電子產(chǎn)業(yè)之所以能夠蓬勃發(fā)展，表面貼焊技術(shù)(T, Su ** ce Mount Technology)的發(fā)明及精進(jìn)占有大程度的貢獻(xiàn)。而回流焊(Reflow)又是表面貼焊技術(shù)中重要的技術(shù)之一。這里我們就試著來(lái)解釋一下回流焊的一些技術(shù)與溫度設(shè)定的問(wèn)題。

  (▲ Soaking type 典型浸潤(rùn)式回流焊溫度曲線）

  (▲ Slumping type 斜升式回流焊溫度曲線）

  回流焊的溫度曲線共包括了 預(yù)熱、吸熱、回流焊和冷卻等四個(gè)區(qū)塊，以下為個(gè)人的心得整理，如果有誤也請(qǐng)各位先進(jìn)不吝指教。

  預(yù)熱區(qū)(Pre-heat zone)

  預(yù)熱區(qū)通常是指由溫度由常溫升高至150°C左右的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域，溫度緩升以利錫膏中的部分溶劑及水氣能夠及時(shí)揮發(fā)，電子零件（特別是IC零件）緩緩升溫，為適應(yīng)后面的高溫預(yù)作準(zhǔn)備。但PCB表面的零件大小不一。吸熱裎度也不一，為了避免零件內(nèi)外或不同零件間有溫度不均勻的現(xiàn)象，所以預(yù)熱區(qū)升溫的速度通�？刂圃�1.5°C～3°C/sec之間。

  預(yù)熱區(qū)均勻加熱的另一目的，是要使錫膏中的溶劑可以適度的揮發(fā)并活化助焊劑，因?yàn)榇蟛糠种�焊劑的活化溫度大約落在150°C上下。

  快速升溫有助快速達(dá)到助焊劑軟化的溫度，因此助焊劑可以快速地?cái)U(kuò)散并覆蓋到最大區(qū)域的焊點(diǎn)，它可能也會(huì)讓一些活化劑融入實(shí)際合金的液體中�？墒�，升溫如果太快，由于熱應(yīng)力的作用，可能會(huì)導(dǎo)致陶瓷電容的細(xì)微裂紋(micro crack)、PCB受熱不均而產(chǎn)生變形(Warpage)、空洞或IC晶片損壞，同時(shí)錫膏中的溶劑揮發(fā)太快，也會(huì)導(dǎo)致塌陷產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

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

  爐子的預(yù)熱區(qū)一般占加熱通道長(zhǎng)度的1/4—1/3，其停留時(shí)間計(jì)算如下：假設(shè)環(huán)境溫度為25°C，若升溫斜率按照3°C/sec計(jì)算則（150-25）/3即為42sec，如升溫斜率按照1.5°C/sec計(jì)算則（150-25）/1.5即為85sec。通常根據(jù)組件大小差異程度調(diào)整時(shí)間以調(diào)控升溫斜率在2°C/sec以下為最佳。

  另外還有幾種不良現(xiàn)象都與預(yù)熱區(qū)的升溫有關(guān)系，下面一一說(shuō)明：

  1

  塌陷

  這主要是發(fā)生在錫膏融化前的膏狀階段，錫膏的黏度會(huì)隨著溫度的上升而下降，這是因?yàn)闇囟鹊纳仙�使得材料�?nèi)的分子因熱而震動(dòng)得更加劇烈所致；另外溫度迅速上升會(huì)使得溶劑(Solvent)沒(méi)有時(shí)間適當(dāng)?shù)負(fù)]發(fā)，造成黏度更迅速的下降。正確來(lái)說(shuō)，溫度上升會(huì)使溶劑揮發(fā)，并增加黏度，但溶劑揮發(fā)量與時(shí)間及溫度皆成正比，也就是說(shuō)給一定的溫升，時(shí)間較長(zhǎng)者，溶劑揮發(fā)的量較多。因此升溫慢的錫膏黏度會(huì)比升溫快的錫膏黏度來(lái)的高，錫膏也就比較不容易產(chǎn)生塌陷。

  2

  錫珠

  迅速揮發(fā)出來(lái)的氣體會(huì)連錫膏都一起往外帶，在小間隙的零件下會(huì)形成分離的錫膏區(qū)塊，回流焊時(shí)分離的錫膏區(qū)塊會(huì)融化并從零件底下冒出而形成錫珠。

