无铅回焊

图3. 无铅锡膏中之锡粉(Powder指微小球体)约占重量比88-90%，必须正圆正球形才能方便印刷中的滑动。由于硬度较软容易被压伤，故搅拌时要小心。左二图即为无铅锡粉之放大图。右图为锡膏中大小锡粉搭配成型的印著画面。
现行无铅锡膏以日系SAC305为主（欧系SAC3807，或美系SAC405等次之），日系尚另有SZB83，及SCN等。至于AIM公司的著名锡膏castIN（Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb）之四元合金在亚太地区则很少见到先插脚之波焊改成锡膏入孔回焊时，最首要关切的重点是零件本体，是否能够耐得住无铅Reflow强大热量的考验而不致受伤。须知波焊时底面零件脚虽受到270℃约4秒钟的强热煎熬，但隔着PCB又远离锡波的零件本体，即使通过前后两道锡波时却始终未超过160℃，至于预热中的顶板面也只有120℃而已。不过回焊的做法却大异其趣，不但零件本体必须直接置身于220℃熔点以上，遭受热气流的折磨，且其TAL（融锡历时）更长达60秒以上。故知采用PIH的零组件其耐热 已与波焊者完全不同，必须要达一般 SMD的基本要求才行。
(1)起步预热段（Ramp-up）
指最前两段之炉区，从室温起步到达110-120℃之鞍首而言（例如10段机之1-2 Zone）。
(2)缓升（恒温）吸热段（Soak or Preheat）
指回焊曲线之缓升而较平坦的鞍部（例如10段机之3-6段而言，时间60-90sec.），鞍尾温度150-170℃。希望能达到电路板与零组件的内外均温，与赶走溶剂避免溅锡之目的。
图50． 此二图均为PIH切片的暗视画面，左图之锡量不足应与印膏量欠缺，以及孔径脚径之差距太大有关，通常二者差距以10mil以下为宜。
还有一种简单的做法，就是无需增加钢板的厚度，只要去回印刷两次锡膏，再加扩印的帮助亦可达到孔中填锡量的要求。至于先印一次薄膏后印二次厚膏的两片钢板重合印刷法，则于成本与施工上都很不适合，但对密集组装全无余地，扩印者却颇为有利。不过要注意的是锡膏用量增加后，助焊剂的残渣也跟着变多，难免会对目检带来烦恼。
图23．此为日本千住金属9热2冷式之回焊内曲线，可见到多层板之受热要超过零组件，此即爆板隐忧之所在。
(3)峰温强热段（Spike or Peak）
可将板面温度迅速（3℃/sec）冲高到235-245℃之间，以达到锡膏熔焊的目的；此段耗时以不超过20秒为宜（例如10段机之7-8两段）。
（2）填锡量的考虑
锡膏重量比的组成是金属占88-90％，其余10-12％为有机辅料。但体积比却是各占一半，以致完成愈合凝结成焊点后，其体积将至少萎缩一半，因而在设计孔径时即应考虑其填锡量的要求。一般经验法则是孔径要比起圆脚直径所大出的尺寸不宜超过10mil（即单边5mil）。若为方脚时，其对角线所测的厚度与孔径相比时，两者相差值不宜超过5mil。唯其如此回焊后孔内的填锡高度，才较容易达到著名规范J-STD-001D表6-5中明文指出起码填锡量75％的规格。
(4)快速冷却段（Cooling）
之后再快速降温（3-5℃/sec）使能瞬间固化形成焊点，如此将可减少焊点之表面粗糙与微裂，且老化强度也会更好（例如10段机之9-10段）。
为了将抽象的文字叙述简化为易懂的方便图标起见，利用简单直角坐标的纵轴表达温度，横轴表达时间（秒数），描绘出组装板随输送带按设定速度（例如0.9m/min）行走，过程中温度起伏变化（热量增加或减少）的曲线，即称之为回焊曲线（Reflow Profile）
图24．左为回焊曲线与回焊炉相互匹配的示意图，右为尾段降温用的冷却风扇图。
图25． 左图为有鞍型（RSS）回焊曲线及其各部段之说明;右图为待焊板进入加热段受到上下强力热风吹送热量之示意图，上下热风之温度速度均可调整。
回焊曲线是经由移动式电子测温仪与纪录器（Profiler or Datalogger）所绘制，此仪器可引出数条K Type之感热导线，并连接到数枚感温之熔合头（Thermo-Coupler），使逐一固定在板面不同位置，移动中执行“边走边测”的动作。实作时是走在前面，随后牵引感温仪通过全程而自动绘制多条曲线。再自多条曲线中折衷选出最中道不伤组件者，做为正式产品之试焊曲线，并在出炉完工板的品质经过认可后，即将该曲线存档做为后续量产的作业根据。
