。采用比較快的冷卻速率可以有效嚇阻介金屬化合物的生成。

在加速冷卻速度的同時須注意到零件耐沖擊的能力，一般的電容所容許的最大冷卻速率大約是4°C/sec。過快的冷卻速率很可能會引起應力影響而產生龜裂(Crack)。也可能引起焊墊與PCB或焊墊與焊點的剝離，這是由于零件、焊料、與焊點各擁有不同的熱膨脹系數及收縮率的結果。一般建議的降溫速度為2~5°C/s之間。

助焊劑中的溶劑或是水氣快速氧化，且在焊料固化前未實時逸出所致。

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