利用斜升式温度曲线缩短回流焊时间

我们熟悉的回流焊温度曲线包括预热、浸润、回焊和冷却四个部分，工艺工程师们对此早已耳熟能详并深信不疑，但这些过程是不是都一定是必需的呢？本文作者在此提出一种新思路，采用斜升式温度曲线取消浸润区，不仅能保持焊点的质量，还能显著缩短回流焊时间。

Phil Zarrow

总裁

ITM Consulting

设定温度曲线就是确定PCB组件在回流焊过程中所必须经历的一个温度-时间关系，这种关系由焊膏特性决定，如焊料合金成分、锡粉颗粒尺寸、金属含量以及焊膏中的化学成分等。对具体装配组件而言，为达到所要求的温度曲线，回流焊炉各温区温度和传送速度的设定还必须考虑产品的大小、表面形状复杂性及基板的热传导性能，同时也要考虑炉子能否提供足够的热能。炉子的热传递效率及操作者经验则只会影响到达温度曲线前反复实验的次数。

针对某种使用的焊膏其温度-时间关系通常都由制造商提供，一般在产品资料上可以找到。毕竟焊膏是制造商的配方，他们知道什么样的温度曲线才能使之充分回焊。

装配组件能承受的最高温度是它上面所有零件或材料耐温值的最低值，将这个温度减去5℃可作为产品的最易受损温度T2(MVC)，回焊时温度不能超过该值。组件上温度的最大梯度为MVC减去合金熔化的液态温度T1，该温度也是理想的润湿、回流焊或完全液化温度，它一般比合金熔点高20到25℃。

既然回流焊的最高温度范围已经确定，那么也就能够定出产品允许的最大温度梯度(T2-T1)。能否让温度曲线处在这个范围之内取决于产品的大小、表面形状复杂性、基板成分及所用炉子的热传递效率。理想的状态是希望温度梯度尽量小，同时峰值温度尽可能接近T1，以缩短液态保持时间和产品在高温中的停留时间。

按传统做法，回流焊温度曲线的设定就是要让液态保持时间最短，并与焊膏制造商要求的温度-时间关系相符。液态保持时间太长会导致焊点内部合金过度生长，对焊点的长期可靠性造成影响，并使基板和元件性能下降。对于温升速率，很多业内人士采用每隔20秒取一点的方式进行量测，温升应在每秒4℃或更低。一个比较好的做法是使冷却速率和加热速率一样或更低，以免对元件造成热冲击，也即爬升的速度与下降的一样。

常见回流焊温度曲线如图1。前面100℃左右的加热区是人们常说的预热区，接下来板子进入回焊前的浸润区，温度基本保持不变(对Sn63/Pb37焊膏而言约为150～170℃)，最后，组件进入温度高于熔点的回焊区，到达峰值温度然后离开炉子加热区域。通过峰值温度以后，板子进入到冷却区。

十多年以前当我还是一家回流焊炉制造厂的产品经理时，我认识了泰瑞达的工艺工程师Rob Rowland，他对温度曲线中大多数人认为理所当然的浸润区提出了质疑，浸润区对获得良好焊点真的是不可缺少吗？回焊前的浸润区从热机械角度来看有其重要性，它可使板子上温度较低的部分能够赶上温度较高的部分达到温度均衡，并降低板子的温度梯度。

自从红外线回流焊出现后，它就成为回流焊工艺的主流，在对PCB组装件加热时，红外炉和对流/红外炉与汽相式传导焊接相比在传热能力上不是很够。因此焊膏制造商在设计焊膏的配方时要适应这个停留时间，最初是用中等活性树脂(RMA)。

不过那时，我们正处于回流焊技术大变革的前夕，热风对流(强制对流)炉已开始出现，这种炉主要采用对流传热，比它们的前代产品热传递效率要高得多。所以我们都认为，除非组装件非常非常大，需要浸润区来得到希望的温度梯度，否则为何一定要用这样的曲线模式？为何不直接从预热区直接爬升到回焊区？如图2所示的温度曲线那样？

如今各厂家已全面使用强制对流炉，再使用“升温-浸润-回焊”温度曲线就显得有点本末倒置。很多人相信焊膏中的助焊剂配比要求有一个浸润区，但实际上它只是为了适应旧的那种几乎不再应用的对流/红外炉。拿起任何一本有关表面贴装制造的所谓权威性书籍，甚至包括最近的版本，他们仍不假思索地将“旧标准”的升温-浸润-回焊曲线画在里面，因此谬误一直在延续。

最近对一个回流焊数据记录仪制造商进行了一项研究，所要求的温度曲线都是为北美和欧洲主要供应商提供的焊膏而设计的。正如预料的那样，市面上大多数RMA、免清洗和水溶性配方焊膏都能用斜升曲线达到焊接性能。实际上很多有机活性(OA)水溶性配方焊膏还希望浸润时间尽可能短，它们的溶剂大部分是异丙醇，所以溶剂能够很快地蒸发掉。几年以前用过一种流行的OA配方焊膏，在对流/红外炉中采用有浸润区的温度曲线效果非常好，但是完全一样的温度曲线使用在强制对流回焊炉时却产生了大量的不熔和焊球。改用斜升式温度曲线后，不仅使客户得到极好的焊接效果，还节省了一分钟的回流焊工艺时间。

你是否也应该试着在你的产品上使用斜升式温度曲线呢？应该先同焊膏制造商确认一下，如果能兼容，则不妨一试。一些非常大或非常复杂的PCB装配产品仍然需要浸润区，但是对大多数其它产品和大多数炉子而言，都可以从斜升式温度曲线中获益。因此在对任何焊膏进行评估时，不管它是免清洗型还是水溶性，都应该把能否适用斜升式温度曲线作为评估的一部分。

对于希望提高产量来说，斜升式温度曲线可以使回流焊时间减少一到两分钟，也就是说减少百分之二十的回焊时间。而令人感到神奇的是缩短这些时间不需要任何代价，使用现有的机器而无须做任何改装。另外其好处还远胜过速度的提高，因为它同时缩短了玻璃环氧基板在玻璃转换温度之上停留的时间，可防止PCB基板性能下降并降低翘曲的可能性，而且你还会发现焊点良率也在提高。

[Circuits Assembly]