BTU回流炉热风回流焊接的原理

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BTU回流炉热风回流焊接的原理

2.1 回流焊接的过程
    回流焊的基本原理比较简单，它首先对PCB板的表面贴装元件（SMD）焊盘印刷锡膏，然后通过自动贴片机把SMD贴放到预先印制好锡膏的焊盘上。最后，通过回流焊接炉，在回流焊炉中逐渐加热，把锡膏融化，称为回流（Reflow），接着，把 PCB板冷却，焊锡凝固，把元件和焊盘牢固地焊接到一起（见图9）。在回流焊中，焊盘和元件管脚都不融化。这是回流焊（Reflow Soldering）与金属融焊（Welding）的不同。
* q0 X2 S; i( ~3 C5 q* G" j

, E4 }8 e4 H6 e' d- W& |* q: D
    深入的了解回流焊就必须从焊锡膏的作用原理和焊接过程中发生的物理化学变化入手。锡膏的成分主要锡铅合金的粉末和助焊剂混合而成。在受热的条件下，融化的焊锡材料中的锡原子和焊盘或焊接元件（主要成分是铜原子）的接触界面原子相互扩散，形成金属间化合物（IMC），首先形成的Cu6Sn5，称n-phase，它是形成焊接力的关键连接层， 只有形成了 n-phase，才表示有真正的可靠焊接。随着时间的推移，在n-phase和铜层之间中会继续生成Cu3Sn，称为∈-phase，它将减弱焊接力量和减低长期可靠性。在焊点剖面的金相图中，可以清楚地看到这个结构。 （见图10）

8 U8 H  G8 j1 {图10 电子扫描显微镜（SEM）显示的Cu-Sn IMC

    金属间化合物是焊点强度的关键因素，因此许多人员专门研究金属间化合物的变化对焊点的长期可靠性带来的影响 [4][10]。
    为了保护焊盘或元件管脚的可焊性，一般它们表面都镀有锡铅合金层或有机保护层。对非铜的金属材料的管脚一般在管脚镀层和金属之间加有镀镍层作为阻断层防止金属扩散。这个镍镀层还用来阻挡与焊锡不可焊或不相容的金属与焊锡层的接触 [5]。另一个有关镀层的问题是关于镀金层的问题，有文章[5]指出如果焊点中金的成分达到3~4%以上，焊点有潜在的脆性增大的危险。

2.2 回流焊温度曲线
    要得到好的回流焊接效果必须有一个好的回流温度曲线（Profile）。那么什么是一个好的回流曲线呢？一个好的回流曲线应该是对所要焊接的PCB板上的各种表面贴装元件都能够达到良好的焊接，且焊点不仅具有良好的外观品质而且有良好的内在品质的温度曲线。
5 s1 ^& D1 I# g9 w5 P2.2.1 回流炉的参数设定
    要得到一个炉温曲线首先应给回流炉一个参数设定。回流炉的参数设定一般称为Recipe。Recipe一般包括炉子每区的温度设定，传送带带速设定，以及是使用空气还是氮气。下表是BTU炉的一个Recipe的设定。
9 v3 w) p' f& N3 @温度设定：（单位：℃）

* y. e3 W8 _, N3 W8 ]  ^

1T	2T	3T	4T	5T	6T	7T
190	170	150	150	175	235	255
1B	2B	3B	4B	5B	6B	7B
190	170	150	150	175	235	255

带速设定：（单位：cm/分）
# v3 A% x: r+ B

传送带带速

75

气体设定：
. H  _8 d7 G$ E: e0 q" x9 F; X
% U8 [* D, j& r+ ^: b2 S) n

氮气	Off
空气	On

    表中1T~7T，1B~7B分别表示回流炉上下温区的温度设定，传送带带速为75 cm/分，焊接环境使用空气，不使用氮气。
    设定一个回流曲线要考虑的因素有很多，一般包括： 所使用的锡膏特性，PCB板的特性，回流炉的特点等。下面分别讨论。

2.2.2 锡膏特性与回流曲线的重要关系
  [2 p" H* d0 U. A9 t8 v    锡膏特性决定回流曲线的基本特性。不同的锡膏由于助焊剂（Flux）有不同的化学组分，因此它的化学变化有不同的温度要求，对回流温度曲线也有不同的要求。一般锡膏供应商都能提供一个参考回流曲线，用户可在此基础上根据自己的产品特性优化。 图11是一个典型的Sn63/Pb37锡膏的温度回流曲线[6]（P3-7）。 以此图为例，来分析回流焊曲线。它可分为4个主要阶段：
1）把PCB板加热到150℃左右，上升斜率为1-3 ℃/秒。 称预热（Preheat）阶段；
2）把整个板子慢慢加热到183 ℃。称均热（Soak或Equilibrium）阶段。时间一般为60-90秒。
3）把板子加热到融化区（183 ℃以上），使锡膏融化。称回流（Reflow Spike）阶段。在回流阶段板子达到最高温度，一般是215 ℃ +/-10 ℃。回流时间以45-60秒为宜，最大不超过90秒。
: \. F6 ?" h$ r3 v& o- H# B4）曲线由最高温度点下降的过程。称冷却（Cooling）阶段。一般要求冷却的斜率为2 -4℃/秒。

