热风回流焊接工艺和设备

1、第一章 热风回流焊的设备结构 1.1 总体结构 热风回流焊炉总体结构主要分为加热区，冷却区，炉内气体循环装置，废气排放装置以及PCB传送等五大主体部分。见图3：     炉体分为上下两个密封箱体，中间为传送带。部分炉体的长短主要根据加热区和冷却区的多少而不同，目前的回流炉的加热区有410个区不等，冷却区有12个区不等，也有的炉不带冷却区，让PCB板出炉后在空气中自然冷却。每个温区的温度可编程设定，一般可设温度范围从室温到275度左右（视厂家设定），回流焊炉另一个重要的区别在于它是否具备进行充氮气焊接的能力，或是只能在空气环境下焊接。用户一般可根据自己的用

2、途来选择炉体的长短和炉子的气体环境要求。 1.2 加热区结构 1.2.1 加热区结构     炉体内每一个加热区的结构都是一样的。见图4。在上下加热区各有一个马达驱动叶轮高速旋转，产生空气或氮气的吹力。气体经加热丝或其它材料加热后，从多孔板里吹出，打到PCB板上。有的回流炉的马达转速是可编程调节的，如VITRONICS，可从10003000RPM，而有的炉是厂家出厂时已固定的，如BTU炉厂家出厂时已定为最高转速约3000RPM。马达转速越快，风力越大，热交换能力越强。通过测量气体吹出的风压，可以监控马达的运转是否正常。由于回流过程中锡膏中助焊剂的挥发，可

3、能凝结在叶轮上，降低风的效率，导致温度回流曲线的减低。因此有必要定期检查和清洁叶轮。 图4 加热区的结构 1.2.2 温度控制 回流炉的每一个加热区的温度控制都是独立的闭环控制系统。温度控制器通过PID控制把温度保持在设定值。温度传感器采用的热偶线装在多孔板的下面，感应气流的温度。见图5。     如果加热区的温度出现异常，例如不加温，或加温缓慢，一般需要检查固态继电器是否正常，加热区的加热器是否老化需要更换（一般使用多年的回流炉容易出现这个问题）。若出现温度显示错误，一般是热偶线已损坏。 1.3 冷却区结构 PCB板经过回流焊接后，必须立即进行冷却，才

4、能得到很好的焊接效果。因此在回流焊炉的最后都是有一个冷却区。冷却区的结构是一个水循环的热交换器。冷却风扇把热气吹到循环水换热器后，经降温的气体再打到PCB板上。热交换器内的热量经循环水带走，循环水经降温后再流回换热器。见图6。     由于在冷却系统中，助焊剂（Flux）容易凝结，因此必须定期检查和清洁助焊剂过滤器上的助焊剂，否则热循环效率的下降会减低冷却系统的效率，使冷却变差，导致产品的焊接质量下降。过热焊接的PCB板的长期稳定性会下降。 虽然不同厂家的回流炉的冷却区的结构不尽相同,但基本的原理是一样的。冷却区一般有双面冷却和单面冷却两种结构。单面冷却

5、是指只在传送带的上面装有冷却系统，而双面冷却在传送带上下两面都有冷却系统。图7.1和7.2 是BTU炉的结构。由图中可以看出冷却区由热交换器和冷却风扇组成。一般来讲，用单面的冷却就可以满足普通电子产品的冷却需要。 图7.1 冷却区的双面冷却结构 图7.2 冷却区的单面冷却结构 1.4 气体控制     气体控制包括两个方面，一个是回流焊接需要气体的加入和炉内废气的排放。气体注入分为两种一种是氮气（N2），另一种是压缩空气。氮气炉一般密封极严，以防止炉外的氧气进入炉体。氧气含量是氮气炉的关键，它的大小影响到元件焊接质量。通过炉体采样气口连接氧气含量测试仪可

6、以精确测量炉区内氧气含量。一般好的炉内的氧含量能低于50PPM6。当不需要使用氮气时，炉内应注入压缩空气保持炉内的气体需要。炉内废气（包括助焊剂的挥发物，回流焊接产生的废烟）应不断地排出炉外以维护炉内的正常气体环境和保护操作工的健康。炉体的排气管应与整个工厂的排气装置相连。 1.5 传送带结构 回流炉的产品传送装置一般有两类，一种是网式传送带，一种是轨道式传送带。根据产品需要用户可自己选择。一般的回流炉同时带有这两种传送带，为方便用户使用。传送带的转速是可编程确定的。由于带速直接影响回流焊接的温度曲线。因此带速的稳定性是至关重要的。回流焊接炉的带速控制也是闭环控制系统。见图8。通过控制传送带的

