PCB回流焊溫度曲線的設定及優化

孫小勇

摘 要：本文介紹了回流焊各溫區溫度曲線，詳細介紹了實際溫度曲線的設置和優化處理，為回流焊參數設置提供了理論依據，從而避免了焊接過程中缺陷的發生，保證了焊接質量，提高產品的合格率。

關鍵詞：回流焊 回流爐 溫度曲線 SMT 熱電偶

1 引言

最近幾年，SMT生產技術已發生了巨大的變化，回流焊機作為SMT中一個關鍵設備，它的正確使用無疑能夠進一步確保產品的焊接質量。雖然PCB的回流焊接工藝被認為是一種非常成熟的技術，但是隨著產品變的越來越復雜，元件尺寸從01005到50X50都有，且分布在組裝密度非常高的雙面PCB上，從而新的挑戰也不斷出現。實踐證明，優化合格的回流焊溫度曲線可大大減少焊接缺陷，提高產品的直通率。不合格的回流焊溫度曲線會產生不可接受的焊點、失效的元件和整體更低的可靠性。所以探討回流焊溫度曲線設置和優化非常有必要的。本文將描述回流焊溫度曲線設置和優化的一些方法和技巧。

2 回流焊溫度曲線各個區段介紹

通常把這個曲線分成四個區域，就得到了PCB在通過回流焊爐時某一個區域所經歷的時間。在這里斜率表示PCB受熱后升溫的速率，它是溫度曲線中重要的工藝參數。圖1中四個區段，分別為定義為升溫區，預熱恒溫區，焊接區，冷卻區。

2.1升溫區

PCB進入回流焊鏈條，從室溫開始受熱到l50℃的區域叫做升溫區。升溫區的時間設置在60-90S，斜率控制在 1-3℃/S之間。

2.2預熱恒溫區

預熱恒溫區PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃，時間窗口在 60S-120S之間。PCB板上各個部分緩緩受到熱風加熱，溫度隨時間緩慢上升，斜率在0.3-0.8℃/S之間。

2.3焊接區

回流區的溫度最高，SMA進入該區后迅速升溫，并超出錫膏熔點約30-40℃，即板面溫度瞬時達到210-230℃ （此溫度又稱之為峰值溫度），時間約為20-30S。

2.4冷卻區

焊點溫度從液相線開始向下降低的區段稱為冷卻區。這一區域錫膏中的鉛粉已經熔化并充分潤濕了被焊接的表面，快速冷卻會得到明亮的焊點并有良好的外形及低的接觸角。冷卻速率一般為3-10℃/S。

3 回流焊溫度曲線測試

3.1熱電偶使用說明

熱電偶是溫度控制和達到工藝路線的必備工具，分為溫區熱偶和曲線測試熱偶，溫區熱偶位于不銹鋼熱風加熱室，固定不動，曲線熱偶一般要求與PCB表面連接，否則會導致熱電偶的測量值偏離PCB表面度，從而測試出不適合的溫度曲線。另外熱電偶的靈敏度應是較大的，需要熱容小、尺寸細小的熱偶，否則將直接影響熱電偶測量值的真實性。

3.2曲線測試

回流溫度曲線的測試，一般采用能隨電路板一同進入爐內的爐溫測試儀進行測試，測試后將數據通過輸出接口輸入計算機，通過專用測試軟件進行曲線數據分析處理，然后打印出溫度曲線。測試注意事項： ①測試點一般至少選取三點，能反映電路板組件上高、中、低溫部位的溫度變化。②回流爐開啟后至少運行30分鐘方可進行溫度曲線的測試和生產。③由于各個測試點的溫度曲線會存在差異，所以要依據預熱的溫度時間、回流峰值溫度、回流時間以及升降溫速率等綜合因素考慮對設備的調整。④在設備變更、產品變更時，要重新進行溫度曲線的測試。

3 回流溫度曲線的設定分析

溫度曲線是施加于電路板上的溫度對時間的函數，幾個參數影響曲線的形狀 ，其中最關鍵的是傳送帶速度和每個區的溫度設定。帶速決定基板暴露在每個區所設定的溫度下的持續時間，增加持續時間可以允許更多時間使基板接近該區的溫度設定。

決定每個區的溫度設定 ，必須要了解實際的區間溫度不一定就是該區的顯示溫度。顯示溫度只是該區內熱敏電阻的溫度 ，如果熱電偶越靠近熱源 ，顯示的溫度將比區間溫度高 ，熱電偶越靠近電路板的直接通道，顯示的溫度將越能反映區間溫度。實際操作中要了解清楚顯示溫度與實際區間溫度的關系。錫膏特性參數表也是必要的 ，其包含的信息對溫度曲線至關重要。如：所希望的溫度曲線持續時間、 錫膏活性溫度、合金熔點和所希望的回流最高溫度。大多數錫膏都能用四個溫區成功回流。當最后的曲線圖盡可能與所希望的圖形相吻合時，應該把爐的參數記錄并儲存以備后用。