图11 典型的回流焊接温度曲

8 i: j* e8 o  C) V* E* |1 M    预热阶段的目的是把锡膏中较低熔点的溶剂挥发走。锡膏中助焊剂的主要成分包括松香，活性剂，黏度改善剂，和溶剂。溶剂的作用主要作为松香的载体和保证锡膏的储藏时间。预热阶段需把过多的溶剂挥发掉，但是一定要控制升温斜率，太高的升温速度会造成元件的热应力冲击，损伤元件或减低元件性能和寿命，后者带来的危害更大，因为产品已流到了客户手里。另一个原因是太高的升温速度会造成锡膏的塌陷，引起短路的危险，尤其对助焊剂含量较高（达10%）的锡膏[5]。
; k( @8 i; m& r  o3 r: T    均热阶段的设定主要应参考焊锡膏供应商的建议和PCB板热容的大小。因为均热 阶段有两个作用，一个是使整个PCB板都能达到均匀的温度（175℃左右），均热的目的是为了减少进入回流区的热应力冲击，以及其它焊接缺陷如元件翘起，某些大体积元件冷焊等。均热阶段另一个重要作用就是焊锡膏中的助焊剂开始发生活性反应，增大焊件表面润湿性能（及表面能），使得融化的焊锡能够很好地润湿焊件表面。由于均热段的重要性，因此均热时间和温度必须很好地控制，既要保证助焊剂能很好地清洁焊面，又要保证助焊剂到达回流之前没有完全消耗掉。助焊剂要保留到回流焊阶段是必需的，它能促进焊锡润湿过程和防止焊接表面的再氧化。尤其是目前使用低残留，免清洗（no-clean）的焊锡膏技术越来越多的情况下，焊膏的活性不是很强，且回流焊接的也多为空气回流焊，更应注意不能在均热阶段把助焊剂消耗光。
    回流阶段，温度继续升高越过回流线（183℃），锡膏融化并发生润湿反应，开始生成金属间化合物层。到达最高温度（215 ℃左右），然后开始降温，落到回流线以下，焊锡凝固。回流区同样应考虑温度的上升和下降斜率不能使元件受到热冲击。回流区的最高温度是由PCB板上的温度敏感元件的耐温能力决定的。在回流区的时间应该在保证元件完成良好焊接的前提下越短越好，一般为30-60秒最好，过长的回流时间和较高温度，如回流时间大于90秒，最高温度大于230度，会造成金属间化合物层增厚，影响焊点的长期可靠性[4]。
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: b) N' J0 y! H" h+ [) h3 l    冷却阶段的重要性往往被忽视。好的冷却过程对焊接的最后结果也起着关键作用。好的焊点应该是光亮的，平滑的。而如果冷却效果不好，会产生很多问题诸如元件翘起，焊点发暗，焊点表面不光滑，以及会造成金属间化合物层增厚等问题。因此回流焊接必须提供良好的冷却曲线，既不能过慢造成冷却不良，又不能太快，造成元件的热冲击。

" T  y& |8 a  b# l5 b3 J2.2.3 PCB板的特性与回流曲线的关系

    回流曲线的设定，与要焊接的PCB板的特性也有重要关系。板子的厚薄，元件的大小，元件周围有无大的吸热部件，如金属屏蔽材料，大面积的地线焊盘等，都对板子的温度变化有影响。因此笼统地说一个回流曲线的好坏是无意义的。一个回流曲线必须是针对某一个或某一类产品而测量得到的。因此如何准确测量回流曲线，来反映真实的回流焊接过程是非常重要的。常用的测量回流焊曲线的方法有三种：

7 E: m" f$ N$ ^& M0 @' ^" r- x1）用回流炉本身配备的长热偶线（一般常用的工业标准是K型热偶线），热偶线的一端焊接到PCB板上，另一端插到设备的预设热偶插口上。把板放进炉内，当板子从炉另一端出来时，用热偶线把板子从出口端拉回来。在测量的同时温度曲线就可显示到设备的显示器上。一般回流炉 都带有多个K型热偶插口，因此可连接多根热偶线，同时测量PCB板几个点的温度曲线。

% F9 E% N: q. Q, S: @/ k8 ~2）用一个小的温度跟踪记录器。它能够跟随待测PCB板进入回流炉。记录器上也有多个热偶插口，可因此可连接多根热偶线。记录器里存放的温度数据，只有在出炉后，才可输到电脑里分析或从打印机中输出。
  
