SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)的設(shè)定包括哪幾段(區(qū))？每個(gè)區(qū)對焊接的作用，設(shè)置不當(dāng)會產(chǎn)生哪些不良？

轉(zhuǎn)自：SMT工程師之家

前言

電子產(chǎn)業(yè)之所以能夠蓬勃發(fā)展，表面貼焊技術(shù)(SMT, Surface MountTechnology)的發(fā)明及精進(jìn)占有極大程度的貢獻(xiàn)。而回焊(Reflow)又是表面貼焊技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。這里我們就試著來解釋一下回焊的一些技術(shù)與溫度設(shè)定的問題。

電路板組裝的回流焊溫度曲線(reflow profile)共包括了預(yù)熱(pre-heat)、吸熱(Soak)、回焊(Reflow)和冷卻(Cooling)等四個(gè)大區(qū)塊。

預(yù)熱區(qū)(Pre-heat zone)

預(yù)熱區(qū)通常是指由溫度由常溫升高至150°C左右的區(qū)域﹐在這個(gè)區(qū)域﹐溫度緩升（又稱一次升溫）以利錫膏中的部分溶劑及水氣能夠及時(shí)揮發(fā)﹐電子零件（特別是BGA、IO連接器零件）緩緩升溫﹐為適應(yīng)后面的高溫預(yù)作準(zhǔn)備。但PCB表面的零件大小不一﹐焊墊/焊盤連接銅箔面積也不同，其吸熱裎度也不一，為了避免零件內(nèi)外或不同零件間有溫度不均勻的現(xiàn)象發(fā)生﹐以致零件變形，所以預(yù)熱區(qū)升溫的速度通?？刂圃?.5°C～3°C/sec之間。預(yù)熱區(qū)均勻加熱的另一目的，是要使錫膏中的溶劑可以適度緩慢的揮發(fā)并活化助焊劑，因?yàn)榇蟛糠种竸┑幕罨瘻囟却蠹s落在150°C上下。

快速升溫有助快速達(dá)到助焊劑軟化的溫度，因此助焊劑可以快速地?cái)U(kuò)散并覆蓋到最大區(qū)域的焊點(diǎn)，它可以讓一些活化劑融入實(shí)際合金的液體中?？墒?，升溫如果太快﹐由于熱應(yīng)力的作用﹐可能會導(dǎo)致陶瓷電容的細(xì)微裂紋(micro crack)、PCB受熱不均而產(chǎn)生變形(Warpage)、空洞或IC芯片損壞﹐同時(shí)錫膏中的溶劑揮發(fā)太快﹐也會導(dǎo)致錫膏塌陷產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

較慢的溫度爬升則允許更多的溶劑揮發(fā)或氣體逃逸，它也使助焊劑可以更靠近焊點(diǎn)，減少擴(kuò)散及崩塌的可能。但是升溫太慢也會導(dǎo)致過度氧化而降低助焊劑的活性。

爐子的預(yù)熱區(qū)一般占加熱通道長度的1/4~1/3﹐其停留時(shí)間計(jì)算如下﹕假設(shè)環(huán)境溫度為25°C﹐若升溫斜率按照3°C/sec計(jì)算則[(150-25)/3]即為42sec﹐如升溫斜率按照1.5°C/sec計(jì)算則[(150-25)/1.5]即為85sec。通常根據(jù)組件大小差異程度調(diào)整時(shí)間以調(diào)控升溫斜率在2°C/sec以下為最佳。

另外還有幾種不良現(xiàn)象都與預(yù)熱區(qū)的升溫有關(guān)系，下面一一說明：

1. 塌陷：

這主要是發(fā)生在錫膏融化前的膏狀階段，錫膏的黏度會隨著溫度的上升而下降，這是因?yàn)闇囟鹊纳仙沟貌牧蟽?nèi)的分子因熱而震動得更加劇烈所致；另外溫度迅速上升會使得溶劑(Solvent)沒有時(shí)間適當(dāng)?shù)負(fù)]發(fā)，造成黏度更迅速的下降。正確來說，溫度上升會使溶劑揮發(fā)，并增加黏度，但溶劑揮發(fā)量與時(shí)間及溫度皆成正比，也就是說給一定的溫升，時(shí)間較長者，溶劑揮發(fā)的量較多。因此升溫慢的錫膏黏度會比升溫快的錫膏黏度來的高，錫膏也就必較不容易產(chǎn)生塌陷。

2. 錫珠：

迅速揮發(fā)出來的氣體會連錫膏都一起往外帶，在小間隙的零件下會形成分離的錫膏區(qū)塊，回焊時(shí)分離的錫膏區(qū)塊會融化并從零件底下冒出而形成錫珠。