  3

  錫球

  升溫太快時(shí)，溶劑氣體會(huì)迅速的從錫膏中揮發(fā)出來(lái)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(chǎn)生。但是升溫太慢也會(huì)導(dǎo)致過(guò)度氧化而降低助焊劑的活性。

  4

  燈蕊虹吸現(xiàn)象

  這個(gè)現(xiàn)象是焊料在潤(rùn)濕引腳后，焊料從焊點(diǎn)區(qū)域沿引腳向上爬升，以致焊點(diǎn)產(chǎn)生焊料不足或空銲的問(wèn)題。其可能原因是錫膏在融化階段，零件腳的溫度高于PCB的銲墊溫度所致。可以增加PCB底部溫度或是延長(zhǎng)錫膏在的熔點(diǎn)附近的時(shí)間來(lái)改善，最好可以在焊料潤(rùn)濕前達(dá)到零件腳與焊墊的溫度平衡。一但焊料已經(jīng)潤(rùn)濕在焊墊上，焊料的形狀就很難改變，此時(shí)也不在受溫升速率的影響。

  5

  潤(rùn)濕不良

  一般的潤(rùn)濕不良是由于焊接過(guò)程中錫粉被過(guò)度氧化所引起，可經(jīng)由減少預(yù)熱時(shí)錫膏吸收過(guò)多的熱量來(lái)改善。理想的回流焊時(shí)間應(yīng)盡可能的短。如果有其他因素致加熱時(shí)間不能縮短，那建議從室溫到錫膏熔點(diǎn)間採(cǎi)線性溫度，這樣回流焊時(shí)就能減少錫粉氧化的可能性。

  6

  虛焊或“枕頭效應(yīng)”(Head-In-Pillow)

  虛焊的主要原因可能是因?yàn)闊羧锖缥�現(xiàn)象或是不潤(rùn)濕所造成。燈蕊虹吸現(xiàn)象可以參照燈蕊虹吸現(xiàn)象的解決方法。如果是不潤(rùn)濕的問(wèn)題，也就是枕頭效應(yīng)，這種現(xiàn)象是零件腳已經(jīng)浸入焊料中，但并未形成真正的共金或潤(rùn)濕，這個(gè)問(wèn)題通�？梢岳�用減少氧化來(lái)改善，可以參考潤(rùn)濕不良的解決方法。

  7

  墓碑效應(yīng)及歪斜

  這是由于零件兩端的潤(rùn)濕不平均所造成的，類似燈蕊虹吸現(xiàn)象，可以藉由延長(zhǎng)錫膏在的熔點(diǎn)附近的時(shí)間來(lái)改善，或是降低升溫的速率，使零件兩端的溫度在錫膏熔點(diǎn)前達(dá)到平衡。另一個(gè)要注意的是PCB的焊墊設(shè)計(jì)，如果有明顯的大小不同、不對(duì)稱、或是一方焊墊有接地(ground)又未設(shè)計(jì)熱阻(ther ** l thief)而另一方焊墊無(wú)接地，都容易造成不同的溫度出現(xiàn)在焊墊的兩端，當(dāng)一方焊墊先融化后，因表面張力的拉扯，會(huì)將零件立直(墓碑)及拉斜。

  8

  空洞(Voids)

  主要是因?yàn)橹�焊劑中的溶劑或是水氣快速氧化，且在焊料固化前未即時(shí)逸出所致。

  吸熱區(qū) (Soak zone)

  一般將這個(gè)區(qū)域翻譯成「浸潤(rùn)區(qū)」，但經(jīng)白老師糾正，正確的名稱應(yīng)該叫「吸熱區(qū)」，也稱「活性區(qū)」。在這段幾近恒溫區(qū)的溫度通常維持在150±10°C的區(qū)域，斜昇式的溫度通常落在150～190°C之間，此時(shí)錫膏正處于融化前夕，焊膏中的揮發(fā)物會(huì)進(jìn)一步被去除�；罨瘎╅_(kāi)始啟動(dòng)，并有效的去除焊接表面的氧化物，PCB表面溫度受熱風(fēng)對(duì)流的影響，讓不同大小、質(zhì)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(jiǎn)單，沒(méi)有太多複雜的零件，如BGA或大顆容易或不易吸熱零件，也就是說(shuō)零件間的溫度可以輕易達(dá)到均勻，建議使用「斜昇式曲線」。現(xiàn)代科技進(jìn)步，有些回流焊爐的效率好，可以快速均勻所有零件的溫度，也可以考慮「斜昇式曲線」。「斜昇式曲線」的優(yōu)點(diǎn)是希望確保錫膏融錫時(shí)所有焊點(diǎn)同時(shí)融錫，已達(dá)到最佳的焊接效果。）