7、驱动马达的转速来控制带速。     除了带速的稳定性外，传送带的机械运动的平稳性也很重要。因为在回流焊正在融化过程时，传送带的振动都会带来焊接缺陷，如元件偏位，焊接虚焊，掉件等问题。保证机械平稳的关键在于传送机构的维护保养的好坏。如链条和齿轮的清洁、润滑，直流电机的电刷的保养等都非常重要。传送带一般还配有不间断电源（UPS），它可以在整个炉子电源意外中断时，维持传送带运行510分钟，直到把炉内的所有的PCB板送出，避免发生烧板事故。 第二章 热风回流焊接的原理 2.1 回流焊接的过程 回流焊的基本原理比较简单，它首先对PCB板的表面贴装元件（SMD）焊盘

8、印刷锡膏，然后通过自动贴片机把SMD贴放到预先印制好锡膏的焊盘上。最后，通过回流焊接炉，在回流焊炉中逐渐加热，把锡膏融化，称为回流（Reflow），接着，把 PCB板冷却，焊锡凝固，把元件和焊盘牢固地焊接到一起（见图9）。在回流焊中，焊盘和元件管脚都不融化。这是回流焊（Reflow Soldering）与金属融焊（Welding）的不同。 深入的了解回流焊就必须从焊锡膏的作用原理和焊接过程中发生的物理化学变化入手。锡膏的成分主要锡铅合金的粉末和助焊剂混合而成。在受热的条件下，融化的焊锡材料中的锡原子和焊盘或焊接元件（主要成分是铜原子）的接触界面原子相互扩散，形成金属间化合物（IMC），首先形成

9、的Cu6Sn5，称n-phase，它是形成焊接力的关键连接层， 只有形成了 n-phase，才表示有真正的可靠焊接。随着时间的推移，在n-phase和铜层之间中会继续生成Cu3Sn，称为-phase，它将减弱焊接力量和减低长期可靠性。在焊点剖面的金相图中，可以清楚地看到这个结构。 （见图10） 图10 电子扫描显微镜（SEM）显示的Cu-Sn IMC     金属间化合物是焊点强度的关键因素，因此许多人员专门研究金属间化合物的变化对焊点的长期可靠性带来的影响 410。     为了保护焊盘或元件管脚的可焊性，一般它

10、们表面都镀有锡铅合金层或有机保护层。对非铜的金属材料的管脚一般在管脚镀层和金属之间加有镀镍层作为阻断层防止金属扩散。这个镍镀层还用来阻挡与焊锡不可焊或不相容的金属与焊锡层的接触 5。另一个有关镀层的问题是关于镀金层的问题，有文章5指出如果焊点中金的成分达到34%以上，焊点有潜在的脆性增大的危险。 2.2 回流焊温度曲线     要得到好的回流焊接效果必须有一个好的回流温度曲线（Profile）。那么什么是一个好的回流曲线呢？一个好的回流曲线应该是对所要焊接的PCB板上的各种表面贴装元件都能够达到良好的焊接，且焊点不仅具有良好的外观品质而且有良好的内在品质

11、的温度曲线。 2.2.1 回流炉的参数设定     要得到一个炉温曲线首先应给回流炉一个参数设定。回流炉的参数设定一般称为Recipe。Recipe一般包括炉子每区的温度设定，传送带带速设定，以及是使用空气还是氮气。下表是BTU炉的一个Recipe的设定。 温度设定：（单位：） 1T2T3T4T5T6T7T1901701501501752352551B2B3B4B5B6B7B190170150150175235255带速设定：（单位：cm/分） 传送带带速75气体设定： 氮气Off空气On    表中1T7T，1B

