回流焊接工藝及常見質量缺陷的改進方法

李恒

摘要：在SMT生產過程中，電路板50-60%的缺陷產生于回流焊接。回流焊傳輸速度的快慢、各溫區的溫度變化、印刷機印刷質量、貼片機貼裝的精準度等因素的影響，回流焊接時常會出現一些質量缺陷，然而焊接質量的好壞將直接電子產品的可靠性和質量，因此改進完善回流焊接工藝顯得尤為重要。

關鍵詞：回流焊;焊接質量;工藝改進;溫度曲線

0? 引言

回流焊又稱再流焊，主要是對貼片完后的錫膏印刷電路板進行回流焊接，其過程就是先將貼裝好的電路板放入回流焊機進行焊接，以回流加熱的方式將焊錫膏熔解，錫膏經過干燥、預熱、熔化、潤濕、冷卻，將貼片元器件與印制板的焊盤焊接到一起的一種新型焊接技術?；亓骱覆粌H工藝上有“自定位效應”和“再流動”的特點，而且回流焊的操作方法簡單、焊接質量優良、焊接效率高、節約成本、便于實現自動化生產?；亓骱腹に嚹壳耙呀洺蔀楸砻尜N裝元器件焊接的主要工藝方法。

1? 回流焊溫度曲線的設定

回流焊溫度曲線，是指PCB板上某一點通過回流焊機時，從進入回流焊機時的起始時間開始至通過回流焊機為止，該點的溫度隨著時間變化而發生變化的溫度曲線。通過回流焊溫度曲線可以很直觀的分析元器件在整個回流焊接過程中出現的各種問題，監控元器件在各個溫區里的溫度變化，以此保證焊接質量?；亓骱笝C的參數設置是否合理，關系著焊接質量的好壞。回流焊溫度曲線大體可以分為四個溫區，依次是升溫區、預熱區、回流區、冷卻區， 回流焊溫度曲線圖如圖1所示。

預熱區：從室溫升高至 120℃左右，升溫時間 60-80s，目的是對電路板上所有元器件進行預熱，以達到第二溫區的溫度。但是，在預熱過程中升溫速率應控制在適當的范圍內，若升溫速率太慢，錫膏中的水分不能盡快揮發，若升溫速率太快，則電路板預熱不夠充分;因此升溫區溫度上升速率一般設置為 1-2℃/s。

升溫區：從 120℃升高至 210℃，升溫時間 90-120s，目的是使電路板上大小不一的元器件的溫度趨于相同，為下一步回流焊接做準備。要使大大小小的元器件溫度趨于一致。首先，加熱時間應足夠的長，使所有元器件受熱均勻;其次，溫度不能高于錫膏熔點溫度，保證錫膏中的水分完全揮發。將升溫區的溫度控制在在 120-210℃之間，上升速率低于 2/s，使電路板中每個點的溫度趨于恒定，使電路板上所有元器件在進入回流焊接區之前溫度趨于一致。在這一區域若設置時間過長或者稍短，焊接完成后容易出現虛焊、錫珠、氣泡等現象，影響回流焊接質量。

回流焊接區：從 210℃升高至 245℃，回流時間30-40s，目的是使電路板焊盤上的錫膏受熱融合與元器件進行潤濕，完成回流焊接。在此區域需要考慮一個重要因素即助焊劑的作用，且助焊劑的助焊效率、粘度及的表面張力都與溫度有關。若回流焊接區溫度設置過高，會產生一系列問題，比如電路板承受不住過高的溫度被燒焦， 元器件失去功能等等，若回流焊接區溫度設置過低，則使助焊劑達不到助焊的效果，容易產生生焊、虛焊、橋接等現象。因此溫度的設置應從電路板、元器件和助焊劑三方面加以考慮，設置的合理溫度，且回流焊接區尖端曲線的峰值一般設置為225-245℃，達到最高溫度持續時間為10s，超過錫膏熔點溫度183℃的持續時間為在 20-25s之間。

冷卻區：從 245℃迅速降至 60℃，降溫時間 30-40s，目的是使電路板與焊料迅速冷卻，從而使焊點標準美觀、達到較高的機械強度。由于焊錫膏已經熔化并充分潤濕完成焊接，此時應已盡快冷卻，這樣將有助于形成光亮的焊點且焊點成型佳。若冷卻速率慢，將吸收空氣中過多的水分，從而使焊點灰暗，粗糙。因此，冷卻區降溫速率一般設置在 8℃/s，冷卻溫度低于 60℃。