  溫度曲線形態(tài)接近水平狀，它也是評(píng)估回流焊爐工藝的一個(gè)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(chǎn)生，因?yàn)檩^不易造成融錫不一的時(shí)間差，零件兩端也就比較不會(huì)有應(yīng)力不同的問(wèn)題。

  恒溫區(qū)通常在爐子的2，3區(qū)之間，時(shí)間維持約為60～120s，若時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致松香過(guò)度揮發(fā)，并造成錫膏過(guò)度氧化的問(wèn)題。在回流焊接時(shí)失去活性和保護(hù)功能，以致焊接后造成虛焊、焊點(diǎn)殘留物發(fā)黑、焊點(diǎn)不光亮等問(wèn)題。

  此區(qū)域的溫度如果升溫太快，錫膏中的松香(助焊劑)就會(huì)迅速膨脹揮發(fā)，正常情況下，松香應(yīng)該會(huì)慢慢從錫膏間的縫隙逸散，當(dāng)松香揮發(fā)的速度過(guò)快時(shí)，就會(huì)發(fā)生氣孔、炸錫、錫珠等品質(zhì)問(wèn)題。

  回流焊區(qū)(Reflow zone)

  回流焊區(qū)是整段回流焊溫度最高的區(qū)域，通常也叫做「液態(tài)保持時(shí)間(TAL, time above liquids)」。此時(shí)焊料中的錫或鎳與焊墊上的銅由于擴(kuò)散作用而形成金屬間的化合物Cu5sn6或Ni3Sn4。以O(shè)SP的表面處理為例：當(dāng)錫膏融化后，會(huì)迅速潤(rùn)濕銅層，錫原子與銅原子在其介面上互相滲透，初期Sn-Cu合金的結(jié)構(gòu)為良好的Cu6Sn5，其厚度為1-3μ，為回流焊爐子內(nèi)的關(guān)鍵階段，因?yàn)檠b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(gè)階段達(dá)成的（裝配達(dá)到爐內(nèi)的最高溫度），時(shí)間如果過(guò)長(zhǎng)就會(huì)繼續(xù)生成Cu3Sn的不良IMC。ENIG表面處理的板子，初期則會(huì)生成Ni3Sn4的IMC，不會(huì)有Cu6Sn5。

  必須小心的是，不要超過(guò)板上任何溫度敏感元件的最高溫度和加熱速率。例如，一個(gè)典型符合無(wú)鉛制成的坦電容具有的最高溫度爲(wèi)260°C只能持續(xù)最多10秒鐘。理想狀況下應(yīng)該讓裝配上所有的焊點(diǎn)同時(shí)、同速率達(dá)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。

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

  冷卻區(qū)(Cooling zone)

  在回流焊區(qū)之后，產(chǎn)品冷卻，固化焊點(diǎn)，將為后面PCBA裝配的工序準(zhǔn)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(diǎn)。

  一般認(rèn)為冷卻區(qū)應(yīng)迅速降溫使焊料凝固。迅速冷卻也可以得到較細(xì)的合晶結(jié)構(gòu)，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度，使焊點(diǎn)光亮，表面連續(xù)并呈彎月面狀，但缺點(diǎn)就是較容易生成孔洞，因?yàn)橛行�氣體來(lái)不及逃逸。

  相反的，在熔點(diǎn)以上緩慢的冷卻則容易導(dǎo)致過(guò)量的介金屬化合物產(chǎn)生及較大合晶顆粒，降低抗疲勞強(qiáng)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(shí)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/min。過(guò)快的冷卻速率很可能會(huì)引起應(yīng)力影響而產(chǎn)生龜裂(Crack)。也可能引起焊墊與PCB或焊墊與焊點(diǎn)的剝離，這是由于零件、焊料、與焊點(diǎn)各擁有不同的熱膨脹系數(shù)及收縮率的結(jié)果。一般建議的降溫速度為2~5°C/s之間。

  圖片&文章來(lái)源：汽車電子硬件設(shè)計(jì)

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