12、7B分别表示回流炉上下温区的温度设定，传送带带速为75 cm/分，焊接环境使用空气，不使用氮气。     设定一个回流曲线要考虑的因素有很多，一般包括： 所使用的锡膏特性，PCB板的特性，回流炉的特点等。下面分别讨论。 2.2.2 锡膏特性与回流曲线的重要关系     锡膏特性决定回流曲线的基本特性。不同的锡膏由于助焊剂（Flux）有不同的化学组分，因此它的化学变化有不同的温度要求，对回流温度曲线也有不同的要求。一般锡膏供应商都能提供一个参考回流曲线，用户可在此基础上根据自己的产品特性优化。 图11是一个典型的Sn

13、63/Pb37锡膏的温度回流曲线6（P3-7）。 以此图为例，来分析回流焊曲线。它可分为4个主要阶段： 1）把PCB板加热到150左右，上升斜率为1-3 /秒。 称预热（Preheat）阶段； 2）把整个板子慢慢加热到183 。称均热（Soak或Equilibrium）阶段。时间一般为60-90秒。 3）把板子加热到融化区（183 以上），使锡膏融化。称回流（Reflow Spike）阶段。在回流阶段板子达到最高温度，一般是215 +/-10 。回流时间以45-60秒为宜，最大不超过90秒。 4）曲线由最高温度点下降的过程。称冷却（Cooling）阶段。一般要求冷却的斜率为2 -4/秒。 图1

14、1 典型的回流焊接温度曲     预热阶段的目的是把锡膏中较低熔点的溶剂挥发走。锡膏中助焊剂的主要成分包括松香，活性剂，黏度改善剂，和溶剂。溶剂的作用主要作为松香的载体和保证锡膏的储藏时间。预热阶段需把过多的溶剂挥发掉，但是一定要控制升温斜率，太高的升温速度会造成元件的热应力冲击，损伤元件或减低元件性能和寿命，后者带来的危害更大，因为产品已流到了客户手里。另一个原因是太高的升温速度会造成锡膏的塌陷，引起短路的危险，尤其对助焊剂含量较高（达10%）的锡膏5。     均热阶段的设定主要应参考焊锡膏供应商的建议和PCB

15、板热容的大小。因为均热 阶段有两个作用，一个是使整个PCB板都能达到均匀的温度（175左右），均热的目的是为了减少进入回流区的热应力冲击，以及其它焊接缺陷如元件翘起，某些大体积元件冷焊等。均热阶段另一个重要作用就是焊锡膏中的助焊剂开始发生活性反应，增大焊件表面润湿性能（及表面能），使得融化的焊锡能够很好地润湿焊件表面。由于均热段的重要性，因此均热时间和温度必须很好地控制，既要保证助焊剂能很好地清洁焊面，又要保证助焊剂到达回流之前没有完全消耗掉。助焊剂要保留到回流焊阶段是必需的，它能促进焊锡润湿过程和防止焊接表面的再氧化。尤其是目前使用低残留，免清洗（no-clean）的焊锡膏技术越来越多的情况

16、下，焊膏的活性不是很强，且回流焊接的也多为空气回流焊，更应注意不能在均热阶段把助焊剂消耗光。     回流阶段，温度继续升高越过回流线（183），锡膏融化并发生润湿反应，开始生成金属间化合物层。到达最高温度（215 左右），然后开始降温，落到回流线以下，焊锡凝固。回流区同样应考虑温度的上升和下降斜率不能使元件受到热冲击。回流区的最高温度是由PCB板上的温度敏感元件的耐温能力决定的。在回流区的时间应该在保证元件完成良好焊接的前提下越短越好，一般为30-60秒最好，过长的回流时间和较高温度，如回流时间大于90秒，最高温度大于230度，会造成金属间化合物层增厚

17、，影响焊点的长期可靠性4。     冷却阶段的重要性往往被忽视。好的冷却过程对焊接的最后结果也起着关键作用。好的焊点应该是光亮的，平滑的。而如果冷却效果不好，会产生很多问题诸如元件翘起，焊点发暗，焊点表面不光滑，以及会造成金属间化合物层增厚等问题。因此回流焊接必须提供良好的冷却曲线，既不能过慢造成冷却不良，又不能太快，造成元件的热冲击。 2.2.3 PCB板的特性与回流曲线的关系     回流曲线的设定，与要焊接的PCB板的特性也有重要关系。板子的厚薄，元件的大小，元件周围有无大的吸热部件，如金属屏蔽材料，大面积的