. B; I4 x5 e# E1 o9 |) L3）带无线数据传输的温度跟踪记录器。与第2种方法相同，只是多了一个无线传输功能。当它在炉内测温时，在存储温度数据的同时把数据用无线方式传到外面的接受器上，接受器与电脑相连。

8 t" h0 z# N) s5 Y1 E    三种方法本质都是一样的，用户可根据习惯来选择采用那种方法。热偶线的安装有一般两种，一是高温焊锡丝，温度在300℃以上（高于回流最高温度）。 另一种方法是用胶或是高温胶带把它粘住。这样热偶线就不会在回流区脱落。焊点的位置一般为选取元件的焊脚和焊盘接触的地方。焊点不能太大，

    以焊牢为准。焊点大，温度反应迟后，不能准确反映温度变化，尤其是对QFP等细间距焊脚。对特殊的器件如BGA还需要在PCB板下钻孔，把热偶线穿到BGA下面。图12说明了QFP和BGA元件的热偶线焊接方法。热偶线的安装位置一般根据PCB板的工艺特点来选取，如双面板应在板上下都安装热偶线，大的IC芯片脚要安装，BGA元件要安装，某些易造成冷焊的元件（如金属屏蔽罩周围，散热器周围元件）一定要放置。还有就是你认为要研究的焊接出了问题的元件。
  
2.2.4 回流炉设备的特点与回流曲线的关系
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    因为回流曲线的实现是在回流炉中完成的，因此它与回流炉的具体特点有关。不同的炉因加热区的数目和长短不同，气流的大小不同，炉温的容量不同，对回流曲线都会造成影响。设备对回流曲线的影响可归纳为下面几点：
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8 e0 v( o+ c1 q2 t+ P1）加热区数目的因素。
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0 ?8 |% j  Z2 n8 Y    对加热区多的回流炉（8个加热区），由于每一个炉区都能单独设定炉温，因此调整回流温度曲线比较容易。对要求较复杂的回流曲线同样可以做到。但短炉子（4个加热区），因为它只有四个可调温区，要想得到复杂的曲线比较难，但对于没有特别要求的SMT焊接，短炉子也能满足要求，而且价钱便宜。另一个方面，长炉子的优点是传送带的带速可以比短炉子提高至少1倍以上，这样长炉的产量至少能达到短炉的1倍以上。当大批量生产线追求产能时，这一点是至关重要的。
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+ x+ D0 v0 v; l$ g, B; V9 L5 }% z2）热风气流的因素。
    由于目前大多数回流炉以风扇强制驱动热风循环为主，因此风扇的转速决定了风量的大小。在相同的带速和相同的温度设定下，风扇的转速越高，回流曲线的温度越高。当风扇马达出现故障时，如停转，即使炉温显示正常，炉温的曲线测量也会比正常曲线低很多，若故障马达在回流区，则PCB板极易产生冷焊，若故障马达在冷却区，则PCB板的冷却效果就下降。因此对马达转速是可编程调节的回流焊接炉，如VITRONICS，风扇的转速也是需要经常检查的参数之一。
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3）炉温的容量的因素。
    回流焊接有时会出现这样的现象，当焊接一块小尺寸的PCB板时，焊接结果非常好，而焊接一块大尺寸的PCB板时，某些温区炉温会出现稍微下降的现象。这就是由于大板子吸热较多，炉子的热容量不足引起的。一般可以通过加大风扇转速来调节。但是炉温的容量主要是由炉体结构，加热器功率等设计因素决定的，因此是炉子厂家设计时已经固定了的。用户在选择回流炉时必须考虑这个因素。热容量越大越好，当然炉子消耗的功率也越多。

% c2 R8 l4 z! t9 A8 o2.3 氮气回流焊与空气回流焊
    氮气回流焊的使用主要是为了增强焊接质量，使焊接发生在氧含量极少（100PPM）以下的环境下，可避免元件的氧化问题。因此氮气回流焊的主要问题是保证氧气含量越低越好。氧含量的控制对用户来讲主要是保证氮气气源的纯度，一般工业用氮气纯度可达5PPM，炉内氧含量主要跟炉子的密封设计的好坏有关。炉体由于两边的进出板口会漏空气进入，因此两边的氧含量会比炉体中间区高。许多文章都专门讨论过对氧含量对焊接的影响。
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+ d! `: @/ h$ K1 }& Z    但随着焊锡膏技术和元件焊脚镀层技术的不断更新，空气中回流的焊接已经占据了主流。因为空气焊接有许多优点例如取消氮气，降低成本；气体控制无需再考虑氧含量的控制；炉子的造价下降。因此目前多数的回流焊接都在使用空气回流焊，只有个别的特别怕氧化的元件才考虑用氮气焊接。  
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BTU回流炉热风回流焊接的原理。

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