试论表面贴装工艺中回流温度曲线的优化与控制

王宁召

【摘 要】电子信息产业在中国的迅猛发展，推动着表面贴装工艺（SMT）的质量和效率的提高。回流焊作为SMT生产线上的核心工艺环节，其质量与效率的提高集中体现在回流曲线的优化与控制上。随着无铅焊的实施，回流曲线引起的焊接质量问题更加突出。本文主要阐述了回流温度曲线设置与产品质量的关系。

【关键词】回流温度；曲线设置；产品质量

0.引言

我们从回流过程中焊膏作用和焊点形成机理出发，对回流曲线进行优化，显然已跳出了仅仅从避免焊接缺陷发生的角度而优化回流曲线的范畴，将回流曲线的优化以特定参数的形式与焊点的可靠性联系起来，不仅可以避免焊接缺陷发生，也使得焊点的可靠性得以控制。

1.回流曲线优化的应用策略

加热因子是回流曲线中最重要的参数，加热因子最优范围的控制决定着IMC厚度的控制，IMC厚度也基本上决定着焊点可靠性的控制，加热因子最优范围在PCB板上各个焊点的实现成为回流曲线优化是否成功的重要标志。而冷却速率在优化中也应得到重视，宜取较大的冷却速率来获得微细结构的焊点组织，使其可靠性得到提高。预热因子仅作为一个参考值，可以不作为回流曲线优化的重点。

假设某焊膏制造商推荐的回流曲线，首先应确定好其加热因子的最优范围并作为最重要的优化指标，其它指标如升温速率（ramp rate），保温时间（soak time）应基本符合焊膏制造商的要求，冷却速率（cooling rate）须得到有效的控制，以此作为优化的回流曲线。因此回流曲线就可以作为待要实现的经过优化的目标回流曲线，焊点温度曲线的加热部分宜尽量逼近此目标回流曲线，以获取和目标曲线尽量匹配的预热因子，而冷却部分宜使得热质最小焊点（即温升部分最热的焊点）的冷却速率达到许可范围的最大值4℃/sec，这样其它焊点的冷却速率也可以达到许可条件下的最大化。

2.对回流炉的要求

优化回流曲线的实现要求回流炉的热传递过程有非常好的均匀性，这样能尽量使得PCBA上每一个焊点的温度都尽可能的一致，各个焊点的加热因子值也尽量的一致，以最小化各个焊点的加热因子之差，从而易于实现加热因子最优范围的控制。这就要求以完全的热风强制对流加热为热交换手段。对回流焊的各种加热方式作比较，显然对流加热的均匀性、可控性均最好。而采用红外加热技术时，安装在PCB 上的各种器件不同的辐射率使得其热均匀性较差，而且红外（IR）辐射能量是直线传播，当一个体积小，薄形的器件紧靠大尺寸，高的器件就会有阴影，也会产生不均匀辐射。强制热风对流与红外加热相比，能明显减少印制板平面的加热温度差。目前市场上面向无铅焊生产的回流炉都以强制热风对流加热为主要的热传递方式。

采用对流加热时，既要考虑热风速度的差别，也要考虑热风方向的差别。一方面，强制热风速度的增加，加速了热量传送到 PCB 板上贴片装器件的速度，使得热均匀性更好，但是过大的风速会造成器件移位或脱离原准确贴装位置。所以热风的速度一定要使得直对热风喷嘴口下面的器件不会造成移位（也就是讲，热量传送的有效区域不能直接受到喷嘴口的指向影响）。另一方面，热风方向的差别也是导致温度不均的原因。当封装体接触的热风流方向不同，两个相同的器件组所得到热量速度是不同的。这种问题在球引脚器件底部与印制板间的支承空间，热风流的流向分布变得更为突出。例如BGA器件的回流焊工艺，在封装体的底部引脚与印制板间的热风流量少于印制板安装面的引脚器件。

总之，业界无异议地认为强制热风对流是SMT回流焊接的最好选择。许多专家也赞成应对此项技术做出有价值的改进，包括提高焊炉内PCB安装面热风流温度、速度、流量、均匀性及一致性的系统能力。

综合上面的讨论，考虑到无铅回流焊接要求回流炉在运行中达到更高的温度，回流曲线的工艺窗口变窄，相对于传统的有铅回流焊，对炉子有着更高的要求：

（a）首先，回流炉各加热区应有较强的对流换热能力，以便获得更均匀的热传导。因为较强的对流换热能力将使得较大热质元件的温度也能较快的逼近热源温度，而较小热质元件的温度在较早达到热源温度后，与热源温度保持平衡，直到热源的温度再次改变，这样使得较大热质元件的温度和较小热质元件的温度在各加热区的末端达到平衡，至少较为接近于平衡。

（b）其次，回流炉各加热区在和印刷电路板发生热交换的界面，即处于PCB板所在的平面，应有尽量均匀的温度场分布，以平衡的加热PCBA。

（c）回流炉各加热区热源的重复性需要得到切实的保证，这是实现加热因子优化控制最重要的因素。对于以同样的初始条件，在同样的炉控制参数下进行回流的同一PCBA，特定焊点所经历的温度曲线和加热因子应保持一致，否则无法保证回流焊接的连续性和可靠性生产。这就要求回流炉传递的热量稳定性（包括温度和风速、风量）好。

（d）回流炉加热区的数目也应该有所增加，并且多多益善。考虑到无铅回流焊相对于传统的有铅焊升高的温度（焊膏液相温度升高217～183=34℃），用少数的几个加热区实现较高的温度，将使得各个加热区承担驱动PCBA 达到特定温度的任务过重，导致各个加热区之间的热源设定温度较大，容易引起PCBA在某个时段升温过快，造成对热敏感元件的冲击，可能损伤芯片元件。

（e）回流炉的冷却区应得到有效的控制，冷却能力应得到加强。在无铅回流焊中，较快的冷却速率有助于焊点形成较精细的微结构，机械性能大为改善，增强了焊点的可靠性。因此回流炉的冷却区，尤其是靠近加热区的第一个冷却区，一般对应于焊料从峰值温度降低到固相，对微结构的形成最为关键，尤其需要有较强的冷却能力，并且是可控的。

3.结束语

通过不断的摸索与总结，发现SMT产品质量与回流温度曲线的设置密切相关，为了确保SMT产品的质量，必须加强回流温度的理论研究和根据实际需求设置温度曲线。

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