電子產(chǎn)業(yè)之所以能夠蓬勃發(fā)展，表面貼焊技術(shù)(SMT, Surface Mount Technology)的發(fā)明及精進(jìn)佔(zhàn)有極大程度的貢獻(xiàn)。而回流焊(Reflow)又是表面貼焊技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。這裡我們就試著來(lái)解釋一下回流焊的一些技術(shù)與溫度設(shè)定的問(wèn)題。

(▲ Soaking type 典型浸潤(rùn)式回流焊溫度曲線(xiàn))

(▲ Slumping type 斜升式回流焊溫度曲線(xiàn))

回流焊的溫度曲線(xiàn)共包括了預(yù)熱、吸熱、回流焊和冷卻等四個(gè)區(qū)塊，以下為個(gè)人的心得整理，如果有誤也請(qǐng)各位先進(jìn)不吝指教。

 

預(yù)熱區(qū)(Pre-heat zone)

預(yù)熱區(qū)通常是指由溫度由常溫升高至150°C左右的區(qū)域﹐在這個(gè)區(qū)域﹐溫度緩升以利錫膏中的部分溶劑及水氣能夠及時(shí)揮發(fā)﹐電子零件（特別是IC零件）緩緩升溫﹐為適應(yīng)后面的高溫預(yù)作淮備。但PCB表面的零件大小不一﹐吸熱裎度也不一，為了避免零件內(nèi)外或不同零件間有溫度不均勻的現(xiàn)象﹐所以預(yù)熱區(qū)升溫的速度通?？刂圃?.5°C～3°C/sec之間。預(yù)熱區(qū)均勻加熱的另一目的，是要使錫膏中的溶劑可以適度的揮發(fā)并活化助焊劑，因?yàn)榇蟛糠种竸┑幕罨瘻囟却蠹s落在150°C上下。

快速升溫有助快速達(dá)到助焊劑軟化的溫度，因此助焊劑可以快速地?cái)U(kuò)散并覆蓋到最大區(qū)域的焊點(diǎn)，它可能也會(huì)讓一些活化劑融入實(shí)際合金的液體中。可是，升溫如果太快﹐由于熱應(yīng)力的作用﹐可能會(huì)導(dǎo)致陶瓷電容的細(xì)微裂紋(micro crack)、PCB受熱不均而產(chǎn)生變形(Warpage)、空洞或IC晶片損壞﹐同時(shí)錫膏中的溶劑揮發(fā)太快﹐也會(huì)導(dǎo)致塌陷產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

較慢的溫度爬升則允許更多的溶劑揮發(fā)或氣體逃逸，它也使助焊劑可以更靠近焊點(diǎn)，減少擴(kuò)散及崩塌的可能。但是升溫太慢也會(huì)導(dǎo)致過(guò)度氧化而降低助焊劑的活性。

爐子的預(yù)熱區(qū)一般佔(zhàn)加熱通道長(zhǎng)度的1/4—1/3﹐其停留時(shí)間計(jì)算如下﹕假設(shè)環(huán)境溫度為25°C﹐若升溫斜率按照3°C/sec計(jì)算則（150-25）/3即為42sec﹐如升溫斜率按照1.5°C/sec計(jì)算則（150-25）/1.5即為85sec。通常根據(jù)組件大小差異程度調(diào)整時(shí)間以調(diào)控升溫斜率在2°C/sec以下為最佳。
 

另外還有幾種不良現(xiàn)象都與預(yù)熱區(qū)的升溫有關(guān)系，下面一一說(shuō)明：

1. 塌陷：

這主要是發(fā)生在錫膏融化前的膏狀階段，錫膏的黏度會(huì)隨著溫度的上升而下降，這是因?yàn)闇囟鹊纳仙沟貌牧蟽?nèi)的分子因熱而震動(dòng)得更加劇烈所致；另外溫度迅速上升會(huì)使得溶劑(Solvent)沒(méi)有時(shí)間適當(dāng)?shù)負(fù)]發(fā)，造成黏度更迅速的下降。正確來(lái)說(shuō)，溫度上升會(huì)使溶劑揮發(fā)，并增加黏度，但溶劑揮發(fā)量與時(shí)間及溫度皆成正比，也就是說(shuō)給一定的溫升，時(shí)間較長(zhǎng)者，溶劑揮發(fā)的量較多。因此升溫慢的錫膏黏度會(huì)比升溫快的錫膏黏度來(lái)的高，錫膏也就必較不容易產(chǎn)生塌陷。

2. 錫珠：

迅速揮發(fā)出來(lái)的氣體會(huì)連錫膏都一起往外帶，在小間隙的零件下會(huì)形成分離的錫膏區(qū)塊，回流焊時(shí)分離的錫膏區(qū)塊會(huì)融化并從零件底下冒出而形成錫珠。

3. 錫球：

升溫太快時(shí)，溶劑氣體會(huì)迅速的從錫高中揮發(fā)出來(lái)并把飛濺錫膏所引起。減緩升溫的速度可以有效控制錫球的產(chǎn)生。但是升溫太慢也會(huì)導(dǎo)致過(guò)度氧化而降低助焊劑的活性。

