PCB回流焊温度曲线的设定及优化

孙小勇

摘 要：本文介绍了回流焊各温区温度曲线，详细介绍了实际温度曲线的设置和优化处理，为回流焊参数设置提供了理论依据，从而避免了焊接过程中缺陷的发生，保证了焊接质量，提高产品的合格率。

关键词：回流焊 回流炉 温度曲线 SMT 热电偶

1 引言

最近几年，SMT生产技术已发生了巨大的变化，回流焊机作为SMT中一个关键设备，它的正确使用无疑能够进一步确保产品的焊接质量。虽然PCB的回流焊接工艺被认为是一种非常成熟的技术，但是随着产品变的越来越复杂，元件尺寸从01005到50X50都有，且分布在组装密度非常高的双面PCB上，从而新的挑战也不断出现。实践证明，优化合格的回流焊温度曲线可大大减少焊接缺陷，提高产品的直通率。不合格的回流焊温度曲线会产生不可接受的焊点、失效的元件和整体更低的可靠性。所以探讨回流焊温度曲线设置和优化非常有必要的。本文将描述回流焊温度曲线设置和优化的一些方法和技巧。

2 回流焊温度曲线各个区段介绍

通常把这个曲线分成四个区域，就得到了PCB在通过回流焊炉时某一个区域所经历的时间。在这里斜率表示PCB受热后升温的速率，它是温度曲线中重要的工艺参数。图1中四个区段，分别为定义为升温区，预热恒温区，焊接区，冷却区。

2.1升温区

PCB进入回流焊链条，从室温开始受热到l50℃的区域叫做升温区。升温区的时间设置在60-90S，斜率控制在 1-3℃/S之间。

2.2预热恒温区

预热恒温区PCB表面温度由150℃平缓上升至200℃，时间窗口在 60S-120S之间。PCB板上各个部分缓缓受到热风加热，温度随时间缓慢上升，斜率在0.3-0.8℃/S之间。

2.3焊接区

回流区的温度最高，SMA进入该区后迅速升温，并超出锡膏熔点约30-40℃，即板面温度瞬时达到210-230℃ （此温度又称之为峰值温度），时间约为20-30S。

2.4冷却区

焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区。这一区域锡膏中的铅粉已经熔化并充分润湿了被焊接的表面，快速冷却会得到明亮的焊点并有良好的外形及低的接触角。冷却速率一般为3-10℃/S。

3 回流焊温度曲线测试

3.1热电偶使用说明

热电偶是温度控制和达到工艺路线的必备工具，分为温区热偶和曲线测试热偶，温区热偶位于不锈钢热风加热室，固定不动，曲线热偶一般要求与PCB表面连接，否则会导致热电偶的测量值偏离PCB表面度，从而测试出不适合的温度曲线。另外热电偶的灵敏度应是较大的，需要热容小、尺寸细小的热偶，否则将直接影响热电偶测量值的真实性。

3.2曲线测试

回流温度曲线的测试，一般采用能隨电路板一同进入炉内的炉温测试仪进行测试，测试后将数据通过输出接口输入计算机，通过专用测试软件进行曲线数据分析处理，然后打印出温度曲线。测试注意事项： ①测试点一般至少选取三点，能反映电路板组件上高、中、低温部位的温度变化。②回流炉开启后至少运行30分钟方可进行温度曲线的测试和生产。③由于各个测试点的温度曲线会存在差异，所以要依据预热的温度时间、回流峰值温度、回流时间以及升降温速率等综合因素考虑对设备的调整。④在设备变更、产品变更时，要重新进行温度曲线的测试。

3 回流温度曲线的设定分析

温度曲线是施加于电路板上的温度对时间的函数，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。带速决定基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基板接近该区的温度设定。

决定每个区的温度设定 ，必须要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。显示温度只是该区内热敏电阻的温度 ，如果热电偶越靠近热源 ，显示的温度将比区间温度高 ，热电偶越靠近电路板的直接通道，显示的温度将越能反映区间温度。实际操作中要了解清楚显示温度与实际区间温度的关系。锡膏特性参数表也是必要的 ，其包含的信息对温度曲线至关重要。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。大多数锡膏都能用四个温区成功回流。当最后的曲线图尽可能与所希望的图形相吻合时，应该把炉的参数记录并储存以备后用。

