怎样设定锡膏回流温度曲线

怎样设定锡膏回流温度曲线
在使用表面贴装元件的印刷电路板(PCB)装配中，要得到优质的焊点，一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。

温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数，当在笛卡尔平面作图时，回流过程中在任何给定的时间上，代表PCB上一个特定点上的温度形成一条曲线。

几个参数影响曲线的形状，其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。

带速决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间，增加持续时间可以允许更多时间使电路装配接近该区的温度设定。

每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。

每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度，高温在PCB与区的温度之间产生一个较大的温差。

增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。

因此，必须作出一个图形来决定PCB的温度曲线。

接下来是这个步骤的轮廓，用以产生和优化图形。

在开始作曲线步骤之前，需要下列设备和辅助工具：温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的工具和锡膏参数表。

可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱，这工具箱使得作曲线方便，因为它包含全部所需的附件(除了曲线仪本身)。

现在许多回流焊机器包括了一个板上测温仪，甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。

测温仪一般分为两类：实时测温仪，即时传送温度/时间数据和作出图形；而另一种测温仪采样储存数据，然后上载到计算机。

热电偶必须长度足够，并可经受典型的炉膛温度。

一般较小直径的热
电偶，热质量小响应快，得到的结果精确。

有几种方法将热电偶附着于PCB，较好的方法是使用高温焊锡如银/锡合金，焊点尽量最小。

另一种可接受的方法，快速、容易和对大多数应用足够准确，少量的热化合物(也叫热导膏或热油脂)斑点覆盖住热电偶，再用高温胶带(如Kapton)粘住。

还有一种方法来附着热电偶，就是用高温胶，如氰基丙烯酸盐粘合剂，此方法通常没有其它方法可靠。

附着的位置也要选择，通常最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。

(图一、将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间) 锡膏特性参数表也是必要的，其包含的信息对温度曲线是至关重要的，如：所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。

开始之前，必须理想的温度曲线有个基本的认识。

理论上理想的曲线由四个部分或区间组成，前面三个区加热、最后一个区冷却。

炉的温区越多，越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。

大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流。

(图二、理论上理想的回流曲线由四个区组成，前面三个区加热、最后一个区冷却)
预热区，也叫斜坡区，用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。

在这个区，产品的温度以不超过每秒2~5°C速度连续上升，温度升得太快会引起某些缺陷，如陶瓷电容的细微裂纹，而温度上升太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度。

炉的预热区一般占整个加热通道长度的25~33%。

活性区，有时叫做干燥或浸湿区，这个区一般占加热通道的33~50%，有两个功用，第一是，将PCB在相当稳定的温度下感温，允许不同质量的元件在温度上同质，减少它们的相当温差。

第二个功能是，允许助焊剂活性化，挥发性的物质从锡膏中挥发。

一般普遍的活性温度范围是120~150°C，如果活性区的温度设定太高，助焊剂没有足够的时间活性化，温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。

虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加，但是理想的曲线要求相当平
稳的温度，这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。

市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线，选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子，将提高可焊接性能，使用者有一个较大的处理窗口。

回流区，有时叫做峰值区或最后升温区。

这个区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。

活性温度总是比合金的熔点温度低一点，而峰值温度总是在熔点上。

典型的峰值温度范围是205~230°C，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2~5°C，或达到回流峰值温度比推荐的高。

这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件的完整性。

今天，最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，这种比例的锡和铅使得该合金共晶。

共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金，非共晶合金有一个熔化的范围，而不是熔点，有时叫做塑性装态。

本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅，因为其使用广泛，该合金的熔点为183°C。

理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。

越是靠近这种镜像关系，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。

作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定，该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。

典型的锡膏制造厂参数要求3~4分钟的加热曲线，用总的加热通道长度除以总的加热感温时间，即为准确的传输带速度，例如，当锡膏要求四分钟的加热时间，使用六英尺加热通道长度，计算为：6 英尺÷ 4 分钟 = 每分钟 1.5 英尺 = 每分钟 18 英寸。

