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小型台式回流焊炉温度曲线设置指导
文章来源:北京青云创新       发布时间:2011-07-23         文字大小:大   中  小
红外回流焊接是SMT生产中十分重要的工艺过程,它是一种自动群焊过程,PCB上所有的焊点在短短几分钟之内一次完成,其焊接质量的好坏直接影响到产品的质量和可靠性,对于大多数电子产品,焊接质量基本上决定了产品质量。
为了保证焊接质量,关键就是设置好回流炉的温度曲线,面对一台新的小型台式回流炉,如何尽快设置合理的温度曲线呢?这就需要首先对回流焊接原理有充分的了解,其次对所使用的锡膏中金属成分与熔点、活性温度等特性有全面的了解,对回流炉的结构,包括可控加热段数、每段加热时间、可控最高温度、热风循环路径、加热器的大小及控温精度等有一个全面的认识,以及对焊接对象——表面贴装组件(SMA)尺寸、PCB层数、元件大小及元件分布有所了解。
本文将从分析回流焊接的工艺原理入手,结合典型的焊接温度曲线,详细地介绍如何正确设置小型台式回流炉的温度曲线。
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焊接学中,根据焊料的熔点,钎焊分为软钎焊和硬钎焊,熔点高于450℃的焊接为硬钎焊,熔点低于450℃的焊接为软钎焊。钎焊是采用比焊件(被焊接金属,或称母材)熔点低的金属材料作为钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于焊件熔化温度,利用液态钎料润湿焊件,填充接头间隙并与焊件表面相互扩散实现焊接的方法。目前我们采用的回流焊都属于软钎焊。
在回流焊工艺中,一个完整焊点形成的过程如下:

随着温度上升,焊锡膏中溶剂逐渐挥发完全,助焊剂开始呈现活化作用,清理焊接界面,清除PCB焊盘和元件焊接端子上的氧化膜和污物。

随着温度继续上升,助焊剂的活化作用提升,助焊剂沿着焊盘表面和元件焊接端子扩散,润湿焊接界面。

随着温度上升到锡膏熔点,金属分子具备一定的动能,熔融的液态焊料在金属表面漫流铺展。

熔融的液态焊料在短时间内完成润湿、扩散、溶解,通过毛细作用和冶金结合,形成结合层,即IMC(金属间化合物)。

随着温度下降到焊料的固相温度以下,焊料冷却凝固后形成具有一定机械强度的焊点。整个焊接过程完成。

图1是常用无铅锡膏(SAC305)理想的红外回流温度曲线,它反映了SMA在整个回流焊接过程中PCB上某一点的温度随时间变化的曲线,它直观反映出该点在整个焊接过程中的温度变化,为获得最佳焊接效果提供了科学的依据。该曲线由五个温度区间组成,即升温区,预热区,快速升温区,回流区和冷却区,大部分焊锡膏都能用这五个温区成功实现回流焊。
图1 理想温度曲线
详细了解各温区的温度、SMA受热时间以及锡膏在各温区的变化情况,有助于更深入的理解理想温度曲线的意义。

升温区通常指从室温(25℃)上升到160℃左右的区域,在这个加热区域SMA平稳受热升温,焊锡膏中的溶剂缓慢挥发,各种元件尤其是IC元件缓慢升温,以适应后面焊接温度的要求。但是PCB上元件大小不一,各种元件的温度上升速度也不完全一样,—℃/s,—℃/s。
如果升温速度过快,由于热应力作用,可能会导致陶瓷电容产生细微裂缝、PCB变形、IC芯片损坏,同时焊锡膏中的溶剂挥发过快,导致锡珠不良发生。
如果升温速度太慢,SMA及各种元件的温度不足,导致焊接时锡膏无法润湿元件产生虚焊,同时焊锡膏中溶剂不能完全挥发,在回流区爆沸产生锡珠。

预热区又称保温区,指温度从160℃上升到180℃左右的区域,焊锡膏中残留的溶剂挥发完毕,焊锡膏中的助焊剂活性随着温度的上升而逐渐增强,将PCB焊盘和元件端子表面的氧化物和污物清除。SMA缓慢升温,不同大小,不同材料的元件基本保持相同的温度上升速度。
PCB在预热区的加热时间在40—70秒左右,℃/s以下。
如果加热时间太短,焊锡膏中的溶剂没有完全挥发,回流焊时会爆沸产生锡珠。
如果加热时间太长,助焊剂活性消失后还没有进行回流焊,在焊接时容易产生润湿不良,同时焊锡膏金属颗粒容易氧化,出现锡珠。

快速升温区是指温度从180℃上升到锡膏熔点(217℃)的区域,在此区域,SMA在10—20秒内迅速上升到焊接温度,温度上升速度要求大于2℃/s。焊锡膏也迅速升温接近熔化状态。

回流区是指温度从217℃上升到240℃,然后逐渐下降到217℃的区域。在回流区,焊锡膏熔化成液态,并迅速润湿焊盘,随着温度的进一步升高,焊料表面张力降低,焊料沿元件引脚爬升,形成一个弯月面。此时焊料中的锡与PCB焊盘上的铜形成金属间化合物,锡原子与