深度解析SMT回流焊如何正确设定有铅和无铅温度曲线

电子制造SMT回流焊（Reflow Soldering）也叫再流焊，SMT回流炉，是指通过重新熔化预先放置的焊料而形成焊点，在焊接过程中不再添加任何额外焊料的一种焊接方法。早期预置的是片状和圈状焊料，随着片式元器件的出现，膏状焊料应运而生，并取代了其他形式的焊料，再流焊技术成为SMT的主流工艺。

由于电子PCBA制造焊接制程的世界千变万化、繁纷复杂，因此不可能充分描绘电子元件和材料的所有特定需求。在使用SMT电子PCBA印刷电路板装配中，要得到优质的焊点，一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。

回流焊温度曲线在生产中地位：回流焊接是在SMT工业组装基板上形成焊接点的主要方法，在SMT工艺中回流焊接是核心工艺。因为表面组装PCB的设计，焊膏的印刷和元器件的贴装等产生的缺陷，最终都将集中表现在焊接中，而表面组装生产中所有工艺控制的目的都是为了获得良好的焊接质量，如果没有合理可行的回流焊接工艺，前面任何工艺控制都将失去意义。

而回流焊接工艺的表现形式主要为回流温度曲线，它是指PCB的表面组装器件上测试点处温度随时间变化的曲线。通过温度曲线可以直观的分析该元器件在整个回流焊过程中的状态，获得最佳的可焊性，避免由于超温损坏元器件，保证焊接品质，因而回流温度曲线是决定焊接缺陷的重要因素。

因回流曲线不适当而影响的缺陷形式主要有：

部品爆裂/破裂、翘件、锡粒、桥接、虚焊以及PCB脱层起泡等。因此适当设计回流温度曲线可得到高的良品率及高的可靠度，对回流温度曲线的合理控制，在生产制程中有着举足轻重的作用。

同时，需要由EMS电子制造商根据SMT工厂自身的专业知识和技能去探索理想的回流参数。另一方面，因为拥有大量线索和指标以及过去的丰富经验，从而使优化变为可能。

 

 

 

 

 

有铅、无铅锡膏  

回流焊曲线解析 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

有铅炉温曲线设定

 

 

 

 

 

 

有铅炉温曲线设定

 

 

 

 

无铅炉温曲线设定 

 

 

 

 

 

 

无铅炉温曲线设定 

 

 

 

 

无铅炉温曲线设定 

 

 

 

 

 

 

 

 

回流焊接锡膏融化后的演变过程演示

理解锡膏的回流过程

当锡膏至于一个加热的环境中，锡膏回流分为五个阶段：

1. 首先，用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发，温度上升必需慢(大约每秒3° C)，以限制沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，还有，一些元件对内部应力比较敏感，如果元件外部温度上升太快，会造成断裂。 

2. 助焊剂活跃，化学清洗行动开始，水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除。好的冶金学上的锡焊点要求“清洁”的表面。

3. 当温度继续上升，焊锡颗粒首先单独熔化，并开始液化和表面吸锡的“灯草”过程。这样在所有可能的表面上覆盖，并开始形成锡焊点。

4. 这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，结合一起形成液态锡，这时表面张力作用开始形成焊脚表面，如果元件引脚与PCB焊盘的间隙超过4mil，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成锡点开路。

5. 冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快而引起元件内部的温度应力。

以最严格谨慎的态度制定基本数据后，则可以在此基础上创建所谓的包络曲线，如下图所示：

▲用于创建曲线的基本数据

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SMT回流焊   

温度曲线分析解读 

 

 

 

 

 

如何正确设定回流焊的温区曲线，首先我们要了解回流焊的几个关键的地方及温度的分区情况及回流焊的种类，影响炉温的关键地方是： 

1、各温区的温度设定数值 

2、各加热马达的温差 

3、链条及网带的速度 

4、锡膏的成份 

5、PCB板的厚度及元件的大小和密度 

6、加热区的数量及回流焊的长度 

7、加热区的有效长度及泠却的特点等 

探头在连接测温点时必需与探测点平行且贴附在焊盘或电极上，探头不可有翘高现象，在焊接时，锡量以最少量焊接好探头为OK，锡量过多会导致测量温度与实际生产温度有偏差，焊接好以后在探测点表上序号并在插头上对应。

