锡膏工艺回流温度曲线的设定与测量模板.doc

锡膏回流温度曲线设定和测量
摘要：回流焊接是表面组装技术（SMT）中所特有工艺。本文关键介绍了锡膏工艺回流温度曲线设定方法和回流温度曲线测量方法。

关键词: 温度曲线、回流焊、温区

引言:
自80年代以来，电子产品以惊人速度向轻薄短小和高性能化方向发展，在这个过程中表面组装技术(SMT)普及应用起了关键作用。在现在业内印刷和贴片设备、技术相差不大情况下，回流焊接技术好坏对于最终产品质量和可靠性显得至关关键。所以对回流焊工艺进行深入研究、开发合理回流焊温度曲线,是确保表面组装质量关键步骤。

回流焊设备发展
在电子行业中，大量表面组装组件(SMA)经过回流焊进行焊接，现在回流焊设备种类以热传输方法划分有红外线、全热风、红外线加热风三种类型。

u 红外线：红外线回流焊是以红外线辐射方法实现被焊元器件加热焊接方法。含有加热快，节能，运行平稳特点。但因为印刷线路板及多种元器件因材质，色泽不一样对红外线辐射热吸收率存在着很大差异，所以造成印刷线路板上多种不一样元件之间，和相同元件不一样区域之间存在温度不均匀现象。

u 全热风：全热风回流焊是经过对流喷射管嘴或耐热风机来迫使炉内热气流循环，从而实现被焊元器件加热焊接方法。这种加热方法印刷线路板上元器件温度靠近设定加热温区气体温度，完全克服了红外线回流焊温差和遮蔽效应，但在全热风回流焊设备中循环气体对流速度至关关键,为确保炉内循环气体能够作用于印刷线路板上每一个区域，气流必需含有足够速度，这在一定程度上易造成印刷线路板抖动和元器件移位。另外这种加热方法就热交换而言效率差、能耗高。

u 红外加热风：红外加热风回流焊是在红外线加热基础上追加了热风循环，经过红外线和热风双重作用来实现被焊元器件加热焊接方法。这种加热方法使炉内温度更均匀，充足利用了红外线穿透力强，含有热效率高，能耗低特点，同时又有效地克服了红外线加热方法温差和遮蔽效应，填补了热风加热方法对气体流动速度要求过快而造成不良影响。

温度曲线
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t
温度曲线是施加于装配元件上温度对时间函数Y=F(T)，表现为回流过程中印刷线路板上某一给定点温度随时间改变一条曲线。图 1 所表示，（图 1 给出是一条较经典RSS温度曲线）。图中横轴是时间，纵轴是温度，曲线Y是一条随时间增加温度不停发生改变曲线。曲线Y在OtT坐标系中所包围面积为被测点在整个回流焊接过程中所接收到能量总和。用能量概念表示温度曲线函数为 Y=∫ d(T)。温度曲线又可分为 RSS曲线和RTS曲线。
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图 1
温度T
时间t
Y=F（T）

u RSS曲线：（图2）是一个由升温、保温、回流、冷却四个温度区间组成温度曲线。其每个温度区间在整个回流焊接过程中饰演着不一样角色。升温区：经过缓慢加热方法使印刷线路板从室温加热至135-170℃（SN63/PB37），升温速度通常在1-3℃/S。保温区：经过保持相对稳定温度使锡膏内助焊剂发挥作用并合适散发。回流区：炉内温度达成最高点，使锡膏液化，印刷线路板焊盘和元器件焊极之间形成合金，完成焊接过程。冷却区：对完成焊接印刷线路板进行降温。

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图 2
温度T
时间t
升温区
保温区
回流区
冷却区

u RTS曲线：（图3）是一个从升温至回流温度曲线。可分为升温区和冷却区。升温区：占整个回流焊接过程2/3，速度平缓通常为0.5-1.5℃/S。使印刷线路板温度从室温升至峰值温度。冷却区：对完成焊接印刷线路板进行降温。
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图 3
温度T
时间t
升温区
冷却区

u RSS曲线和RTS曲线比较：
Ÿ RSS曲线：重视温度和时间结合，曲线区间划分祥细，生产效率高，适应能力通常。适适用于印刷线路板尺寸偏小，板上元器件体积较小、种类较少产品。

Ÿ RTS曲线：重视升温速率，曲线区间划分模糊，生产效率不高，适应能力强。适适用于印刷线路板尺寸较大，板上元器件体积较大、种类较多产品。

温度曲线设定
温度曲线是由回流焊炉多个参数共同作用结果，其中起决定性作用两个参数是传送带速度和温区温度设定。传送带速度决定了印刷线路板暴露在每个温区连续时间，增加连续时间能够使印刷线路板上元器件温度愈加靠近该温区设定温度。每个温区所用连续时间总和又决定了整个回流过程处理时间。每个温区温度设定影响印刷线路板通该温区时温度高低。印刷线路板在整个回流焊接过程中升温速度则是传送带速和各温区温度设定两个参数共同作用结果。所以只有合理设定炉温参数才能得到理想炉温曲线。
现以最为常见RSS曲线为例介绍一下炉温曲线设定方法。