4. 燈蕊虹吸現(xiàn)象：

這個(gè)現(xiàn)象是焊料在潤(rùn)濕引腳后，焊料從焊點(diǎn)區(qū)域沿引腳向上爬升，以致焊點(diǎn)產(chǎn)生焊料不足或空銲的問(wèn)題。其可能原因是錫膏在融化階段，零件腳的溫度高于PCB的銲墊溫度所致?？梢栽黾覲CB底部溫度或是延長(zhǎng)錫膏在的熔點(diǎn)附近的時(shí)間來(lái)改善，最好可以在焊料潤(rùn)濕前達(dá)到零件腳與焊墊的溫度平衡。一但焊料已經(jīng)潤(rùn)濕在焊墊上，焊料的形狀就很難改變，此時(shí)也不在受溫升速率的影響。

5. 潤(rùn)濕不良：

一般的潤(rùn)濕不良是由于焊接過(guò)程中錫粉被過(guò)度氧化所引起，可經(jīng)由減少預(yù)熱時(shí)錫膏吸收過(guò)多的熱量來(lái)改善。理想的回流焊時(shí)間應(yīng)儘可能的短。如果有其他因素致加熱時(shí)間不能縮短，那建議從室溫到錫膏熔點(diǎn)間採(cǎi)線(xiàn)性溫度，這樣回流焊時(shí)就能減少錫粉氧化的可能性。

6. 虛焊或“枕頭效應(yīng)”(Head-In-Pillow)：

虛焊的主要原因可能是因?yàn)闊羧锖缥F(xiàn)象或是不潤(rùn)濕所造成。燈蕊虹吸現(xiàn)象可以參照燈蕊虹吸現(xiàn)象的解決方法。如果是不潤(rùn)濕的問(wèn)題，也就是枕頭效應(yīng)，這種現(xiàn)象是零件腳已經(jīng)浸入焊料中，但并未形成真正的共金或潤(rùn)濕，這個(gè)問(wèn)題通常可以利用減少氧化來(lái)改善，可以參考潤(rùn)濕不良的解決方法。

7. 墓碑效應(yīng)及歪斜：

這是由于零件兩端的潤(rùn)濕不平均所造成的，類(lèi)似燈蕊虹吸現(xiàn)象，可以藉由延長(zhǎng)錫膏在的熔點(diǎn)附近的時(shí)間來(lái)改善，或是降低升溫的速率，使零件兩端的溫度在錫膏熔點(diǎn)前達(dá)到平衡。另一個(gè)要注意的是PCB的焊墊設(shè)計(jì)，如果有明顯的大小不同、不對(duì)稱(chēng)、或是一方焊墊有接地(ground)又未設(shè)計(jì)熱阻(thermal thief)而另一方焊墊無(wú)接地，都容易造成不同的溫度出現(xiàn)在焊墊的兩端，當(dāng)一方焊墊先融化后，因表面張力的拉扯，會(huì)將零件立直(墓碑)及拉斜。

8. 空洞(Voids)：

主要是因?yàn)橹竸┲械娜軇┗蚴撬畾饪焖傺趸?，且在焊料固化前未即時(shí)逸出所致。

 

吸熱區(qū) (Soak zone)

一般將這個(gè)區(qū)域翻譯成「浸潤(rùn)區(qū)」，但經(jīng)白老師糾正，正確的名稱(chēng)應(yīng)該叫「吸熱區(qū)」，也稱(chēng)「活性區(qū)」﹐在這段幾近恒溫區(qū)的溫度通常維持在150±10°C的區(qū)域﹐斜昇式的溫度通常落在150～190°C之間，此時(shí)錫膏正處于融化前夕﹐焊膏中的揮發(fā)物會(huì)進(jìn)一步被去除﹐活化劑開(kāi)始啟動(dòng)﹐并有效的去除焊接表面的氧化物﹐PCB表面溫度受熱風(fēng)對(duì)流的影響﹐讓不同大小、質(zhì)地不同的零組件溫度能保持均勻溫度﹐板面溫度差△T接近最小值。

（如果PCB上的零件簡(jiǎn)單，沒(méi)有太多複雜的零件，如BGA或大顆容易或不易吸熱零件，也就是說(shuō)零件間的溫度可以輕易達(dá)到均勻，建議使用「斜昇式曲線(xiàn)」。現(xiàn)代科技進(jìn)步，有些回流焊爐的效率好，可以快速均勻所有零件的溫度，也可以考慮「斜昇式曲線(xiàn)」。「斜昇式曲線(xiàn)」的優(yōu)點(diǎn)是希望確保錫膏融錫時(shí)所有焊點(diǎn)同時(shí)融錫，已達(dá)到最佳的焊接效果。）