3. 錫球：

升溫太快時(shí)，溶劑氣體會迅速的從錫高中揮發(fā)出來并把飛濺錫膏所引起。減緩升溫的速度可以有效控制錫球的產(chǎn)生。但是升溫太慢也會導(dǎo)致過度氧化而降低助焊劑的活性。

4. 燈芯虹吸現(xiàn)象：

這個(gè)現(xiàn)象是焊料在潤濕引腳后，焊料從焊點(diǎn)區(qū)域沿引腳向上爬升，以致焊點(diǎn)產(chǎn)生焊料不足或空焊的問題。其可能原因是錫膏在融化階段，零件腳的溫度高于PCB的焊墊溫度所致。可以增加PCB底部溫度或是延長錫膏在的熔點(diǎn)附近的時(shí)間來改善，最好可以在焊料潤濕前達(dá)到零件腳與焊墊的溫度平衡。一但焊料已經(jīng)潤濕在焊墊上，焊料的形狀就很難改變，此時(shí)也不在受溫升速率的影響。

5. 潤濕不良：

一般的潤濕不良是由于焊接過程中錫粉被過度氧化所引起，可經(jīng)由減少預(yù)熱時(shí)錫膏吸收過多的熱量來改善。理想的回焊時(shí)間應(yīng)盡可能的短。如果有其他因素致加熱時(shí)間不能縮短，那建議從室溫到錫膏熔點(diǎn)間采線性溫度，這樣回焊時(shí)就能減少錫粉氧化的可能性。

6. 虛焊或“枕頭效應(yīng)”(Head-In-Pillow)：

虛焊的主要原因可能是因?yàn)闊羧锖缥F(xiàn)象或是不潤濕所造成。燈蕊虹吸現(xiàn)象可以參照燈蕊虹吸現(xiàn)象的解決方法。如果是不潤濕的問題，也就是枕頭效應(yīng)，這種現(xiàn)象是零件腳已經(jīng)浸入焊料中，但并未形成真正的共金或潤濕，這個(gè)問題通?？梢岳脺p少氧化來改善，可以參考潤濕不良的解決方法。

7. 墓碑效應(yīng)及歪斜：

這是由于零件兩端的潤濕不平均所造成的，類似燈蕊虹吸現(xiàn)象，可以藉由延長錫膏在的熔點(diǎn)附近的時(shí)間來改善，或是降低升溫的速率，使零件兩端的溫度在錫膏熔點(diǎn)前達(dá)到平衡。另一個(gè)要注意的是PCB的焊墊設(shè)計(jì)，如果有明顯的大小不同、不對稱、或是一方焊墊有接地(ground)又未設(shè)計(jì)熱阻(thermal relief)焊墊，而另一方焊墊無接地，都容易造成不同的溫度出現(xiàn)在焊墊的兩端，當(dāng)一方焊墊先融化后，因表面張力的拉扯，會將零件立直(墓碑)及拉斜。

8. 空洞(Voids)：

主要是因?yàn)橹竸┲械娜軇┗蚴撬畾饪焖傺趸?，且在焊料固化前未?shí)時(shí)逸出所致。

吸

熱區(qū) (Soak zone)

主要是因?yàn)?/span>一般將這個(gè)區(qū)域翻譯成「浸潤區(qū)」，但經(jīng)白老師糾正，正確的名稱應(yīng)該叫「吸熱區(qū)」，也稱「活性區(qū)」﹐在這段幾近恒溫區(qū)的溫度通常維持在150±10°C的區(qū)域﹐斜升式的溫度通常落在150～190°C之間，此時(shí)錫膏正處于融化前夕﹐焊膏中的揮發(fā)物會進(jìn)一步被去除﹐活化劑開始啟動﹐并有效的去除焊接表面的氧化物﹐PCB表面溫度受熱風(fēng)對流的影響﹐讓不同大小、質(zhì)地不同的零組件溫度能保持均勻溫度﹐板面溫度差△T接近最小值。

（如果PCB上的零件簡單，沒有太多復(fù)雜的零件，如BGA或大顆容易或不易吸熱零件，也就是說零件間的溫度可以輕易達(dá)到均勻，建議使用「斜升式曲線」。現(xiàn)代科技進(jìn)步，有些回焊爐的效率好，可以快速均勻所有零件的溫度，也可以考慮「斜升式曲線」?！感鄙角€」的優(yōu)點(diǎn)是希望確保錫膏融錫時(shí)所有焊點(diǎn)同時(shí)融錫，已達(dá)到最佳的焊接效果。）

溫度曲線形態(tài)接近水平狀﹐它也是評估回焊爐工藝的一個(gè)窗口﹐選擇能維持平坦活性溫度曲線的爐子將可提高焊接的效果﹐特別是防止立碑缺陷的產(chǎn)生，因?yàn)檩^不易造成融錫不一的時(shí)間差，零件兩端也就比較不會有應(yīng)力不同的問題。

