如何高效的设定Reflow温度曲线,SMT,SMT技术文章-SMT 技术文章

摘要：为了准确的设定温度曲线的每个参数，必须综合考虑影响温度曲线参数设置的各种因素，包括：PCB的内层结构、材料、密度，夹具类型，元器件类型，焊盘（镀层）和引线的材料，回流炉的性能（加热方式、加热效率，各温区的抗干扰性等），焊膏合金成分和Flux特性等。
关键字：回流焊，RTS，RSS，传热率
目前SMT回流焊炉大部分采用强制热风对流的传热方式，它具有传热效率高、温度均匀的优点。
在SMT Reflow
Soldering工程技术中较为流行的温度曲线形式有两种：RTS（Ramp-to-Spike）和RSS(Ramp-Soak-Spike)。不论采用它们中的哪一种，都必须密切关注几个关键的技术参数，主要包括：轨道传输速度、每个温区的温度和静压、温升斜率、温度峰值、液相温度时间、冷却速度等。一般为了方便，把温度曲线分为几个区域段：预热区（RSS又细分为预热I区和预热II区）、回流区和冷却区。RTS和RSS的区别主要在预热区，其形状见图1（粗略图，非推荐形状）。
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为了准确的设定温度曲线的每个参数，必须综合考虑影响温度曲线参数设置的各种因素，包括：PCB的内层结构、材料、密度，夹具类型，元器件类型，焊盘（镀层）和引线的材料，回流炉的性能（加热方式、加热效率，各温区的抗干扰性等），焊膏合金成分和Flux特性等。
传输速度
当回流焊炉确定以后，传输速度取决于曲线的形状要求、传热率以及产品和夹具的形状、材料和大小等。
一般情况下，产品和夹具的材料是不会变的，而复杂多变的是其形状和大小。对于不同的炉子，这里有一个简单的公式可以大概计算传输速度：
Speed＝单个温区长度/曲线时间长度
比如，Paramax98的温区长度为98inch，曲线时间长度要求3.5min，那么
传输速度＝98inch×2.54/3.5≈71cm/min
在71cm/min的基础上通过修改其他参数，传输速度浮动±15cm/min都是可以接受的。传热率和加热效率越高，速度的调节窗口就越大。
温度和静压
各温区温度的设置值与炉子的性能（传热效率和热损失）关系很大，同时与产品的形状、材料和大小以及密度有密切关系，不同的炉子和产品，其温度设置设置都不一样。我们由热量公式
E＝Qt＝mc△T （公式1）
可知，产品获得的热量与传热效率和时间有着直接的关系，而传热效率
Q＝HA△T （公式2）
其中，H是对流系数，它与静压（风扇速度）成正比；A是气流浸润面积，

它由产品形状和大小决定；△T是设置的温度与产品实际温度的差异。
显然，风扇速度越高，则产品实际获得的热量就多，其温度也高，但是风扇速度偏高则会产生恶性气流，引起元器件偏位甚至飞走；气流浸润面积大，吸收的热量多，温度设置或者风扇速度相对就要设置高一些。
一般炉子都是开环控制，没有静压传感器。
温升斜率
温升斜率是一个很关键的参数，在预热区如果采用偏高的斜率，会引起锡膏内的溶剂迅速蒸发，导致锡膏溅射、产生锡珠等，在回流区，偏高的斜率则可能引起锡膏暴溅，其后果不得而知。
一般温升斜率控制在1～2℃/s，具体可以参见锡膏供应商提供的产品说明书。从图1可以看出，RSS把预热区分成了两段，在预热I区温度迅速上升，当达到一定温度（140～170℃）后在预热II区形成一个温度恒定的平台，这种曲线常用于有夹具或炉子加热效率比较低的场合，它通过维持一个恒定的高温平台来达到降低产品温度梯度的目的。RSS适于RMA型和免清洗锡膏，但是这种曲线不适于采用低活性或水溶性焊剂的锡膏，因为在整个预热区，RSS的温度都比较高，很容易使溶剂、活性剂过早的蒸发，从而影响可焊性。墓碑、吸芯、锡球、热坍塌－桥接、润湿性差和孔洞等缺陷容易出现在RSS曲线工艺中。
RTS则具有很多优势，但是它对炉子的性能要求很高。由于RTS整个时间的2/3都保持在较低的温度，因此其Flux在预热区的损失相当小，从而为回流区提供了充足的Flux，使得RTS的可焊性非常好，而且形成的焊点可靠性也高。RTS的上升斜率也比RSS小，其缺陷率很低。RTS尤其适于那些焊接困难的合金和元器件。同时，RTS更经济，因为它的预热区温度比RSS低很多，耗电自然也少。
值得一提的TRS曲线莫过于“李氏曲线”，有人总结了“李氏曲线”的六个杀手锏：
1、 防墓碑
从图1中可以看到，RSS在回流区的温升斜率较高，而且是瞬间就通过了熔点（179℃或183℃），这往往由于不同的焊点受热不均导致0402、0201器件一端的锡膏先于另一端熔化，由于熔化的锡膏表面张力较大，从而导致墓碑现象。而RTS在液相温度附近有一短暂的时间停留，从而可以防止墓碑现象。
2、 缓解吸芯
RSS在回流区的温升斜率较高，而且没有在液相温度附近有一短暂的时间停留，很容易导致元器件的引线温度比焊盘温度高很多，使得Flux和锡膏大部分流到温度较高的引线上，最
后引起脱焊，这就是吸芯现象。RTS则巧妙的杜绝了这种现象。
3、 减少锡球