溫度曲線(xiàn)形態(tài)接近水平狀﹐它也是評(píng)估回流焊爐工藝的一個(gè)窗口﹐選擇能維持平坦活性溫度曲線(xiàn)的爐子將可提高焊接的效果﹐特別是防止立碑缺陷的產(chǎn)生，因?yàn)檩^不易造成融錫不一的時(shí)間差，零件兩端也就比較不會(huì)有應(yīng)力不同的問(wèn)題。

恒溫區(qū)通常在爐子的2﹐3區(qū)之間﹐時(shí)間維持約為60～120s﹐若時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致松香過(guò)度揮發(fā)，并造成錫膏過(guò)度氧化的問(wèn)題﹐在回流焊接時(shí)失去活性和保護(hù)功能，以致焊接后造成虛焊、焊點(diǎn)殘留物發(fā)黑、焊點(diǎn)不光亮等問(wèn)題。

此區(qū)域的溫度如果升溫太快，錫膏中的松香(助焊劑)就會(huì)迅速膨脹揮發(fā)，正常情況下，松香應(yīng)該會(huì)慢慢從錫膏間的縫隙逸散，當(dāng)松香揮發(fā)的速度過(guò)快時(shí)，就會(huì)發(fā)生氣孔、炸錫、錫珠等品質(zhì)問(wèn)題。

回流焊區(qū)(Reflow zone)

回流焊區(qū)是整段回流焊溫度最高的區(qū)域﹐通常也叫做「液態(tài)保持時(shí)間(TAL, time above liquids)」。此時(shí)焊料中的錫或鎳與焊墊上的銅由于擴(kuò)散作用而形成金屬間的化合物Cu5sn6或Ni3Sn4。以O(shè)SP的表面處理為例﹐當(dāng)錫膏融化后﹐會(huì)迅速潤(rùn)濕銅層﹐錫原子與銅原子在其介面上互相滲透，初期Sn-Cu合金的結(jié)構(gòu)為良好的Cu6Sn5﹐其厚度為1-3μ，為回流焊爐子內(nèi)的關(guān)鍵階段，因?yàn)檠b配上的溫度梯度必須最小，TAL必須保持在錫膏製造商所規(guī)定的參數(shù)之內(nèi)。産品的峰值溫度也是在這個(gè)階段達(dá)成的（裝配達(dá)到爐內(nèi)的最高溫度），時(shí)間如果過(guò)長(zhǎng)就會(huì)繼續(xù)生成Cu3Sn的不良IMC。ENIG表面處理的板子，初期則會(huì)生成Ni3Sn4的IMC，不會(huì)有Cu6Sn5。

必須小心的是，不要超過(guò)板上任何溫度敏感元件的最高溫度和加熱速率。例如，一個(gè)典型符合無(wú)鉛製程的坦電容具有的最高溫度爲(wèi)260°C只能持續(xù)最多10秒鐘。理想狀況下應(yīng)該讓裝配上所有的焊點(diǎn)同時(shí)、同速率達(dá)到相同的峰值溫度，以保證所有零件在爐內(nèi)經(jīng)歷相同的環(huán)境。

回流焊的峰值溫度，通常取決于焊料的熔點(diǎn)溫度及組裝零件所能承受的溫度。一般的峰值溫度應(yīng)該比錫膏的正常熔點(diǎn)溫度要高出約25~30°C，才能順利的完成焊接作業(yè)。如果低于此溫度，則極有可能會(huì)造成冷焊與潤(rùn)濕不良的缺點(diǎn)。

冷卻區(qū)(Cooling zone)

在回流焊區(qū)之后，產(chǎn)品冷卻，固化焊點(diǎn)，將為后面PCBA裝配的工序淮備。控制冷卻速度也是關(guān)鍵的，冷卻太快可能損壞裝配，冷卻太慢將增加TAL，可能造成脆弱的焊點(diǎn)。

一般認(rèn)為冷卻區(qū)應(yīng)迅速降溫使焊料凝固。迅速冷卻也可以得到較細(xì)的合晶結(jié)構(gòu)，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度，使焊點(diǎn)光亮，表面連續(xù)并呈彎月面狀，但缺點(diǎn)就是較容易生成孔洞，因?yàn)橛行怏w來(lái)不及逃逸。

相反的，在熔點(diǎn)以上緩慢的冷卻則容易導(dǎo)致過(guò)量的介金屬化合物產(chǎn)生及較大合晶顆粒，降低抗疲勞強(qiáng)度。採(cǎi)用比較快的冷卻速率可以有效嚇阻介金屬化合物的生成。

在加速冷卻速度的同時(shí)須注意到零件耐衝擊的能力，一般的電容所容許的最大冷卻速率大約是4°C/min。過(guò)快的冷卻速率很可能會(huì)引起應(yīng)力影響而產(chǎn)生龜裂(Crack)。也可能引起焊墊與PCB或焊墊與焊點(diǎn)的剝離，這是由于零件、焊料、與焊點(diǎn)各擁有不同的熱膨脹系數(shù)及收縮率的結(jié)果。一般建議的降溫速度為2~5°C/s之間。