4 回流焊温度曲线各个区段优化分析

4.1升温区温度与时间关系分析优化

该区的目标是在达到两个特定目的的同时。 把板子从室温尽快地加热和提升。但快速加热不能快到造成板子或零件的损坏，也不应引起助焊剂溶剂的爆失。对大多数的助焊剂来说，这些溶剂不会迅速地挥发，因为它们必须有足够高的沸点来防止这焊膏在印刷过程中变干。

通常电路板和元器件的加热速率为1-3℃/s连续上升 ， 如果过快，会产生热冲击，电路板和元器件都可能受损，如陶瓷电容的细微裂纹。而温度上升太慢 ，锡膏会感温过度，溶剂挥发不充分，影响焊接质量。通常零件制造商会推荐加热速率的极限值。一般都规定一个最大的值 4℃/s以防止热应力造成的零件损坏。更普遍的加热速率一般是1-3℃/s 。

4.2预热恒温区温度与时间分析优化

预热恒温区最主要的目的是保证电路板上的全部元件在进入焊接区之前达到相同的温度，电路板上的元件吸热能力通常有很大差别，有时需延长保温周期，但是太长的保温周期可能导致助焊剂的丧失，导致在焊接区器件与焊料无法充分的结合与润湿，减弱焊膏的上锡能力 ，太快的温度上升速率会导致溶剂的快速气化，可能引起吹孔、锡珠等缺陷。而过短的保温周期又无法使活性剂充分发挥功效 ，也可能造成整个电路板预热温度的不平衡，从而导致不沾锡、焊后断开、焊点空洞等缺陷 ，所以应根据电路板的设计情况及回流炉的对流加热能力来决定保温周期的长短及温度值。一般保温区的温度在150-200℃ 之间，上升的速率低于2℃/s，这个区的加热时间一般占整个温度曲线时间的 30%～50%。

4.3焊接区温度与时间分析优化

焊接区是把电路板带入铅锡粉末熔点之上，让铅锡粉末微粒结合成一个锡球并使被焊金属表面充分润湿。结合和润湿是在助焊剂帮助下进行的，温度越高助焊剂效率越高，粘度及表面张力则随温度的升高而下降 ，这促使焊锡更快地湿润。但过高的温度可能使电路板承受热损伤，并可能引起铅锡粉末再氧化加速、焊膏残留物烧焦、电路板变色、元件失去功能等问题的产生。而过低的温度会使助焊剂效率低下，可能使铅锡粉末处于非焊接状态而增加生焊、虚焊发生的机率，因此应通过反复实验找到理想的峰值与时间的最佳结合。在焊接区曲线的峰值一般为210-230℃，超过铅锡合金熔点温度179℃的持续时间应维持在20-30s之间。这个区的加热速率一般为1.2-3.5℃/s，加热时间一般占整个温度曲线时间的 30%～50%。

4.4冷却区温度与时间分析优化

冷却区焊膏中的铅锡粉末已经熔化并充分润湿了被焊接表面，快速度地冷却会得到明亮的焊点并有好的外形及低的接触角度。缓慢冷却会使板材溶于焊锡中而生成灰暗和毛糙的焊点，并可能引起沾锡不良以及减弱焊点结合力的问题。冷却区降温速率一般为3～10℃/ s，冷却至 75℃即可 ，此区冷却时间占整个温度曲线时间的15%左右。

5结论

随着电子产业的飞速发展，高集成度、 高可靠性已经成为电子行业的主流技术。在这种趋势的推動下，SMT也得到了进一步的推广和发展。很多电子产品在生产和研发中已经大量的应用了SMT工艺和表面贴装元器件，因此焊接过程也就无法避免地大量使用回流焊机。根据回流焊原理，设置及优化好合理的温度曲线是保证焊接质量的重要环节之一。通过对温度曲线的建立，可以为回流炉参数的设置提供准确的理论依据，不合理的温度曲线会出现虚焊、立碑、锡球多等焊接缺陷 ，直接影响到产品的质量。

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