第1章 再流焊接技術(shù)概論

1.1 定義和特征

1.1.1 定義

再流焊接是通過加熱將覆有焊膏區(qū)域內(nèi)的球形粉粒狀釬料熔化、聚集，并利用表面吸附作用和毛細(xì)作用將其填充到焊縫中而實現(xiàn)冶金連接的工藝過程。

隨著PCB安裝方法由傳統(tǒng)的穿孔插入安裝（THT）方式迅速向表面安裝（SMT）方式轉(zhuǎn)變，再流焊接法也正迅速發(fā)展成為現(xiàn)代電子設(shè)備自動化軟釬接（以下均簡稱焊接）的主流技術(shù)之一。

1.1.2 特征

（1）主要工藝流特征

再流焊接法的主要工藝特征是：先將膏狀釬料印涂在PCB基板的焊盤區(qū)域，再將SMC/SMD搭載在膏狀釬料上，并靠膏狀釬料的黏性將其定位和固定。再加熱使膏狀釬料熔化，依靠重熔釬料自身的潤濕力和表面張力將SMC/SMD的電極與焊盤熔合在一起，從而完成焊點(diǎn)的連接過程。其主要工藝流程如圖1.1所示。

（2）再流焊接的物理過程

當(dāng)將焊膏置于一個加熱的環(huán)境中時，焊膏再流分為5個階段。

① 首先，用于調(diào)節(jié)所需黏度和印刷性能的溶劑開始蒸發(fā)，溫度上升必須慢（大約3℃/s），以限制沸騰和飛濺，防止形成小釬料珠。另外，一些元器件對內(nèi)部應(yīng)力比較敏感，如果元器件外部溫度上升太快，會造成斷裂。

② 助焊劑開始激活，化學(xué)清洗行為開始，水溶性助焊劑和免洗型助焊劑都會發(fā)生同樣的清洗行動，只不過溫度稍微不同。將金屬氧化物和某些污染物從即將結(jié)合的金屬和釬料顆粒上清除，以獲得冶金學(xué)上所要求的良好焊點(diǎn)的清潔表面。

③ 當(dāng)溫度繼續(xù)上升時，釬料顆粒首先單獨(dú)熔化，并通過表面的芯吸過程聚合在一起，以有利于在所有可能的表面上覆蓋，并開始形成焊點(diǎn)。

④ 當(dāng)單個的釬料顆粒全部熔化后聚合在一起形成液態(tài)釬料時，表面張力發(fā)揮作用開始形成焊腳表面，如果元器件引腳與PCB焊盤的間隙超過0.1mm，則極可能由于表面張力使引腳和焊盤分開，即造成焊點(diǎn)開路。

⑤ 冷卻階段，如果冷卻快，焊點(diǎn)強(qiáng)度會稍微大一點(diǎn)，但不可太快以避免引起元器件內(nèi)部的溫度應(yīng)力。

（3）焊膏的再流行為

再流焊接過程中焊膏的再流行為，對焊接效果有決定性意義。對焊膏的再流行為的描述如下。

① 室溫——穩(wěn)定印刷，粉粒間的助焊劑固住釬料粉粒。

② 大約90℃——膠黏劑迅速丟失，樹脂軟化變成流體，可塑性樹脂熔解。

③ 大約150～170℃——樹脂熔化流動；金屬表面被潔凈，并迅速地再氧化；溶劑丟失現(xiàn)象變得非常明顯。

④ 釬料合金熔化——釬料粉結(jié)合；釬料合金在已有助焊劑的基體金屬表面潤濕，釬料以毛細(xì)方式進(jìn)行流動。

⑤ 室溫——在冷卻期，釬料氧化；樹脂殘留物固化。

（4）再流焊接過程中的溫度特性

一種焊膏在再流過程中溫度曲線的建立，是在綜合考慮了焊膏、PCB和設(shè)備等諸因素之后的結(jié)果。對不同廠家生產(chǎn)的焊膏、不同的再流設(shè)備及不同的組裝件，其再流的溫度曲線都不是唯一的。盡管其曲線形狀各有差異，但通常其溫度區(qū)域的劃分大致如圖1.2所示。

① A區(qū)（初始溫度爬升區(qū)）。設(shè)置A區(qū)的目的是將PCB的溫度盡快地從室溫提升到預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度通常是略低于釬料的熔點(diǎn)溫度。升溫階段的一個重要參數(shù)是升溫速率，最理想的溫度上升速率是2～4℃/s。上升速率太快易對PCB和元器件造成傷害甚至導(dǎo)致助焊劑發(fā)生爆噴；上升速度過慢，則溶劑揮發(fā)不充分。由于助焊劑中的溶劑都是高沸點(diǎn)物質(zhì)，不可能快速地蒸發(fā)掉。加熱速率通常受到元器件制造商推薦值的限制，為防止熱應(yīng)力對元器件的損傷，一般規(guī)定最大速率不能超過4℃/s，持續(xù)時間應(yīng)在2min以內(nèi)。