接下来必须决定各个区的温度设定，重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。

显示温度只是代表区内热敏电偶的温度，如果热电偶越靠近加热源，显示的温度将相对比区间温度较高，热电偶越靠近PCB的直接通道，显示的温度将越能反应区间温度。

明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。

本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。

表一列出的是用于典型PCB装配回流的区间温度设定。

表一、典型PCB回流区间温度设定
速度和温度确定后，必须输入到炉的控制器。

看看手册上其它需要调整的参数，这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。

一旦所有参数输入后，启动机器，炉子稳定后(即，所有实际显示温度接近符合设定参数)可以开始作曲线。

下一部将PCB放入传送带，触发测温仪开始记录数据。

为了方便，有些测温仪包括触发功能，在一个相对低的温度自动启动测温仪，典型的这个温度比人体温度37°C(98.6°F)稍微高一点。

例如，38°C(100°F)的自动触发器，允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作，不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。

一旦最初的温度曲线图产生，可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所
示的曲线进行比较。

首先，必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时间相协调，如果太长，按比例地增加传送带速度，如果太短，则相反。

下一步，图形曲线的形状必须和所希望的相比较(图二)，如果形状不协调，则同下面的图形(图三~六)进行比较。

选择与实际图形形状最相协调的曲线。

应该考虑从左道右(流程顺序)的偏差，例如，如果预热和回流区中存在差异，首先将预热区的差异调正确，一般最好每次调一个参数，在作进一步调整之前运行这个曲线设定。

这是因为一个给定区的改变也将影响随后区的结果。

我们也建议新手所作的调整幅度相当较小一点。

一旦在特定的炉上取得经验，则会有较好的“感觉”来作多大幅度的调整。

图三、预热不足或过多的回流曲线
图四、活性区温度太高或太低
图五、回流太多或不够
图六、冷却过快或不够
当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合，应该把炉的参数记录或储存以备后用。

虽然这个过程开始很慢和费力，但最终可以取得熟练和速度，结果得到高品质的PCB的高效率的生产。

约翰.希罗(John Shiloh): Novastar Technologies
回流焊的设备结构及原理
.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。

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。

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。

3.2。

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。

3.2.1。

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。

温度设定：（单位：℃）
带速设定：（单位：cm/分）
气体设定：
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。

3.2.2。

锡膏特性与回流曲线的重要关系
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。

4）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。

典型的回流焊接温度曲线
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]。

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，它将清除焊件表面的氧化物和杂质，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]。

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。

3.2.3。

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：1）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。

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。

3）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。

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。

焊锡膏使用注意事项
焊锡膏是一种比较敏感的焊接材料，污染、氧化或吸潮都会使其产生不同程度的变质，而焊锡膏变质后不仅会使流动性改变而影响印刷效果，更严重的是会造成焊接不良，降低成品一次合格率，因此需要在制造过程上加以注意，以提高焊锡膏的使用效果。

使用说明：
1、焊锡膏应储存低温下，储存温度应在2-8℃（冰箱冷藏室）。

2、刚从冰箱里取出的焊锡膏比环境温度低，不要马上开封，以免空气中的湿气凝结在焊锡中，一般应放置2-4小时待恢复到室温后方可使用。

3、焊锡膏使用前先充分搅拌机待搅拌均匀后方可使用。

4、罐中剩余没有用过的焊锡膏，应盖上内、外盖，不可暴露在空气中，以免吸潮和氧化。

5、工作结束时，将钢网上剩余的焊锡装入一空罐内留到下次用，切不可将用过的焊锡膏放到没用过的焊锡膏罐内，因用过的焊锡膏已受到污染会殃及新鲜的焊锡膏使其变质。

6、焊锡膏印刷工应远离经常开动的门窗，使期工作温度稳定，以免外界空气进入引起局部环境变化。

7、免清洗焊锡膏不必进行清洗，清洗液使用不当会破坏焊点的保护膜，清洗不当会造成板而污染。

无铅相关政策
1。

無鉛的定義：
根據歐盟（EU）及日本的“電子工業發展協會”（JEITA)的現行要求，焊料（錫膏、錫絲、錫棒、錫粉等）、PCB表面塗層、焊點、焊點材料（包括BGA、CSP等的錫球）及電子元器件的引腳（包括表面塗層）等的鉛雜質的重量比在0.1%以下者，稱為無鉛。

表示方法：< 0.1wt%Pb 2。

歐盟禁鉛的相關法令：
1）WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment) <電子及電氣設備廢棄物處理法> 文中要求：從2004.1起，除汽車工
業外（蓄電池已完全做到回收），其他行業一律都要開始規劃禁鉛;並要
求各成員國在法律中，明文規定電子產品自2006.07起即應徹底禁鉛。

