李巖 趙立博 張偉 邱兆義

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第712研究所， 武漢 430064）

1 引言

回流焊是表面組裝技術(shù)中的核心技術(shù)之一，而其生產(chǎn)工藝流程中的溫度控制至關(guān)重要，本文以美國(guó) HELLE公司的某型回流焊爐為例，介紹分析如何設(shè)定其工作的溫度曲線，并通過(guò)計(jì)算加熱因子Qη對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。

2 回流焊中的溫度曲線

2.1 什么是溫度曲線

溫度曲線是指貼片元件通過(guò)回流焊爐時(shí)，元件上某一引腳上的溫度隨時(shí)間變化的曲線。溫度曲線提供了一種質(zhì)管的方法，來(lái)分析某個(gè)元器件在整個(gè)回流焊過(guò)程中的溫度變化情況。它對(duì)于獲得最佳的可焊性，避免由于超溫而對(duì)元器件造成損壞以及保證焊接質(zhì)量都起到很大作用。

2.2 如何確定溫度曲線

不同的焊膏又不同的成分和配比，它們的熔點(diǎn)各不相同，需采用的回流焊溫度也不同，部分焊料的熔點(diǎn)和回流焊溫度如表1所示：

表1 部分焊料的熔點(diǎn)和回流焊溫度

對(duì)應(yīng)這些熔點(diǎn)和回流焊溫度，各種焊膏都有相應(yīng)的溫度曲線。根據(jù)回流焊的原理，溫度曲線共分為5個(gè)部分：（1）升溫區(qū)：將印制板由室溫加熱至100 ℃，升溫速度控制在＜2 ℃/s；（2）預(yù)熱區(qū)：從100～150 ℃為預(yù)熱區(qū)，升溫速度控制在＜2 ℃/s，目的是使PCB及焊膏預(yù)熱，避免電路板及焊膏收到熱沖擊，如果升溫速度太快，一方面使元器件及PCB受熱太快，易損壞元器件、造成PCB變形。另一方面，焊膏中的溶劑揮發(fā)速度太快，易造成金屬粉末濺出，產(chǎn)生錫球。如果預(yù)熱溫度太高，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易使金屬粉末氧化，影響焊接質(zhì)量；（3）快速升溫區(qū)：從150～183 ℃為快速升溫區(qū)，理想升溫速度為1.2～3.5 ℃/s，當(dāng)溫度升到150～160 ℃時(shí)，焊膏中的助焊劑開(kāi)始迅速分解活化，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使助焊劑提前失效，影響液態(tài)焊料浸潤(rùn)性，影響金屬間合金層的生成；（4）回流區(qū)：從183～183 ℃為回流區(qū)（大約需要60～90 s），這一區(qū)域的溫度設(shè)置的最高，焊料達(dá)到熔點(diǎn)為液態(tài)，SMA的溫度快速上升至峰值溫度。在回流焊區(qū)，焊接峰值溫度視所用焊膏的不同而不同，一般為焊膏熔點(diǎn)溫度增加30～40℃。對(duì)于我們使用的焊料粉為63Sn37Pb的焊膏，峰值溫度一般設(shè)定為210 ～ 230 ℃（大約需要7～15 s），峰值溫度低或回流時(shí)間短，會(huì)使焊接不充分，金屬間合金層太?。ǎ?0.5 μm），嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成焊膏不熔；峰值溫度過(guò)高或回流時(shí)間長(zhǎng)，造成金屬粉末嚴(yán)重氧化，合金層過(guò)厚（＞ 4 μm），影響焊點(diǎn)強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞元器件和印制板，從外觀看，印制板會(huì)嚴(yán)重變色；（5）冷卻區(qū)：從183～75 ℃，在這一區(qū)域內(nèi)，焊膏中的鉛錫粉末已經(jīng)充分熔化并潤(rùn)濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來(lái)進(jìn)行冷卻，這樣將有助于得到光華的焊點(diǎn)并有好的外形和低的接觸角度，緩慢冷卻會(huì)導(dǎo)致電路板產(chǎn)生灰暗，毛糙的焊點(diǎn)，在極端情況下，它能引起沾錫不良和焊點(diǎn)結(jié)合力減弱。