18、地线焊盘等，都对板子的温度变化有影响。因此笼统地说一个回流曲线的好坏是无意义的。一个回流曲线必须是针对某一个或某一类产品而测量得到的。因此如何准确测量回流曲线，来反映真实的回流焊接过程是非常重要的。常用的测量回流焊曲线的方法有三种： 1）用回流炉本身配备的长热偶线（一般常用的工业标准是K型热偶线），热偶线的一端焊接到PCB板上，另一端插到设备的预设热偶插口上。把板放进炉内，当板子从炉另一端出来时，用热偶线把板子从出口端拉回来。在测量的同时温度曲线就可显示到设备的显示器上。一般回流炉 都带有多个K型热偶插口，因此可连接多根热偶线，同时测量PCB板几个点的温度曲线。 2）用一个小的温度跟踪记录器。

19、它能够跟随待测PCB板进入回流炉。记录器上也有多个热偶插口，可因此可连接多根热偶线。记录器里存放的温度数据，只有在出炉后，才可输到电脑里分析或从打印机中输出。 3）带无线数据传输的温度跟踪记录器。与第2种方法相同，只是多了一个无线传输功能。当它在炉内测温时，在存储温度数据的同时把数据用无线方式传到外面的接受器上，接受器与电脑相连。 三种方法本质都是一样的，用户可根据习惯来选择采用那种方法。热偶线的安装有一般两种，一是高温焊锡丝，温度在300以上（高于回流最高温度）。 另一种方法是用胶或是高温胶带把它粘住。这样热偶线就不会在回流区脱落。焊点的位置一般为选取元件的焊脚和焊盘接触的地方。焊点不能太大

20、，     以焊牢为准。焊点大，温度反应迟后，不能准确反映温度变化，尤其是对QFP等细间距焊脚。对特殊的器件如BGA还需要在PCB板下钻孔，把热偶线穿到BGA下面。图12说明了QFP和BGA元件的热偶线焊接方法。热偶线的安装位置一般根据PCB板的工艺特点来选取，如双面板应在板上下都安装热偶线，大的IC芯片脚要安装，BGA元件要安装，某些易造成冷焊的元件（如金属屏蔽罩周围，散热器周围元件）一定要放置。还有就是你认为要研究的焊接出了问题的元件。 2.2.4 回流炉设备的特点与回流曲线的关系     因为回流曲线的实现是

21、在回流炉中完成的，因此它与回流炉的具体特点有关。不同的炉因加热区的数目和长短不同，气流的大小不同，炉温的容量不同，对回流曲线都会造成影响。设备对回流曲线的影响可归纳为下面几点： 1）加热区数目的因素。     对加热区多的回流炉（8个加热区），由于每一个炉区都能单独设定炉温，因此调整回流温度曲线比较容易。对要求较复杂的回流曲线同样可以做到。但短炉子（4个加热区），因为它只有四个可调温区，要想得到复杂的曲线比较难，但对于没有特别要求的SMT焊接，短炉子也能满足要求，而且价钱便宜。另一个方面，长炉子的优点是传送带的带速可以比短炉子提高至少1倍以上，这样长炉的

22、产量至少能达到短炉的1倍以上。当大批量生产线追求产能时，这一点是至关重要的。 2）热风气流的因素。     由于目前大多数回流炉以风扇强制驱动热风循环为主，因此风扇的转速决定了风量的大小。在相同的带速和相同的温度设定下，风扇的转速越高，回流曲线的温度越高。当风扇马达出现故障时，如停转，即使炉温显示正常，炉温的曲线测量也会比正常曲线低很多，若故障马达在回流区，则PCB板极易产生冷焊，若故障马达在冷却区，则PCB板的冷却效果就下降。因此对马达转速是可编程调节的回流焊接炉，如VITRONICS，风扇的转速也是需要经常检查的参数之一。 3）炉温的容量的因素。 &

23、#160;   回流焊接有时会出现这样的现象，当焊接一块小尺寸的PCB板时，焊接结果非常好，而焊接一块大尺寸的PCB板时，某些温区炉温会出现稍微下降的现象。这就是由于大板子吸热较多，炉子的热容量不足引起的。一般可以通过加大风扇转速来调节。但是炉温的容量主要是由炉体结构，加热器功率等设计因素决定的，因此是炉子厂家设计时已经固定了的。用户在选择回流炉时必须考虑这个因素。热容量越大越好，当然炉子消耗的功率也越多。 2.3 氮气回流焊与空气回流焊     氮气回流焊的使用主要是为了增强焊接质量，使焊接发生在氧含量极少（100PPM）

