无铅回流焊接中工艺技术的研究

摘 要 首先分析了在无铅化回流焊工艺窗口变小的条件下，如何改进回流焊中最重要的设备回流炉以使其达到无铅焊接的要求，其次研究了无铅回流焊的温度曲线，回流温度曲线的合理设置是得到优质焊点最重要的制约因素之一，应以标准曲线为参考并综合实际中的各种因素来设置。

关键词 无铅；回流焊；温度曲线

中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0183-01

1 无铅回流焊设备

无铅回流焊工艺是当前表面贴装技术中最重要的焊接工艺，它已在包括手机，电脑，汽车电子，控制电路和通讯等许多行业得到了大规模的应用。无铅焊料相比有铅焊料具有高熔点、低润湿性等特性，这直接导致了无铅焊接工艺窗口要比有铅焊接工艺窗口小，不易于控制质量。为满足无铅焊接工艺的要求，这就要求再流焊设备在以下几个方面要具有一定的优势。

1）更多的加热温区，目前使用的无铅设备一般使用8个温区（双焊接区）。

2）快速的加热速率和高效的加热效率，有铅焊接的单一红外辐射方式或热风对流方式很难将温度差控制在我们需要的范围中。因此，无铅化焊接工艺最好使用具有红外辐射加热与强制对流相结合的回流炉。

3）管理系统、焊剂过滤、氮气保护系统、冷却系统及实时热控制功能。

4）对于一些重量比较大的组件，为防止印制板因受力不均而变形，还需要具有中央支撑系统。

2 回流温度曲线

图1为理想状态的无铅回流温度曲线。

图1 无铅回流焊温度曲线

回流温度曲线通常分为以下4个区域。

1）升温预热区。升温区是指室温从25℃升到130℃的这个区域，升温速率应保持在1℃/s～3℃/s，升温时间大约需要30s到100s。预热区温度以0.5℃/s～1℃/s的升温速率从130℃升到180℃，用时大约60s到120s。无铅焊接预热和升温过程需要缓慢进行，以确保当回流焊接焊有热容量大元器件的PCB、多层板以及大尺寸板时，使整个印制板受热均匀，减小不同元器件及印制板的温差。

2）快速升温区（助焊剂浸润区）。从180℃升到217℃的升温过程叫快速升温区，快速升温区也叫助焊剂浸润区。在此区域快速上升的高温使得助焊剂充分活化，焊接面的氧化层被清洗掉，印制板与元器件的焊接处就能充分溶解、扩散并形成良好结合层。无铅焊接对快速升温区升温斜率设置的要求更高。这是因为无铅焊接相比有铅焊接，其所要求的温度较高，提高升温速率就越困难，而升温速度减慢会使助焊剂长时间处在高温下，提前结束活化反应。元件引脚、PCB焊盘和焊膏中的焊料合金在持续高温下也会重新氧化带来焊接不良的后果。

3）回流区。回流区的时间要控制在25～55s之间，其中超过230℃的时间应控制在20s以下，最高峰值温度控制在235℃±5℃范围内。

无铅焊接需要较高的温度，焊接时需要同时保证充分焊接和避免过高温度对PCB和元器件损坏，因此峰值温度、峰值时间和回流时间需要合理设置。例如印制板中以FR-4为基材的，在焊接时只能承受240℃～245℃的高温，而对于热容量大的复杂印制板产品，甚至需要260℃才能保证焊点的可靠性。

无铅焊接工艺窗口特点范围较小，一般允许有5℃到10℃的调节范围。因为同一块PCB在回流焊过程中，不同位置上元器件的大小、元器件的密集程度也是不同的，铜层分布因位置的不同也是不同的，诸多因素导致了PCB表面的温度是不一致的。因此，如果印制板的表面温度差值范围超出工艺窗口允许温度范围，那么在加热时就会出现印制板上某一局部的实际温度超过240℃以上，此为元件或FR-4基材的最高承受温度，从而导致PCB和元器件的损坏。

板面的温差Dt决定了回流焊的最大峰值温度，而Dt又与印制板的大小、层数、厚度，印制板上元器件的大小、分布和热容量以及Cu的分布有关，这就导致拥有尺寸大和结构复杂元器件（如CBGA）的大尺寸、多层、高厚度的印制板其典型Dt高达20℃～25℃。

4）冷却区。冷却区需要注意的是控制好降温率。由于无铅再流焊回流区的峰值温度很高，这就决定了产品从回流区刚进入冷却区初始时的温度也处于很高的状态，为避免产品焊点由高温到低温的冷却凝固时间过长，造成焊点结晶颗粒过度成长，必须加快降温速率，但是降温速率也不能无限加快，超过一定的速率会破坏元件，因此，冷却区的降温速率一般控制在3～5℃/s之间比较合适。

在实际的生产中，回流焊温度曲线设置应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。

3 设置温度曲线应考虑的因素

温度曲线的设置情况应根据焊接工艺中所使用的焊膏型号来确定。一般情况下，从化学成分的角度来讲，制造商会向购买者推荐出一个最佳的焊接温度曲线。但除此之外，设置再流焊温度曲线还需综合考虑以下几个因素。

1）印制板的厚度、材料种类、尺寸大小、多层与否等。

2）PCB板上元器件的密度、大小、布局、以及有无高热容量的BGA、CSP等特殊元器件。例如，在同一块印制板上，分布有不同尺寸和热容量的元器件，不同的元器件对焊接的温度要求有高有低，只有统一提高回流区的焊接温度才能保证大尺寸和高热容量元器件周围的焊点也能达到焊接温度。

3）快速升温区温度和斜率的设置必须考虑助焊剂的特性和活化温度。

4）温度曲线的设置要综合考虑设备的加热区长度、加热方式、回流焊炉的结构特点以及热传导方式等因素。以热风炉和红外炉为例，这两者在热传导方式上存在根本性的差异，热风炉主要是采用对流传导方式，其优点是炉内温度均匀，缺点是不易控制沿焊接炉长度方向的温度梯度以及PCB板上、下表面的温差。红外炉在热传导上采用辐射传导，热传导的效率高，温度梯度大，在进行双面焊时容易控制印制板的上、下表面温度，但辐射传导会使得同一梯度处的温度不均匀。

5）温区的温度设置来源于温度传感器的实际探测位置

温度。

6）合理的设置排风量大小。

7）环境温度也会影响再流焊炉的升温区和冷却区的炉温。

参考文献

[1]盛菊仪，徐冠捷.无铅回流焊工艺及设备[J].电子工艺技术，2004（03）.

[2]王万刚，王小平，彭勇.无铅回流焊技术探讨[J].制造业自动化，2010（01）.