图1. 左图为位于观音工业区的协益电子公司，其SMT现场安装之锡膏印刷机，为了避免钢板表面之锡膏吸水与风干的烦恼起见，全机台均保持盖牢密封的状态。右为开盖后所见钢板、刮刀及无铅锡膏刮印等外貌。
二、锡膏的制造与质量
2.1锡膏组成与空洞
图2. 锡稿回焊影响其锡性与焊点强度方面的因素很多，此处归纳为五大方向，根据多年现场经验可知，以锡膏与印刷及回焊曲线（Profile）等三项占焊接品质之比重高达七八成以上，以下本文将专注于此三大内容之介绍，至于机器操作部分将不再著墨。
2.2锡粉制造与质量
图4. 锡粉是从熔融液锡所成形而调制，左图为氮气塔中利用强力氮气喷成粉体之情形，右为液锡在离心力设备上甩出成粉的另一种制程。
4.1回焊曲线（Profile）的组成
当组装板在金属网式或双轨式输送带上，通过回焊炉各段（Zone）的热冷行程（例如8热2冷之大型机，总长5-6m的无铅回焊炉），以达到锡膏熔融（Melting）以及冷却（Cooling）愈合成为焊点的目的，其主要温度变化可分为四部份，亦即：
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一、前言
所谓的Reflow，在表面贴装工业（SMT）中，是指锭形或棒形的焊锡合金，经过熔融并再制造成形为锡粉（即圆球形的微小锡球），然后搭配有机辅料（助焊剂）调配成为锡膏；又经印刷、踩脚、贴片、与再次回熔并固化成为金属焊点之过程，谓之Reflow Soldering（回流焊接）。此词之中文译名颇多，如再流焊、回流焊、回焊（日文译名）熔焊、回焊等；笔者感觉这只是将松散的锡膏再次回熔，并凝聚愈合而成为焊点，故早先笔者曾意译而称之为“熔焊”。但为了与已流行的术语不至相差太远，及考虑字面并无迂回或巡回之含意，但却有再次回到熔融状态而完成焊接的内涵，故应称之为回流焊或回焊。
图51．可采同一片钢板来回刮印两次，以增加孔中锡膏的印入量。
图52． 左图压刮刀的攻角（由60°到45°）将可增多入孔印膏量，右图说明出孔之剪脚不可太长，以免捅出锡膏而减少填锡并带来其他麻烦。
5.2现场施工
（1）盖孔覆环法
此为早期的做法，是利用钢板开口将PTH孔口及环面全部予以覆盖锡膏，且刻意压低刮刀的攻角或刮印两次，可使锡膏之进孔量增多。然后将末端呈圆形或锥形的引脚，刺穿锡膏伸入孔中之后再去进行回焊。此法的缺点是锡膏经常会被太长的引脚所挤出或脱落，带来不少麻烦。最好是剪脚长度只要比板厚稍微多出50mil即可，如此将可得到良好的焊点。
锡膏是由重量比88-90％的焊料合金所做成的微小圆球（称为锡粉Powder），与10-12％有机辅料（即通称之Flux助焊剂）所组成；由于前者比重很大（7.4-8.4）而后者的比重很轻（约在1-1.5），故其体积比约为1：1。SAC无铅焊料之比重较低（约7.4），且因沾锡 较差而需较多的助焊剂，因而体积比更接近1：1。故知锡粉完成愈合形成焊点之回焊后，其浓缩后的体积将不足印膏的一半。一旦外表先行冷却固化，深藏在内的有机物势必无法逃出，只好被裂解吹胀成为气体。此即锡膏回焊之各种焊点中，气洞或空洞（Voiding）无所不在的主要成因，其数量与大小均远超过波焊。
（2）孔环单边或两侧扩印法（Over Print）
刻意采扩大开口的钢板进行超多量锡膏的扩印（Over Print），使插脚回焊后能够达到填锡量的规范要求（75％），目前以孔环两侧的双边印膏法较为盛行。由于孔口并未盖满，因而不致发生引脚捅出锡膏的麻烦，但此种扩印术还要看板面的余地是否够用，以做为施工的取舍。
（3）钢板的开口
为了要在插脚孔内妥备填锡量起见，刮刀所印出的锡膏体积必须要够多才行，因而同一片钢板对此种PIH的印膏，必须要采用扩大印刷Over Print的做法，亦即钢板要更厚且开口要比孔环更大，其印膏量才勉强够用。事实钢板增厚对其它小垫而言并不容易实行，反倒是对超出环面所扩印的锡膏，其实并不需要担心向外流失，因其愈合中强大的内聚力会将外围的锡量拉回中心来，因而无须去担忧焊后的短路问题。