无铅锡膏回流焊温度曲线与焊接原理探讨
针对目前应用广泛的无铅锡膏，本文探讨无铅锡膏回流焊温度曲线的工艺要求及设置方法，并简明阐述锡膏回流焊的基本原理。
回流焊是SMT表面组装的核心工艺。SMT生产中的电路设计、锡膏印刷、元器件装配，最终都是为了焊接成PCB成品。所有的不良都将在回流焊之后表现出来。而SMT生产中的大部分工艺控制都是为了得到高直通率的品质结果，若回流焊温度曲线没有设置好，前段的所有品质管控都失去了意义。所以，正确设置回流焊温度，实现温度曲线的最优化，是所有SMT产线工艺控制中的重中之重。
图一为典型的Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金传统无铅锡膏温度曲线。A为升温区，B为恒温区（浸润区），C为熔锡区。260S后为冷却区。
升温区A,目的是快速使PCB板升温到助焊剂激活温度。在45-60秒左右从室温升温至150℃左右，斜率应在1到3之间。升温过快容易发生坍塌导致锡珠、桥接等不良产生。
恒温区B，从150℃至190℃平缓升温，时间以具体的产品要求为依据，控制在60到120秒左右，充分发挥助焊溶剂的活性，去除焊接面氧化物。时间过长，则易出现活化过度，影响焊接品质。在此阶段中，助焊溶剂中的活性剂开始起作用，松香树脂开始软化流动，活性剂随松香树脂在PCB焊盘和零件焊接端面扩散和浸润，并与焊盘和零件焊接面表面氧化物反应，清洁被焊接表面并去除杂质。同时松香树脂快速膨胀在焊接表面外层形成保护膜与隔绝与外界气体接触，保护焊接面不再发生氧化。设置充足的恒温时间，目的是让PCB焊盘与零件再回流焊接前达到一致的温度，减少温差，因为PCB上面贴装的不同零件吸热能力有很大的区别。防止回焊时的温度不均衡造成品质问题，如立碑、虚焊等不良。恒温区升温太快，锡膏中助焊剂就会迅速膨胀挥发，产生气孔、炸锡、锡珠等各种品质问题。而恒温时间过长，则会使助焊溶剂过度挥发，在回流焊接时失去活性和保护功能，造成虚焊、焊点残留物发黑、焊点不光亮等等一系列不良后果。在实际生产中，应根据实际产品和无铅锡膏的特性设置恒温时间。
焊接区C以30到60秒为宜，过短的熔锡时间可能造成虚焊等不良，时间过长则将产生过量介金属或焊点发暗等。此阶段锡膏中的合金粉末熔化，与被焊接面金属发生化合反应。助焊溶剂在此时沸腾并加速挥发和浸润，并在高温下克服表面张力，让液态合金焊料随着助焊剂流动，在焊盘表面扩散并包裹零件焊接端面形成润湿效果。理论上，温度越高浸润效果越好，然而实际应用中要考虑PCB板和零件的最高温度承受能力。回流焊接区温度与时间的调整是在峰值温度与焊接效果之间寻求平衡，即在可接受的峰值温度与时间内达到理想的焊接品质。
焊接区后即冷却区。此阶段中焊料由液态降温变为固态形成焊点，焊点内部形成晶粒。快速的降温冷却能得到可靠的焊点，并且焊点具有光亮的光泽度。这是因为快速冷却能使焊点形成结构紧密的合金，而较慢的冷却速率会产生大量介金属，并在接合面形成较大的晶粒，这样的焊点机械强度的可靠性低，并且焊点表面会灰暗，光泽度低。
图二为斜升式温度曲线图。这种温度曲线设定取消了传统曲线中的恒温区，焊接区的平台也变为一条抛物线。基板温度由室温直接缓慢加热到峰值温度，整个焊接过程中突然的温度阶梯变化较小，能缩短焊接时间。只要不是组装复杂的基板，都可以应用这种斜升温度曲线，它能有效加快焊接速度，提高效率。并且在很多生产线有成功的应用。如果您产线上的产品相对不复杂，也可以试着应用这种曲线，缩短了焊料合金的液态时间，形成的焊点强度更加可靠。
如果PCB板很大或者有很多复杂的零件分布在PCB板上，传统的阶梯式曲线的恒温区能保障PCB板上各个位置的温度趋于一致，而焊接区的平台也能保证各个焊点的可靠焊接。至于传统阶梯式温度曲线和斜升式曲线哪一种更好，并无确切答案。这要综合生产的产品、锡膏配方、回流炉硬件等多方面的条件选择最佳方案。
综上所述，回流焊温度曲线设置并无定势。实践生产中，以锡膏和生产产品为基准，参考标准曲线去调整优化，以期获得理想的焊接效果。笔者遇到一个极端的例子，PCB板上的connector连接器插座，锡膏从熔化至峰值温度再到降温固化，整个液态过程只有15秒时间，这样的设置得到了很好的焊接效果。所以只要不拘一格的设法改善，相信SMT制程工程师都能得到不断提高的直通率。
作者：曹旭
作者单位：东莞市名度电子材料经营部
2012/10/27
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(2012-10-27 18:09:53) 
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