u 链速设定：设定温度曲线时第一个要考虑参数是传输带速度设定，该设定将决定印刷线路板经过加热通道所花时间。传送带速度设定能够经过计算方法取得。这里要引入一个指标，负载因子。负载因子：F=L/(L+s) L=基板长，S=基板和基板间间隔。负载因子大小决定了生产过程中炉内印刷线路板对炉内温度影响程度。负载因子数值越大炉内温度越不稳定，通常取值在0.5~0.9之间。在权衡了效率和炉温稳定程度后提议取值为0.7-0.8。在知道生产板长和生产节拍后就能够计算出传送带传送速度（最慢值）。传送速度(最慢值)=印刷线路板长/0.8/生产节拍。传送速度（最快值）由锡膏特征决定，绝大多数锡膏要求从升温开始到炉内峰值温度时间应不少于180秒。这么就能够得出传送速度（最大值）=炉内加热区长度/180S。在得出两个极限速度后就能够依据实际生产产品难易程度选择合适传送速度通常可取中间值。

u 温区温度设定：一个完整RSS炉温曲线包含四个温区（图2）。分别为：
Ÿ 预热区：其目标是将印刷线路板温度从室温提升到锡膏内助焊剂发挥作用所需活性温度135℃，温区加热速率应控制在每秒1~3℃，温度升得太快会引发一些缺点，如陶瓷电容细微裂纹。

Ÿ 保温区：其目标是将印刷线路板维持在某个特定温度范围并连续一段时间，使印刷线路板上各个区域元器件温度相同，降低她们相对温差，并使锡膏内部助焊剂充足发挥作用，去除元器件电极和焊盘表面氧化物，从而提升焊接质量。通常普遍活性温度范围是135-170℃（以SN63PB37为例），活性时间设定在60-90秒。假如活性温度设定过高会使助焊剂过早失去除污功效，温度太低助焊剂则发挥不了除污作用。活性时间设定过长会使锡膏内助焊剂过分挥发，致使在焊接时缺乏助焊剂参与使焊点易氧化，润湿能力差，时间太短则参与焊接助焊剂过多，可能会出现锡球，锡珠等焊接不良。从而影响焊接质量。

Ÿ 回流区：其目标是使印刷线路板温度提升到锡膏熔点温度以上并维持一定焊接时间，使其形成合金，完成元器件电极和焊盘焊接。该区温度设定在183℃以上，时间为30-90秒。（以SN63PB37为例）峰值不宜超出230℃，200℃以上时间为20-30秒。假如温度低于183℃将无法形成合金实现不了焊接，若高于230℃会对元器件带来损害，同时也会加剧印刷线路板变形。假如时间不足会使合金层较薄，焊点强度不够，时间较长则合金层较厚使焊点较脆。

Ÿ 冷却区：其目标是使印刷线路板降温，通常设定为每秒3-4℃。如速率过高会使焊点出现龟裂现象，过慢则会加剧焊点氧化。理想冷却曲线应该是和回流区曲线成镜像关系，越是靠近这种镜像关系，焊点达成固态结构越紧密，得到焊接点质量越高，结合完整性越好。

了解了温度曲线各个温区特征后就能够依据产品特点来设定回流焊炉每个温区温度了。一但温区温度设定以后回流焊炉内热容量就确定了下来。在生产过程中经过炉内产品会不停吸收热量，伴随炉内产品数量不停增加被吸收热量也在不停增加。假如回流焊炉所能补允热量小于产品所吸收热量时就不能够确保产品品质。而实际生产中是不可能对炉温进行实时更新，所以这就要求设定温度曲线含有一定适应能力或针对不一样产品种类设定不一样温度曲线。如，印刷线路板尺寸较小，元器件体积较小产品，因这种产品对热量吸收较小，元器件本身升温速度也相对较快，所以曲线升温区升温速率能够合适加大，保温区保温时间能够相对缩短。而对于印刷线路板尺寸较大，元器体积较大产品，其对热量吸收要求较高，元器件本身内外部温差较大，所以其升温区升温速率应降低，保温区保温时间应加长以确保板面上多种元器件及元器件每个部位之间温差最小。
经典区间温度设定（SN63PB37）
区间
温度
时间
速率
升温
室温~135℃
大于30S
1~3℃/S
保温
135~170℃
60-90S
0.5~1℃/S
回流
183~183℃
60~90S
1~3℃/S
冷却