24、以下的环境下，可避免元件的氧化问题。因此氮气回流焊的主要问题是保证氧气含量越低越好。氧含量的控制对用户来讲主要是保证氮气气源的纯度，一般工业用氮气纯度可达5PPM，炉内氧含量主要跟炉子的密封设计的好坏有关。炉体由于两边的进出板口会漏空气进入，因此两边的氧含量会比炉体中间区高。许多文章都专门讨论过对氧含量对焊接的影响。 但随着焊锡膏技术和元件焊脚镀层技术的不断更新，空气中回流的焊接已经占据了主流。因为空气焊接有许多优点例如取消氮气，降低成本；气体控制无需再考虑氧含量的控制；炉子的造价下降。因此目前多数的回流焊接都在使用空气回流焊，只有个别的特别怕氧化的元件才考虑用氮气焊接。 第三章 回流焊的缺陷

25、和焊接质量检验 3.1 回流焊的常见缺陷和可能原因     回流焊的焊接质量检验标准一般可采用IPC标准IPC-A-610，电子装联的接受标准8。其中包括了SMT焊接元件的焊接检验标准。     回流焊常见的缺陷一般的原因和建议解决措施可归纳为下表，可同时参考IPC-S-8169： 缺陷种类可能原因解决办法冷焊 Cold solder1、回流曲线的回流时间太短。 2、PCB板有大的吸热元件如屏蔽罩，大的地线层。1、确认回流曲线的融化时间 2、加大温度，从新测量Profile。焊点不亮 Dim solder1、Pro

26、file的均热区温度过低，阻焊剂活性未充分作用。 2、冷却不好。 3、锡膏可能过期或储藏有问题。1、增大回流区温度。 2、检查冷却区温度曲线是否有变化。 3、检查锡膏。细间距连焊 Bridging1、锡膏太高。 2、 钢网开孔太大。 3、元件贴放偏位。 4、被无意碰到或振动。1、检查锡膏高度，或降低钢网厚度。 2、减小钢网开孔。 3、检查贴片位置。 4、查碰件或振动的原因。焊点锡不足 Insufficient solder1、锡膏太低。 2、钢网开孔太小。 3、钢网堵孔。 3、元件润湿性太强，把焊锡全部吸走。1、 检查锡膏高度。 2、加大钢网开孔。 3、清洁钢网。 3、检查元件可焊性。锡珠 S

27、older ball1、回流曲线不好，发生溅锡。 2、锡膏本质不好，易发生锡珠问题。 3、锡膏氧化 4、锡膏印的太高，太宽，覆盖到焊盘外。 5、焊盘设计问题。 6、PCB板有湿气。1、检查回流曲线的斜率，以及均热时间。 2、换锡膏。 3、换锡膏。 4、缩小钢网开孔。 5、修改焊盘设计。 6、预先烘PCB板。元件未上锡 Non-wetting 或De-wetting1、元件可焊性差。 2、元件或焊盘被污染。 3、元件镀层太薄，被焊锡吃光。1、检查元件可焊性。 2、检查污染源。 3、更换元件。元件翘起 Tomestone1、元件偏位，造成两端焊锡的张力不一致。 2、两边焊盘大小不一致。 3、焊盘大

28、小距离设计有问题。 4、锡膏太高，增加两边的张力。 5、回流曲线不合理。如均热时间不够，元件两边焊锡不能同时熔化。 6、元件本身两端润湿速率不一致。1、把元件贴正。 2、该焊盘设计。 3、该焊盘设计。 4、减低锡膏。 5、调整Profile。 6、更换元件。元件或焊点裂 Cracked Componet/Solder1、冷却不好。 2、在贴片机损坏。 3、温度太高。 4、元件吸潮。1、检查Profile。 2、检查贴片机。 3、检查Profile。 4、预先烘元件。焊点有空洞 Voids1、锡膏预热和均热不够。 2、锡膏本质不好，溶剂不能充分挥发。1、检查Profile。 2、更换锡膏。3.2