恒溫區(qū)通常在爐子的2﹐3區(qū)之間﹐時(shí)間維持約為60～120s﹐若時(shí)間過長會導(dǎo)致松香過度揮發(fā)，并造成錫膏過度氧化的問題﹐在回流焊接時(shí)失去活性和保護(hù)功能，以致焊接后造成虛焊、焊點(diǎn)殘留物發(fā)黑、焊點(diǎn)不光亮等問題。

此區(qū)域的溫度如果升溫太快，錫膏中的松香(助焊劑)就會迅速膨脹揮發(fā)，正常情況下，松香應(yīng)該會慢慢從錫膏間的縫隙逸散，當(dāng)松香揮發(fā)的速度過快時(shí)，就會發(fā)生氣孔、炸錫、錫珠等質(zhì)量問題。

回焊區(qū)(Reflow zone)

回焊區(qū)是整段回焊溫度最高的區(qū)域﹐通常也叫做「液態(tài)保持時(shí)間(TAL, time above liquids)」。此時(shí)焊料中的錫會與焊墊上的銅或鎳因?yàn)椤富瘜W(xué)反應(yīng)」而形成金屬間的化合物Cu₅sn₆或Ni₃Sn₄。以OSP(有機(jī)保護(hù)膜)的表面處理為例﹐當(dāng)錫膏融化后﹐會迅速潤濕銅層﹐錫原子與銅原子在其接口上互相滲透，初期Sn-Cu合金的結(jié)構(gòu)為良好的Cu₆Sn₅介金屬化合物(IMC)，為回焊爐子內(nèi)的關(guān)鍵階段，因?yàn)檠b配上的溫度梯度必須最小。IMC的厚度在1-5μm都可以接受，但I(xiàn)MC太厚也不好，一般建議可以控制在1-3μm為最佳。TAL必須保持在錫膏制造商所規(guī)定的參數(shù)之內(nèi)。產(chǎn)品的峰值溫度也是在這個(gè)階段達(dá)成的（裝配達(dá)到爐內(nèi)的最高溫度），時(shí)間如果過長就會繼續(xù)生成Cu₃Sn的不良IMC。ENIG表面處理的板子，初期則會生成Ni₃Sn₄的IMC，但只會生成極少的Cu₆Sn₅化合物。

必須小心的是，溫度不可超過PCB板上任何溫度敏感組件的最高溫度和加熱速率承受能力。例如，一個(gè)典型符合無鉛制程的鉭電容具有的最高溫度在260°C時(shí)最多只能持續(xù)10秒鐘。理想狀況下應(yīng)該讓裝配上所有的焊點(diǎn)同時(shí)、同速率達(dá)到相同的峰值溫度，以保證所有零件在爐內(nèi)經(jīng)歷相同的環(huán)境。

回焊的峰值溫度，通常取決于焊料的熔點(diǎn)溫度及組裝零件所能承受的溫度。一般的峰值溫度應(yīng)該比錫膏的正常熔點(diǎn)溫度要高出約25~30°C，才能順利的完成焊接作業(yè)。如果低于此溫度，則極有可能會造成冷焊與潤濕不良的缺點(diǎn)。

冷卻區(qū)(Cooling zon）

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在回焊區(qū)之后，產(chǎn)品冷卻，固化焊點(diǎn)，將為后面裝配的工序準(zhǔn)備?？刂评鋮s速度也是關(guān)鍵的，冷卻太快可能損壞裝配，冷卻太慢將增加TAL，可能造成脆弱的焊點(diǎn)。

一般認(rèn)為冷卻區(qū)應(yīng)迅速降溫使焊料凝固。迅速冷卻也可以得到較細(xì)的合晶結(jié)構(gòu)，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度，使焊點(diǎn)光亮，表面連續(xù)并呈彎月面狀，但缺點(diǎn)就是較容易生成孔洞，因?yàn)橛行怏w來不及逃逸。

相反的，在熔點(diǎn)以上緩慢的冷卻則容易導(dǎo)致過量的介金屬化合物(IMC)產(chǎn)生及較大的合晶顆粒，降低抗疲勞強(qiáng)度。采用比較快的冷卻速率可以有效嚇阻介金屬化合物的生成。

在加速冷卻速度的同時(shí)須注意到零件耐沖擊的能力，一般的電容所容許的最大冷卻速率大約是4°C/sec。過快的冷卻速率很可能會引起應(yīng)力影響而產(chǎn)生龜裂(Crack)。也可能引起焊墊與PCB或焊墊與焊點(diǎn)的剝離，這是由于零件、焊料、與焊點(diǎn)各擁有不同的熱膨脹系數(shù)及收縮率的結(jié)果。一般建議的降溫速度為2~5°C/s之間。

助焊劑中的溶劑或是水氣快速氧化，且在焊料固化前未實(shí)時(shí)逸出所致。

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