回流焊工艺

回流焊工艺学习情境4广东科学技术职业学院1再流焊定义再流焊Reflowsoldring，通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。2再流焊原理图1再流焊温度曲线从温度曲线（见图1）分析再流焊的原理：当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚，焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元器件引脚与氧气隔离；PCB进入保温区时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件；当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点；PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了再流焊。3再流焊工艺特点（与波峰焊技术相比）1)不像波峰焊那样，要把元器件直接浸渍在熔融的焊料中，所以元器件受到的热冲击小。但由于再流焊加热方法不同，有时会施加给器件较大的热应力；2)只需要在焊盘上施加焊料，并能控制焊料的施加量，避免了虚焊、桥接等焊接缺陷的产生，因此焊接质量好，可靠性高；3)有自定位效应（selfalignment）—当元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力作用，当其全部焊端或引脚与相应焊盘同时被润湿时，在表面张力作用下，自动被拉回到近似目标位置的现象；4)焊料中不会混入不纯物，使用焊膏时，能正确地保证焊料的组分；5)可以采用局部加热热源，从而可在同一基板上，采用不同焊接工艺进行焊接；6)工艺简单，修板的工作量极小。从而节省了人力、电力、材料。4再流焊的分类1)按再流焊加热区域可分为两大类：一类是对PCB整体加热进行再流焊，另一类是对PCB局部加热进行再流焊。2)对PCB整体加热再流焊可分为：热板再流焊、红外再流焊、热风再流焊、热风加红外再流焊、气相再流焊。3)对PCB局部加热再流焊可分为：激光再流焊、聚焦红外再流焊、光束再流焊、热气流再流焊。5再流焊的工艺要求1)要设置合理的再流焊温度曲线—再流焊是SMT生产中关键工序，根据再流焊原理，设置合理的温度曲线，才能保证再流焊质量。不恰当的温度曲线会出现焊接不完全虚焊、元件翘立、焊锡球多等焊接缺陷，影响产品质量。要定期做温度曲线的实时测试。2)要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。3)焊接过程中，在传送带上放PCB要轻轻地放平稳，严防传送带震动，并注意在机器出口处接板，防止后出来的板掉落在先出来的板上碰伤SMD引脚。4)必须对首块印制板的焊接效果进行检查。检查焊接是否充分、有无焊膏融化不充分的痕迹、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况。还要检查PCB表面颜色变化情况，再流焊后允许PCB有少许但是均匀的变色。并根据检查结果调整温度曲线。在整批生产过程中要定时检查焊接质量。6影响再流焊质量的因素再流焊是SMT关键工艺之一。表面组装的质量直接体现在再流焊结果中。但再流焊中出现的焊接质量问题不完全是再流焊工艺造成的。因为再流焊接质量除了与焊接温度（温度曲线）有直接关系以外，还与生产线设备条件、PCB焊盘和可生产性设计、元器件可焊性、焊膏质量、印制电路板的加工质量、以及SMT每道工序的工艺参数、甚至与操作人员的操作都有密切的关系。(1)PCB焊盘设计SMT的组装质量与PCB焊盘设计有直接的、十分重要的关系。如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在再流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正（称为自定位或自校正效应）；相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。PCB焊盘设计应掌握以下关键要素：a对称性——两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡。b焊盘间距——确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸。c焊盘剩余尺寸——搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。d焊盘宽度——应与元件端头或引脚的宽度基本一致。图4各种元器件焊点结构示意图A——焊盘宽度AB——焊盘的长G——焊盘间距S——焊盘剩余尺寸图5矩形片式元件焊盘结构示意图以矩形片式元件为例：焊盘宽度：A=Wmax-K电阻器焊盘的长度：B=Hmax+Tmax+KH电容器焊盘的长度：B=Hmax+Tmax-KBT焊盘间距：G=Lmax-2Tmax-K式中：L—元件长度,mm；AW—元件宽度,mm；AT—元件焊端宽度,mm；GH—元件高度,mm；K—常数，一般取0.25mm。图6矩形片式元件及其焊盘示意图如果违反了设计要求，再流焊时就会产生焊接缺陷，而且PCB焊盘设计的问题在生产工艺中是很难甚至是无法解决的。例如：a当焊盘间距G过大或过小时，再流焊时由于元件焊端不能与焊盘搭接交叠，会产生吊桥、移位。图7焊盘间距G过大或过小b当焊盘尺寸大小不对称，或两个元件的端头设计在同一个焊盘上时，由于表面张力不对称，也会产生吊桥、移位。图8焊盘不对称，或两个元件的端头设计在同一个焊盘上c导通孔设计在焊盘上，焊料会从导通孔中流出，会造成焊膏量不足。图9导通孔示意图(2)焊膏质量及焊膏的正确使用焊膏中的金属微粉含量、金属粉末的含氧量、黏度、触变性都有一定要求。如果焊膏金属微粉含量高,再流焊升温时金属微粉随着溶剂、气体蒸发而飞溅，如金属粉末的含氧量高，还会加剧飞溅，形成焊锡球，同时还会引起不润湿等缺陷。另外，如果焊膏黏度过低或焊膏的保形性（触变性）不好，印刷后焊膏图形会塌陷，甚至造成粘连，再流焊时也会形成焊锡球、桥接等焊接缺陷。焊膏使用不当，例如从低温柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的温度比室温低，产生水汽凝结，再流焊升温时，水汽蒸发带出金属粉末，在高温下水汽会使金属粉末氧化，飞溅形成焊锡球，还会产生润湿不良、等问题。(3)元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘质量当元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘氧化或污染，或印制板受潮等情况下，再流焊时会产生润湿不良、虚焊，焊锡球、空洞等焊接缺陷。(4)焊膏印刷质量据资料统计，在PCB设计正确、元器件和印制板质量有保证的前提下，表面组装质量问题中有70%的质量问题出在印刷工艺。影响印刷质量的主要因素：a首先是模板质量——模板印刷是接触印刷，因此模板厚度与开口尺寸确定了焊膏的印刷量。焊膏量过多会产生桥接，焊膏量过少会产生焊锡不足或虚焊。模板开口形状以及开口是否光滑也会影响脱模质量。模板开口一定要喇叭口向下，否则脱模时会从喇叭口倒角处带出焊膏；b其次是焊膏的黏度、印刷性（滚动性、转移性）、触变性、常温下的使用寿命等都会影响印刷质量。如果焊膏的印刷性不好，严重时焊膏只是在模板上滑动，这种情况下是根本印不上焊膏的。c印刷工艺参数——刮刀速度、刮刀压力、刮刀与网板的角度以及焊膏的黏度之间都存在一定的制约关系，因此只有正确控制这些参数，才能保证焊膏的印刷质量。d设备精度方面——在印刷高密度窄间距产品时，印刷机的印刷精度和重复印刷精度也会起一定的作用。e对回收焊膏的使用与管理，环境温度、湿度、以及环境卫生，对焊点质量都有影响——回收的焊膏与新焊膏要分别存放，环境温度过高会降低焊膏黏度，湿度过大时焊膏会吸收空气中的水分，湿度过小时会加速焊膏中溶剂的挥发，环境中灰尘混入焊膏中会使焊点产生(5)贴装元器件保证贴装质量的三要素：a元件正确b位置准确c压力（贴片高度）合适。(6)再流焊温度曲线温度曲线是保证焊接质量的关键，实时温度曲线和焊膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。160℃前的升温速度控制在1℃/s~2℃/s。如果升温斜率速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件，易造成PCB变形。