4 回流焊溫度曲線各個區段優化分析

4.1升溫區溫度與時間關系分析優化

該區的目標是在達到兩個特定目的的同時。 把板子從室溫盡快地加熱和提升。但快速加熱不能快到造成板子或零件的損壞，也不應引起助焊劑溶劑的爆失。對大多數的助焊劑來說，這些溶劑不會迅速地揮發，因為它們必須有足夠高的沸點來防止這焊膏在印刷過程中變干。

通常電路板和元器件的加熱速率為1-3℃/s連續上升 ， 如果過快，會產生熱沖擊，電路板和元器件都可能受損，如陶瓷電容的細微裂紋。而溫度上升太慢 ，錫膏會感溫過度，溶劑揮發不充分，影響焊接質量。通常零件制造商會推薦加熱速率的極限值。一般都規定一個最大的值 4℃/s以防止熱應力造成的零件損壞。更普遍的加熱速率一般是1-3℃/s 。

4.2預熱恒溫區溫度與時間分析優化

預熱恒溫區最主要的目的是保證電路板上的全部元件在進入焊接區之前達到相同的溫度，電路板上的元件吸熱能力通常有很大差別，有時需延長保溫周期，但是太長的保溫周期可能導致助焊劑的喪失，導致在焊接區器件與焊料無法充分的結合與潤濕，減弱焊膏的上錫能力 ，太快的溫度上升速率會導致溶劑的快速氣化，可能引起吹孔、錫珠等缺陷。而過短的保溫周期又無法使活性劑充分發揮功效 ，也可能造成整個電路板預熱溫度的不平衡，從而導致不沾錫、焊后斷開、焊點空洞等缺陷 ，所以應根據電路板的設計情況及回流爐的對流加熱能力來決定保溫周期的長短及溫度值。一般保溫區的溫度在150-200℃ 之間，上升的速率低于2℃/s，這個區的加熱時間一般占整個溫度曲線時間的 30%～50%。

4.3焊接區溫度與時間分析優化

焊接區是把電路板帶入鉛錫粉末熔點之上，讓鉛錫粉末微粒結合成一個錫球并使被焊金屬表面充分潤濕。結合和潤濕是在助焊劑幫助下進行的，溫度越高助焊劑效率越高，粘度及表面張力則隨溫度的升高而下降 ，這促使焊錫更快地濕潤。但過高的溫度可能使電路板承受熱損傷，并可能引起鉛錫粉末再氧化加速、焊膏殘留物燒焦、電路板變色、元件失去功能等問題的產生。而過低的溫度會使助焊劑效率低下，可能使鉛錫粉末處于非焊接狀態而增加生焊、虛焊發生的機率，因此應通過反復實驗找到理想的峰值與時間的最佳結合。在焊接區曲線的峰值一般為210-230℃，超過鉛錫合金熔點溫度179℃的持續時間應維持在20-30s之間。這個區的加熱速率一般為1.2-3.5℃/s，加熱時間一般占整個溫度曲線時間的 30%～50%。

4.4冷卻區溫度與時間分析優化

冷卻區焊膏中的鉛錫粉末已經熔化并充分潤濕了被焊接表面，快速度地冷卻會得到明亮的焊點并有好的外形及低的接觸角度。緩慢冷卻會使板材溶于焊錫中而生成灰暗和毛糙的焊點，并可能引起沾錫不良以及減弱焊點結合力的問題。冷卻區降溫速率一般為3～10℃/ s，冷卻至 75℃即可 ，此區冷卻時間占整個溫度曲線時間的15%左右。

5結論

隨著電子產業的飛速發展，高集成度、 高可靠性已經成為電子行業的主流技術。在這種趨勢的推動下，SMT也得到了進一步的推廣和發展。很多電子產品在生產和研發中已經大量的應用了SMT工藝和表面貼裝元器件，因此焊接過程也就無法避免地大量使用回流焊機。根據回流焊原理，設置及優化好合理的溫度曲線是保證焊接質量的重要環節之一。通過對溫度曲線的建立，可以為回流爐參數的設置提供準確的理論依據，不合理的溫度曲線會出現虛焊、立碑、錫球多等焊接缺陷 ，直接影響到產品的質量。

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