在實際生產中，由于各種電路板的組裝密度、所能承受的最高溫度及熱特性不一定完全一樣。應根據元器件特性、焊錫膏的成分、回流焊機的型號等因素，合理設置回流焊溫度曲線，并經過反復測量，對比試驗數據和試生產來確定溫度曲線。

2? 回流焊接常見質量缺陷及改進方法

在生產過程中，由于回流焊傳輸速度的快慢、各溫區的溫度變化、印刷機印刷質量、貼片機貼裝的精準度等因素，回流焊接經常會出現一些缺陷，常見的回流焊缺陷有錫珠、錫橋、立碑等現象。

2.1 錫珠

錫珠類似于焊球，只是體積小很多，錫珠一般是在焊接前錫膏因為各種原因而超出焊盤外，而焊接后獨立出現在焊盤與引腳外面，未能與錫膏融合，從而形成錫珠，錫珠經常出現在元器件兩側或細間距引腳之間，容易造成電路板短路[1]，錫珠質量缺陷示意圖如圖2所示。

2.1.1 錫珠形成的原因

①回流焊機升溫區溫度設置不當，若預熱時間短不充分，助焊劑活性較低 不能去除焊盤和焊料顆粒表面的氧化膜，容易產生錫珠[2];若預熱溫度升溫過快，錫膏中水汽和溶劑氣化膨脹也容易產生錫珠。②鋼網開口尺寸腐蝕精度達不到要求，容易造成鋼網開口尺寸有毛刺，印刷后錫膏成型不佳，有毛刺或缺口;鋼網太厚或者印刷壓力過大，容易造成焊錫膏堆積太厚，從而影響錫膏印刷質量，當經過回流焊接時，這些毛刺或過多的錫膏就容易凝結成錫珠。③印刷電路板清潔不干凈，殘留有焊錫膏，經過回流焊高溫后，由于殘留的焊錫膏分布在焊盤周圍，靠近焊盤和元器件焊端的錫膏被拉回焊接位置形成焊點，而遠離焊盤和元器件焊端的錫膏逐漸向元器件中間收縮，在元器件的周圍或者側面產生錫珠。

2.1.2 錫珠的工藝改進方法

根據以上原因分析，制定如下工藝改進方法：①將預熱區預熱溫度控制在120-150℃，溫度上升速度為1-4℃/s，時間保持90s左右，其次合理優化回流焊接曲線，隨著溫度的不斷升高，錫膏的潤濕性明顯改善，減少了錫珠的產生，但回流焊溫度過高，容易損傷元器件、電路板和焊盤，因此選擇合適的焊接溫度，回流溫度控制在220-245℃之間。②重新優化焊盤圖案的形狀和中心距離，選擇合適的鋼網材料和鋼網工藝，調整印刷機的印刷參數，合理設置印刷壓力，從而改善錫膏印刷質量，能有效降低錫珠的形成。③二次印刷的電路板，需用酒精清洗干凈，并用氣槍吹掃，去除電路板上殘留的焊錫膏，同時嚴格遵照生產工藝要求進行生產，規范操作流程。

2.2 錫橋

錫橋是指兩個或者多個焊點出現搭橋或連錫現象，使得電路出現短路，對電路板的功能造成嚴重影響，有時會因為短路二而燒壞電路板或儀器。一般鋼網的開孔尺寸偏大、印刷時連錫、焊料過多，焊錫膏在熔化時，多余的焊料不能拉回到焊盤位置，在相鄰引腳之間形成錫橋，其錫橋示意圖如圖3所示。

2.2.1 錫橋形成的原因

①選取焊錫膏時，焊錫規格或者質量有問題，是錫膏流動性變差，錫膏印刷時，造成焊盤連錫，經過回流焊接后，形成錫橋。②鋼網的開孔尺寸偏大、鋼網模板尺寸偏厚和印刷壓力過大，印刷時易造成錫膏過量或者錫膏成型坍塌，回流焊接后，由于過多的錫膏熔化、流程，溢出焊盤之外，引腳間距較小或者焊點密集處，容易形成錫橋。③回流焊接時，升溫區溫度上升速度較快、時間較長，焊錫膏內部的助焊劑就會快速揮發出來，便會出現細間距引腳潤濕不良，臨界焊膏量減少，容易引起橋接現象。