1~4℃/S

温度曲线测量
因回流焊设备结构和工作原理决定了温区设定温度反应到生产产品上时会有不小差异。回流焊设备上显示区间温度并不是实际区间温度，显示温度只是代表该温区内热敏电偶所感应到环境温度，假如热电偶靠近加热源，显示温度将对应比温区内其它区域温度高，热电偶越靠近印刷线路板传送轨道，显示温度将越能反应产品实际温度。所以在设定了温度以后还必需对产品进行实际测量以得到产品实际温度，并对设定温度进行分析，修改以得到一条针对某种产品最好温度曲线。

u 炉温曲线测量需要设备和辅助工具：
Ÿ 温度曲线仪：测温仪通常分为两类：实时测温仪，能够即时传送温度、时间数据并作出图形。另一个非实时测温仪，经过采样、储存，然后将采集来数据上载到计算机进行分析。
Ÿ 热电偶：用于感受环境温度介质。其工作原理是由两种不一样成份导体组成回路，当测温端和参比端存在温差时回路中就会产生热电流，经过电流大小来反应外界温度改变。热电偶通常要求较小直径，因为较小直径热电偶热质量小、响应快，得到结果较为正确。
Ÿ 将热电偶附着于印刷线路板上工具：焊料，胶粘剂，高温胶带。

n 测试点选择：实际在生产一块印刷线路板过程中，板面上各个区域所承载多种元器件温度是不尽相同。炉内热空气在热风机作用下在炉内流动（从上、下 两个加热板向传输轨道方向流动，当碰到阻隔时就沿着印刷线路板表面向板边缘扩散，这么板中心区域就变成了温度最低地方）。元器件体积大小也决定着温度高低，体积小元器件温度高，体积大元器件温度低。所以在实际测量中要较真实，较全方面反应被测产品真实温度被测点选择尤为关键。通常遵照以下多个标准。
1) 在条件许可条件下尽可能多选择被点。
2) 被测点选择尽可能在同一纵轴线上。
3) 对温度有特殊要求元器件。
4) 板面温度最高位置。
5) 板面温度最低位置。
n 热电偶固定：选择好被测点后则需在被测点安置热电偶，通常有以下多个方法：
1) 使用焊料固定，通常使用PB含量较高高温焊料将热电偶固定在被测点。要求焊点要尽可能小，因为高温焊料可焊性不高所以对焊接技能要求较高，因为是高温焊接所以对元器件热冲击也较大。测温效果很好。
2) 使用胶粘剂固定，通常使用环氧树脂类胶粘剂将热电偶固定在被测点。要求胶点要尽可能小。测温效果通常。
3) 使用高温胶带固定，通常使用含有耐高温、导热性能好胶带将热电偶固定在被测点。要求要尽可能将热电偶靠近被测点。这种方法操作方便，但测量效果最差。
每种方法全部应该将热电偶测量端尽可能靠近被测点，这么才能够得到较真实测量结果。（图4）

（图4）
n 测量方法：
1) 对被测印刷线路板进行热性能分析选择被测点。
2) 将热电偶附着在被测印刷线路板上。为了确保测量结果正确性被测印刷线路板应选择完全贴装产品。
3) 触发测温仪开始统计数据并将测温仪连同被测印刷线路板一同放入回流焊炉内。这里要注意两点。第一点：测温仪有两种，一个是触发后立即开始统计数据，这就要求在触发后在最短时间内将测温仪放入回流焊炉，以确保所测回流时间正确性。另一个测温仪为温感型，当环境温度升高到40℃（通常高于人体体温，用于确保在操作阶段不会统计数据。）以上时才开始统计数据，这种测温仪对放入时间就没有什么要求。第二点：为了最大程度还原生产时实际环境，在被测板前方要确保正常生产时过板数量。在被测板放入炉腔后不可再放入产品，避免意外发生。
4) 最终将从炉中采集好数据测温仪接入计算机，生成温度曲线。

n 曲线分析和炉温调整：分析温度曲线之前需掌握多个控制点数据。
1) 确定从环境温度到回流峰值温度总时间。
2) 各温区工艺参数（温度、时间、升温速度）。
具体调整方法以下：首先经过调整传送带速度来满足从环境温度到回流峰值温度总时间和所期望加热曲线居留时间相区配。下一步，应以从左到右次序调整曲线偏差（步骤次序），来确保整体曲线形状和各温区工艺参数、给定标准相符。例：假如预热区和回流区中存在差异，首先应将预热区差异调整正确，最好一次调整一个参数，在作深入调整之前应先运行调整后曲线并测出新曲线后再参考新曲线进行调整。因为一个给定温区温度改变将影响其随即温区温度改变。应以循序渐进标准进行炉温曲线调整。

下面给出多个经典不良炉温曲线调整方法：
（图5）
图5中红色曲线预热不足，应提升预热区温度，绿色曲线为预热太多表现。

（图6）
图6中红色曲线活型温度设定太高，应降低活性区温度。绿色曲线为活性温度太低表现。

（图7）
图7中红色曲线回流温度设定太高，应降低回流区温度。绿色曲线为回流温度太低表现。

结论: 温度曲线是经过设定、测量、调整三个步骤得来。而在实际操作中要得到一条适合产品特点温度曲线是要经过很数次测量和调整才能够实现。一条完美锡膏回流温度曲线不仅能够得到光亮、结构紧密焊点，而且还能够对印刷、贴片等工序造成不良起到一定修复作用。所以，温度曲线设定及正确测量方法是一个合格SMT工程师所必需含有专业知识。

参考文件:
《表面贴装技术》
《回流焊接技术》
《回流焊接缺点分析》