29、 回流焊后的质量检验方法     回流焊的焊接质量的方法目前常用的有目检法，自动光学检查法（AOI），电测试法（ICT），X-光检查法，以及超声波检测法。 1）目检法     简单，低成本。但效率低，漏检率高，还与人员的经验和认真程度有关。 2）自动光学检查法（AOI）     自动化。避免人为因素的干扰。无须模具。可检查大多数的缺陷，但对BGA，DCA等焊点不能看到的元件无法检查。 3）电测试法（ICT）     自动化。可以检查各种

30、电气元件的正确连接。但需要复杂的针床模具，价格高，维护复杂。对焊接的工艺性能，例如焊点光亮程度，焊点质量等无法检验。另外，随着电子产品装连越来越向微型化，高密度以及BGA，CSP方向发展，ICT的测针方法受到越来越多的局限。 4）X-光检查法     自动化。可以检查几乎全部的工艺缺陷。通过X-Ray的透视特点，检查焊点的形状，和电脑库里标准的形状比较，来判断焊点的质量。尤其对BGA，DCA元件的焊点检查，作用不可替代。无须测试模具。但对错件的情况不能判别。缺点价格目前相当昂贵。 5）超声波检测法     自动化。

31、通过超声波的反射信号可以探测元件尤其时QFP，BGA等IC芯片封装内部发生的空洞，分层等缺陷。它的缺点是要把PCB板放到一种液体介质才能运用超声波检验法。较适合于实验室运用。 对于各种检查方法，既各有特色，又相互覆盖，它们的相互关系可用图13 来说明。 由图中可以看出，BGA，元件外观，及元件值的检验分别为X光，自动光学，及ICT检测法特有的检查手段，其余的功能都相互有交叉。例如，用光学检查方法解决表面可见的焊盘焊点和元件对错识别，用X-Ray检查不可见的元件焊点如BGA，DCA，插件过孔的焊锡情况，但如果不用ICT，元件值错无法检查；又例如，用ICT检查开路，短路等电性能，用X-Ray检查所

32、有元件的焊点质量，但如果不用光学检查仪对外观破损的元件亦无法检验。 因此，只有综合使用或根据产品具体情况来安排检查方法才能得到满意的检查结果。 第四章 回流焊的发展方向 4.1 回流焊设备的发展     回流焊的演变始终是跟随电子装联技术的发展而变化的。从目前的电子装联技术发展方向看，元件正在朝小型化，超小型化发展，而电路板装联则向高密度方向发展。随着进入信息时代，这种趋势在便携计算机，个人通讯工具等高科技领域更加显著。分离元件如阻容元件，从0805，到0603，再到0402（1.0mmX0.5mm),甚至更小到0302，0201、现在也有人尝试把小元件

33、直接做在PCB板上。对IC芯片，半导体的集程度越来越高，从大规模集成电路（VLSI），到超大规模集成电路（ULSI）。同时IC封装尺寸越来越小，管脚越来越多，在细间距IC（Pitch<0.5mm）发展到极限时，又引入了BGA，Flip-Chip，CSP工艺，它是一种硅片级的尺寸封装技术，目的都是尽量减少占用面积，增加贴装密度。这种工艺的进步，使得人们可以制造出体积更小，功能更强大的电子设备。     因此，回流焊如何去适应这种变化便是将来回流焊工艺的要求。例如现在的加热方式是否能满足超小元件的焊接，热风吹力是否影响元件的稳定，对BGA类的焊点在元件

34、下面的焊接，会产生什么样的问题。这些都是回流焊应解决的问题。     从表面上看，回流炉应该满足某一条给定的曲线,这条曲线是为了满足焊膏的要求，然而这是对回流炉最低的要求，更重要的是： （1）减小印制板上各部分的温度差异 （2）使工艺具有重现性。     元件的发展趋势发挥了重要的作用，第一；大元件与小元件对于热量的需求差异很大，第二；贴片机贴片速度的提高对回流炉的产出效率提出了更高的要求 而且，随着元件的焊点尺寸的进一步减小，金属间化合物变得更加关键， 这就要求单板上的T的值最小。大的T对焊接时间的影响特别大，T越小，要达到焊膏液态温度以上的时间越短。众所周知，在受到外力的情况下，金属扩散物质的量与焊点的