2.2.2 錫橋的工藝改進方法

根據以上原因分析，制定如下工藝改進方法：①根據不同的電路板和焊接要求，選取合適的焊錫膏，規范焊錫膏的使用和存儲要求，錫膏的存儲溫度（冷藏）：5-10°C，錫膏開封后，原則上應在48小時內使用完，錫膏置于鋼網上超過30分鐘未使用時，應重新用攪拌刀攪拌后再使用。②選擇合適的鋼網開孔尺寸和鋼網模板尺寸厚度。其次，印刷壓力過小，印刷不干凈，印刷壓力過大，又容易造成錫膏坍塌，因此需合理設置印刷機的印刷壓力。③合理設置回流焊升溫區溫度，將升溫區溫度控制在 120℃至 210℃之間，上升速率低于 2℃/s，升溫時間 90-120s，保證錫膏在焊接溫度區域的流動性和潤濕性，減少細間距器件中的錫橋的產生。

2.3 立碑

此種缺陷經常發生在貼片元器件上，立碑一般是在元器件急速加熱時發生的，如果元器件兩端點溫度不平衡，存在溫差，或者放入加熱時一端先受熱，這樣的話，焊盤一端的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤，而另一端的焊料未完全熔融而引起濕潤不良，這樣就容易形成了元器件的翹立[3]，此種現象稱為立碑。因此，在焊接是時要注意放入的方法、時間和溫度，讓加熱形成均衡的溫度分布，避免立碑的產生，立碑示意圖如圖4所示。

2.3.1 立碑形成的原因

①貼片機貼裝精度不夠，貼裝時元器件產生了偏移且大于允許值的15%，在回流焊接時由于錫膏熔化而造成表面的拉力不一樣，拉力較大的一端拉著元器件沿其底部旋轉，容易產生立碑現象。②回流焊機風速設置過大，回流焊機內的高溫是通過熱風形式產生的，當錫膏熔化后，由于風速過大，把質量輕、體積小的元器件吹動移位，形成了元器件的翹立，而產生立碑現象。③焊盤尺寸設計不合理，阻容元器件焊盤不對稱，引起印刷的錫膏量不一致，焊盤較小的一端對溫度響應快，其焊膏易熔化，在表面張力的作用下[1]，將元器件拉直豎起，焊盤較大的一端則相反，因而產生立碑現象。④回流焊回流區溫度設置不合理，當回流溫度設置較低、回流時間短時，錫膏熔化不充分，元器件兩端不能同時完全的熔化，因此產生立碑現象。

2.3.2 立碑的工藝改進方法

根據以上原因分析，制定如下立碑工藝改進方法：①調整貼片機的貼裝精度，減少元器件的貼裝偏移量，避免產生較大的貼裝偏差，對于少數元器件貼裝精度超過允許值的15%的元器件，需人工矯正后，再過進行焊接，大面積元器件貼裝精度超過允許值的15%的元器件，需洗板后重新貼裝。②減小回流焊機的風速和傳送帶的速度。③重新設計焊盤的尺寸，確保焊盤圖形的形狀與尺寸符合設計要求。④合理設置回流焊回流區溫度，將升溫區溫度控制在210℃至245℃之間，回流時間30-40s，目的是使電路板焊盤上的錫膏受熱熔化與元器件進行完全潤濕，使元器件每個焊盤的表面張力平衡，減少立碑現象的產生。

3? 結束語

隨著表面組裝密度的提高和表面貼裝技術（SMT）快速發展，電子產品也不斷趨向小型化、集成化，表面貼裝元器件的焊接質量和焊接工藝，越來越引起人們的重視。本文闡述了回流焊溫度曲線對焊接質量的影響，列舉了幾種常見焊接質量缺陷的形成原因和改進方法。但是回流焊接工藝是一項系統的研究，每一種焊接質量缺陷，其產生的原因有很多，任何一個材料特性的改變或工藝參數設置不當，都有可能造成潛在的焊接質量缺陷。因此在實際生產中，需要具體問題、具體分析，不斷改進完善回流焊接工藝，從而提高回流焊接質量，保證產品的合格率，提高電子產品的可靠性和產品質量。

參考文獻：

[1]史建衛.回流焊工藝中常見缺陷及其防止措施[J].電子工藝技術，2011，32：1.

[2]王金芝.再流焊常見缺陷的成因及解決辦法[J].電子工藝技術，2003，24：3.

[3]朱桂兵.基于回流焊溫度曲線優化預防缺陷的研究[J].金屬鑄鍛焊技術，2011，10.