旨
在減少電子及電器設備的廢棄物及建立回收再利用系統. 2）RoHS (Restriction of Use of Hazardous Substances) <關於限制在電子電器中使用某些有害物質的指令>
主要內容有：禁鉛、禁汞、禁鎘、禁六價鉻、禁溴耐燃劑,並規定各成員
國在2004.8.13之前是正式在各國中完成立法，在2006.7.1開始執法。

3.實施無鉛的意義：
我們只有一個地球，隨著近年來人們對健康和環境問題越來越重視，
鉛的危害性也逐漸為大眾所了解。

人們工作、學習中所使用的電子產品越來越多，且這些設備的更新周期也越來越短，每個都產生大量電子垃圾。

由於這些鉛廢棄物絕大部份被直接掩埋，其中的鉛會逐漸溶解到土壤和地下水中，經過各種循環方式又進入人們的生活用水中。

鉛在人體中沉積後會造成中毒，傷害腎髒、肺，引起貧血、生殖功能障礙、高血壓等疾病，危害人體中樞;同時，鉛還會影響兒童的智商和正常發育。

據統計，目前全球電子行業每年使用焊料消耗的鉛約為20000噸，大約占世界鉛總產量的5%。

實施無鉛，旨在保護環境，建立無鉛、無鹵之綠色大地。

回流焊不良分析資料
柢面元件的固定
双面回流焊接已采用多年，在此，先对第一面进行印刷布线，安装元件和软熔，然后翻过来对电路板的另一面进行加工处理，为了更加节省起见，某些工艺省去了对第一面的软熔，而是同时软熔顶面和底面，典型的例子是电路板底面上仅装有小的元件，如芯片电容器和芯片电阻器，由于印刷电路板（PCB）的设计越来越复杂，装在底面上的元件也越来越大，结果软熔时元件脱落成为一个重要的问题。

显然，元件脱落现象是由于软熔时熔化了的焊料对元件的垂直固定力不足，而垂直固定力不足可归因于元件重量增加，元件的可焊性差，焊剂的润湿性或焊料量不足等。

其中，第一个因素是最根本的原因。

如果在对后面的三个因素加以改进后仍有元件脱落现象存在，就必须使用SMT粘结剂。

显然，使用粘结剂将会使软熔时元件自对准的效果变差。

未焊满
未焊满是在相邻的引线之间形成焊桥。

通常，所有能引起焊膏坍落的因素都会导致未焊满，这些因素包括：1，升温速度太快；2，焊膏的触变性能太差或是焊膏的粘度在剪切后恢复太慢；3，金属负荷或固体含量太低；4，粉料粒度分布太广；5；焊剂表面张力太小。

但是，坍落并非必然引起未焊满，在软熔时，熔化了的未焊满焊料在表
面张力的推动下有断开的可能，焊料流失现象将使未焊满问题变得更加严重。

在此情况下，由于焊料流失而聚集在某一区域的过量的焊料将会使熔融焊料变得过多而不易断开。

除了引起焊膏坍落的因素而外，下面的因素也引起未满焊的常见原因：1，相对于焊点之间的空间而言，焊膏熔敷太多；2，加热温度过高；3，焊膏受热速度比电路板更快；4，焊剂润湿速度太快；5，焊剂蒸气压太低；6；焊剂的溶剂成分太高；7，焊剂树脂软化点太低。

断续润湿
焊料膜的断续润湿是指有水出现在光滑的表面上（1.4.5.），这是由于焊料能粘附在大多数的固体金属表面上，并且在熔化了的焊料覆盖层下隐藏着某些未被润湿的点，因此，在最初用熔化的焊料来覆盖表面时，会有断续润湿现象出现。

亚稳态的熔融焊料覆盖层在最小表面能驱动力的作用下会发生收缩，不一会儿之后就聚集成分离的小球和脊状秃起物。

断续润湿也能由部件与熔化的焊料相接触时放出的气体而引起。

由于有机物的热分解或无机物的水合作用而释放的水分都会产生气体。

水蒸气是这些有关气体的最常见的成份，在焊接温度下，水蒸气具极强的氧化作用，能够氧化熔融焊料膜的表面或某些表面下的界面（典型的例子是在熔融焊料交界上的金属氧化物表面）。

常见的情况是较高的焊接温度和较长的停留时间会导致更为严重的。