RSS的温升速率较高、而且长时间暴露在高温下容易导致氧化，二者相互作用，容易产生锡球。RTS则不然。
4、 防止热坍塌------桥接
RSS长时间暴露在高温下容易使锡膏发生热坍塌，坍塌则导致桥接。
5、 优良的润湿性
前面提到过，RTS的润湿性要比RTS好。
6、 防止孔洞
RSS长时间暴露在高温下使得溶剂大量挥发，同时还容易发生氧化，二者相互作用，使得锡膏粘度变大，从而导致Flux无法流到锡膏表面，最终在焊点中产生孔洞。RTS就不会这样了。
作者在BTU Pyramax98环境下对“李氏曲线”进行了尝试和验证，大量实践结果证明其优越性名副其实。
温度峰值和液相温度时间
温度峰值和液相温度时间是回流区的两个关键参数。
一般元器件的最高耐温是250℃，所以温度曲线的峰值要尽量远离这个危险界限。经验峰值是（液相温度＋40℃）±3℃。液相温度时间一般30～80s，经验表明，控制在60s是比较合适的。
对于焊点的可靠性，用肉眼是很难判断的，有时你看到的焊点光亮有泽，但实际上它或许经历了过高的峰值温度或高温下停留过久，其焊点机械性、导电性和可靠性已经严重下降。当然回流不足也会导致同样的后果，同时会产生冷焊、虚焊或假焊等缺陷。
回流过程中形成的金属间化合物（IMC）的厚度对焊点可靠性影响最为显著。焊点连接不是简单的机械连接，而是一种冶金结合过程，它要通过熔化的合金在焊接界面上相互扩散形成IMC来保证连接的可靠性。
对于SnPb共晶合金焊料和Au/Ni焊盘来讲，焊接界面IMC的形成过程是焊盘上的Ni原子相SnPb合金扩散的过程。Ni的能量水平和扩散时间直接影响IMC的形成厚度，Ni的能量高，扩散时间长，IMC就后，反之则薄；另一方面，当SnPb合金处于熔化状态时，将使Ni原子的扩散变得更容易，更易形成IMC。IMC太薄，金属原子扩散不充分，焊点结合力就不足；IMC本身又表现出脆相性，长得太厚又会降低焊点的抗疲劳性能。
IMC是一个微观量，但是它的厚度强烈依赖于回流温度曲线，特别是曲线的峰值温度和液相温度时间。
因此吴懿平博士提出了通过温度曲线的量化参数―――加热因子Q（s℃）来控制IMC厚度的观点，这为许多工程技术人员在规范化回流焊曲线技术参数方面提供了有力的理论依据。
Q＝ △T △t （公式3）
△T是峰值温度与熔点的差，即△T＝Tmax－Tm；△t＝t2－t1（见图1）。试验证明，当Q为常数时，IMC厚度也为常数。
在回流焊

中，焊球的吸热量为
E＝HA△T t
H为对流系数，A为焊球表面积，t为加热时间，与公式3比较可得
E＝cQ
其中c＝AH/2，即Q与E成正比，也就是说，IMC的厚度与吸热量E成正比。
吴懿平博士通过试验总结了不同锡膏的加热因子范围，见表1。
表1
品牌合金类型加热因子Q（s℃）
AlphaSn63Pb37630～810

QualitekSn63Pb37660～1100
Sn62Pb36Ag2780～1170
HeraeusSn63Pb37720～740
Sn62Pb36Ag2800～830

冷却
冷却速度是一个不可忽视的参数，一般好的炉子在冷却区都有稳定的水冷装置以提供充分的冷却效果，使得产品可以在较短的时间内降到熔点以下，推荐降温速率2～4℃/s。
小结
究竟采用哪种形式的温度曲线和设定参数，很难用量化和固定的数据来进行标定，SMT工程师必须依照试验数据，并结合具体的制造设备和条件来规范回流焊曲线的设置。尤其是随着无铅化进程的推进，PCB镀层纷纷采用了化镍浸金、浸银、OSP、浸锡等制造工艺，而元器件的引脚则多采用了高温无铅合金镀层，这无疑给SMT制造技术提出了新的挑战。
参考文献：
1、《优化再流曲线》，Bjorn Dahle, Ronald C. Lasky，SMT China Jul/Aug2003；
2、《SMT回流焊过程德量化参数------加热因子Q》，吴懿平，环球与封装 2003年第三卷第一期；
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王建国<|||>
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编辑部<|||>
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2005-6-28



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