這一階段PCB上不同的元器件的升溫速率會有所不同，從而導(dǎo)致基板面上溫度分布梯度的存在。但在此階段，溫度梯度的存在并無多大妨礙，因為此時所有點(diǎn)的溫度均在釬料熔點(diǎn)溫度之下。

② B區(qū)（溫度滲透區(qū)或保溫區(qū)）。設(shè)置溫度滲透區(qū)的目的是：確保整塊PCB在進(jìn)入再流焊的釬料熔化區(qū)之前，其上的溫度達(dá)到均勻一致。如果PCB是單一簡單的設(shè)計，那么，在再流中熱傳導(dǎo)率是非常均勻的，此時就可以不需要溫度滲透區(qū)。但是，通常情況是PCB上其中某一部分比另一部分更熱。為了能讓溫度變得均勻，就不得不讓溫度保持為一個接近恒定的值，讓較冷的部位通過熱傳導(dǎo)作用與較熱的部分溫度相同。對于溫差小的PCB，可能只需設(shè)定一個滲透區(qū)；而對于復(fù)雜的PCB，則可能需要2個甚至3個滲透區(qū)。否則，在進(jìn)入“釬料熔化區(qū)”前的滲透時間將不得不加長。PCB達(dá)到釬料合金熔點(diǎn)時所需要的時間，要保證助焊劑溶劑得到足夠的蒸發(fā)，同時保證樹脂和活性劑能夠充分發(fā)揮作用來清理焊接區(qū)域以便去除其上的氧化膜。

決定溫度滲透次數(shù)和位置的主要因素是PCB的設(shè)計和再流爐能提供的熱對流程度。一般選擇溫度為70℃、100℃和150℃。通常保溫區(qū)的溫度范圍可從120～175℃升至焊膏熔點(diǎn)的區(qū)域，此時，焊膏中的揮發(fā)物被去除，助焊劑被激活。理想情況是：到保溫區(qū)結(jié)束時，焊盤、釬料球及元器件引腳上的氧化物均被除去，整個PCB的溫度達(dá)到平衡。保溫區(qū)的持續(xù)時間一般為80～90s，最大不要超過2min。

③ C區(qū)（釬料熔化區(qū)或再流區(qū)）。使PCB達(dá)到焊膏中釬料粉末熔點(diǎn)以上的“釬料熔化區(qū)”（以下簡稱“再流區(qū)”）是再流焊接溫度曲線的心臟區(qū)域。PCB上任何沒有達(dá)到釬料合金熔點(diǎn)的部位都將得不到釬接，而超過熔點(diǎn)太多的部位可能要承受熱損傷，還可能引起焊膏殘留物燒焦、PCB變色或元器件失去功能。超過釬料熔點(diǎn)溫度的目的是使釬料粉粒集合成一個球，潤濕被焊金屬的表面。潤濕是通過快速發(fā)生的毛細(xì)注入現(xiàn)象來完成的。當(dāng)然，由于所有金屬表面的氧化物和再流焊爐中的氧的妨礙，粉末釬料再流時的聚集和潤濕過程是在焊膏中助焊劑的幫助下進(jìn)行的，溫度越高，助焊劑效率就越高，但再氧化速度也越快。

釬料合金的黏度和表面張力隨溫度的提高而下降，這有利于促進(jìn)釬料更快地潤濕。因此，理想再流焊接是峰值溫度與釬料熔融時間的最佳組合。設(shè)立的溫度曲線目標(biāo)是要盡力使溫度曲線的“再流區(qū)”覆蓋的體積最小。如有鉛釬料Sn37Pb等合金的典型溫度峰值范圍為210～230℃，釬料熔融時間為30～60s，最長不得超過1.5min。要特別注意的是：在再流焊接中進(jìn)入“再流區(qū)”開始前，應(yīng)盡可能使PCB上的每一個部位都趨于相同的溫度是非常重要的。在再流區(qū)時間過短，助焊劑未完全消耗，焊點(diǎn)中會含有雜質(zhì)，易產(chǎn)生焊點(diǎn)失效等問題；若時間過長，則焊點(diǎn)中會形成過量的金屬間化合物而使焊點(diǎn)變脆，對元器件形成熱劣化。

④ D區(qū)（釬料凝固區(qū)或冷卻區(qū)）。焊膏中的釬料粉末一旦已熔化，并且已潤濕了被焊的基體金屬表面，應(yīng)盡可能快地冷卻，這樣，就可獲得光亮、敷形好、接觸角小的優(yōu)良焊點(diǎn)。緩慢冷卻將使更多的基體金屬溶入釬料，生成粗糙而暗淡的焊點(diǎn)，在極端情況下，還可能溶解所有的基體金屬，導(dǎo)致不潤濕和不良的結(jié)合強(qiáng)度。基于上述因素，冷卻速度快些較好，例如5℃/s。然而冷卻過快又易形成熱應(yīng)力而損壞元器件，因此冷卻速度又不希望超過4℃/s。故必須根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場具體情況，靈活運(yùn)用，折中處理。