對(duì)于我們使用的焊膏，典型的溫度曲線如圖1所示：

圖1 典型溫度曲線

3 溫度曲線中的加熱因子

3.1 什么是加熱因子

在生產(chǎn)上，設(shè)定或調(diào)整一個(gè)電路板的回流溫度曲線是意見(jiàn)較為繁瑣的工作，而且還缺乏定量化的依據(jù)。通常，對(duì)較為復(fù)雜的電路板，可以通過(guò)適度提高預(yù)熱和回流溫度，或延長(zhǎng)預(yù)熱和回流時(shí)間，使電路板上各元件溫度均勻，回流充分，從而減少外觀缺陷。但是，有時(shí)這樣的電路板表面上看起來(lái)焊點(diǎn)外觀良好，實(shí)際上由于在高溫區(qū)停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者經(jīng)受的溫度太高，元器件的力學(xué)性能和電性能會(huì)變差，焊點(diǎn)可靠性會(huì)下降，這種隱患在生產(chǎn)中無(wú)法察覺(jué)，而需經(jīng)過(guò)一端時(shí)間的使用后才顯示出來(lái)，這可能給用戶造成無(wú)法晚會(huì)的損失。為此提出了一個(gè)回流溫度曲線好壞程度的定量化參數(shù)——加熱因子，通過(guò)它來(lái)指導(dǎo)回流溫度曲線的設(shè)定和調(diào)整，以達(dá)到提高焊接質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性的目的。

3.2 加熱因子的計(jì)算

式中，TM.為焊料的熔點(diǎn)溫度，t2-t1為液相線上停留的時(shí)間，對(duì)鉛錫合金來(lái)說(shuō)即在 TM=183℃以上的時(shí)間，Qη相當(dāng)于曲線在液相線上的面積，見(jiàn)圖2。

定義加熱因子Qη為回流焊曲線在液相線上的溫度T(t)對(duì)時(shí)間t的積分，即：

圖2 加熱因子定義圖

根據(jù)華中科技大學(xué)出版社《電子組裝技術(shù)》，這個(gè)面積被簡(jiǎn)化為一個(gè)底為 ?t=t1- t2，高為?T=T1MAX- TM的三角形，即：

這樣建立模型計(jì)算出的Qη比實(shí)際值小了很多（20%～40%），本文將建立一個(gè)從t1～t2，高為?T的正半周期正弦曲線來(lái)近似模擬原曲線，這樣一來(lái)Qη就可以簡(jiǎn)化成：

這個(gè)結(jié)果比式（2）更加準(zhǔn)確（見(jiàn)圖3）。

圖3 建模比較圖

上圖中陰影部分為按三角形建立模型得出的加熱因子，弧線部分與坐標(biāo)軸包圍的面積為按正弦曲線建立模型得出的加熱因子。

對(duì)于不同廠家生產(chǎn)的焊膏，它們的加熱因子Qη.范圍也不同，一些常用焊膏的見(jiàn)表2：

表2 常用焊膏的加熱因子

我部門使用的是某錫鉗焊料，加熱因子為660～1100，回流焊爐為美國(guó)HELLE公司的某型七溫區(qū)回流焊爐，各溫區(qū)溫度設(shè)定如表3：

表3 美國(guó)HELLE公司七溫區(qū)回流焊爐溫區(qū)溫度

根據(jù)使用熱耦對(duì)某印制板焊接實(shí)測(cè)參數(shù)：

根據(jù)公式（3-2）計(jì)算：

這個(gè)結(jié)果在該焊膏理想的加熱因子范圍之內(nèi)；

而根據(jù)公式（3）計(jì)算：

這個(gè)結(jié)果明顯大于該焊膏理想的加熱因子范圍。

根據(jù)計(jì)算，若要滿足Qη.在660～1100之間，應(yīng)該調(diào)節(jié)各溫區(qū)溫度使回流區(qū)時(shí)間縮短至40 s左右。我們調(diào)整回流焊爐設(shè)定溫度見(jiàn)表4：

表4 調(diào)整回流焊爐設(shè)定溫度

試驗(yàn)后得到各參數(shù)為：t1≈225±5；t2≈265±5；TMAX≈225±5。根據(jù)公式（3）計(jì)算：

調(diào)整后計(jì)算出的加熱因子在該焊膏的理想范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

按以上根據(jù)改進(jìn)后的計(jì)算方法得出的加熱因子調(diào)整了回流焊爐各溫區(qū)的預(yù)定溫度。從按此工藝參數(shù)進(jìn)行焊接的一批試驗(yàn)板及后續(xù)生產(chǎn)的印制板可以看出，調(diào)整后焊接的印制板焊點(diǎn)表面更加平整光滑，片式阻容元件的焊盤上貼近引腳一側(cè)呈現(xiàn)明顯的半月型錫層，芯片類元件引腳均未出現(xiàn)因回流焊導(dǎo)致的問(wèn)題。這說(shuō)明新的溫度曲線更合理，能更好的保證PCB的焊接質(zhì)量。

[1]吳懿平, 鮮飛. 電子組裝技術(shù). 武漢： 華中科技大學(xué)出版社, 2006.

[2]張文典. 用表面組裝技術(shù)（第 2版）. 北京： 電子工業(yè)出版社, 2006.

[3]郎為民. 表面組裝技術(shù) SMT 及其應(yīng)用. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.