另一方面，焊膏中的熔剂挥发速度太快，容易溅出金属成份，产生焊锡球；峰值温度一般设定在比焊膏金属熔点高30℃~40℃左右（例如63Sn/37Pb焊膏的熔点为183℃，峰值温度应设置在215℃左右），再流时间为30s~60s。峰值温度低或再流时间短，会使焊接不充分，严重时会造成焊膏不熔。峰值温度过高或再流时间长，造成金属粉末氧化，还会增加共界金属化合物的产生，使焊点发脆，影响焊点强度，甚至会损坏元器件和印制板。设置再流焊温度曲线的依据：a不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置（主要控制升温速率、峰值温度和回流时间）。b根据PCB板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。c根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。d还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块PCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是PCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。e还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。f还要根据排风量的大小进行设置。g环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、(7)再流焊设备的质量再流焊质量与设备有着十分密切的关系。影响再流焊质量的主要参数：a温度控制精度应达到±0.1—0.2℃（温度传感器的灵敏度）；b传输带横向温差要求±5℃以下,否则很难保证焊接质量；c传送带宽度要满足最大PCB尺寸要求；d加热区长度——加热区长度越长、加热区数量越多，越容易调整和控制温度曲线。中小批量生产选择4—5温区，加热区长度1.8m左右即能满足要求。上、下加热器应独立控温，便以调整和控制温度曲线；e最高加热温度一般为300—350℃，考虑无焊料或金属基板，应选择350℃以上；f传送带运行要平稳，传送带震动会造成移位、吊桥、冷焊等缺陷；g设备应具备温度曲线测试功能，否则应外购温度曲线采集器。总结：从以上分析可以看出，再流焊质量与PCB焊盘设计、元器件可焊性、焊膏质量、印制电路板的加工质量、生产线设备、以及SMT每道工序的工艺参数、甚至与操作人员的操作都有密切的关系。同时也可以看出PCB设计、PCB加工质量、元器件和焊膏质量是保证再流焊质量的基础，因为这些问题在生产工艺中是很难甚至是无法解决的。因此只要PCB设计正确，PCB、元器件和焊膏都是合格的，再流焊质量是可以通过印刷、贴装、再流焊每道工序的工艺来控制的。焊膏熔化不完全的原因分析预防对策温度低——再流焊峰值温度低或再流时间短，造成焊膏熔化不充分。调整温度曲线，峰值温度一般定在比焊膏熔点高30℃~40℃左右，再流时间为30.再流焊炉——横向温度不均匀。一般发生在炉体较窄，保温不良的设备适当提高峰值温度或延长再流时间。尽量将PCB放置在炉子中间部位进行焊接。cPCB设计——当焊膏熔化不完全发生在大焊点，大元件、以及大元件周围、或印制板背面有大器件。1尽量将大元件布在PCB的同一面，确实排布不开时，应交错排布。2适当提高峰值温度或延长再流时间。d红外炉——深颜色吸热多，黑色比白色约高30℃~40℃，PCB上温差大。为了使深颜色周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。焊膏质量问题——金属粉含氧量高；助焊性能差；或焊膏使用不当：没有回温或使用回收与过期失效焊膏不使用劣质焊膏；制订焊膏使用管理制度：如在有效期内使用；从冰箱取出焊膏，达到室温后才能打开容器盖；回收的焊膏不能与新焊膏混装等。SMT再流焊接中常见的焊接缺陷分析与预防对策(1)焊膏熔化不完全——全部或局部焊点周围有未熔化的残留焊膏。润湿不良原因分析预防对策a元器件焊端、引脚、印制电路基板的焊盘氧化或污染，或印制板受潮。元器件先到先用，不要存放在潮湿环境中，不要超过规定的使用日期。对印制板进行清洗和去潮处理。b焊膏中金属粉末含氧量高选择满足要求的焊膏c焊膏受潮、或使用回收焊膏、或使用过期失效焊膏回到室温后使用焊膏，制订焊膏使用条例。(2)润湿不良——又称不润湿或半润湿。元器件焊端