SMT回流焊温度曲线，根据功能一般可划分为四个区：升温区、保温区、再流焊区和冷却区，其中再流焊区为核心区。

回流焊的分区情况： 

1、预热区（又名：升温区） 

2、恒温区（保温区/活性区） 

3、回流区（再流焊区） 

4 、泠却区

下面我们以有铅锡膏来做一个简单的分析

63/37有铅锡膏温度曲线

一：预热区 

预热的作用主要有三个：蒸发焊剂中的挥发性成分；减少焊接时PCBA各部位的温度差，并为了避免浸锡时进行急剧高温加热引起元器件损伤 ；使锡膏活性化为目的，助焊剂活化。

a • 预热温度：依使用锡膏的种类及厂商推荐的条件设定。一般设定在80～160℃范围内使其慢慢升温；而对于传统曲线恒温区在140～170℃间，注意温度高则氧化速度会加快很多（在高温区会线性增大，在150℃左右的预热温度下，氧化速度是常温下的数倍）预热温度太低则助焊剂活性化不充分。

b • 预热时间视PCB板上热容量最大的器件、PCB面积、PCB厚度以及所用锡膏性能而定。一般在80～160℃预热段内时间为60～120sec，由此有效除去焊膏中易挥发的溶剂，减少对元件的热冲击，同时使助焊剂充分活化，并且使温度差变得较小。

预热开始温度（Tsmin），一般没有特别的要求，通常比预热结束温度（Tsmax）低50℃左右；预热结束温度（Tsmax）为焊膏熔点以下20~30℃，通常200℃左右。保温时间（ts），一般在2~3min。确保PCBA在进入再流焊阶段前达到热平衡。从经验看，只要不超过5min，一般不会出现焊剂提前失效问题。

二：恒温区 

所谓恒温意思就是要相对保持平衡。在恒温区温度通常控制在150-170度的区域，此时锡膏处于融化前夕，锡膏中的挥发进一步被去除，活化剂开始激活，并有效的去除表面的氧化物，SMA表面温度受到热风对流的影响。不同大小/不同元件的温度能够保持平衡。板面的温差也接近最小数值，曲线状态接近水平，它也是评估回流焊工艺的一个窗口。选择能够维持平坦活性温度曲线的炉子将提高SMA的焊接效果。特别是防止立碑缺陷的产生。通常恒温区的在炉子的加热信道占60—120/S的时间，若时间太长也会导致锡膏氧化问题。导致锡珠增多，恒温渠温度过低时此时容易引起锡膏中溶剂得不到充分的挥发，当到回流区时锡膏中的溶剂受到高温容易引起激烈的挥发，其结果会导致飞珠的形成。恒温区的梯度过大。这意味着PCB的板面温度差过大，特别是靠近大元件四周的电阻/电容及电感两端受热不平衡，锡膏融化时有一个延迟故引起立碑缺陷。

 

 

 

 

 

三：回流区 

回流区的温度最高，SMA进入该区域后迅速升温，并超出熔点30—40度，即板面温度瞬间达到215-225度，（此温度又称之为峰值温度）时间约为5—10/S 在回流区焊膏很快融化，并迅速湿润焊盘，随着温度的进一步提高，焊料表面张力降低。焊料爬至元件引脚的一定高度。形成一个（弯月面）从微观上看：此时焊料中的锡与焊盘上的铜或金属由于扩散作用而形成金属间的化合物，SMA在回流区停留时间过长或温度过高会造成PCB板面发黄/起泡/元件的损坏/如果温度设定正确：PCB的色质保持原貌。焊点光亮。

在回流区，锡膏融化后产生的表面张力能适应的校正由贴片过程中引起的元件引脚偏移。但也会由于焊盘设计不正确引起多种焊接缺陷，回流区的升温率应该控制在2。5度---3度/S 一般应该在25-30/S内达到值。温度过低。焊料虽然融化，但流动性差，焊料不能充分的湿润，故造成假焊及泠焊

四：冷却区

SMA运行到冷却区后，焊点迅速降温。焊料凝固。焊点迅速冷却。表面连续呈弯月形通常冷却的方法是在回流焊出口处安装风扇。强制冷却。并采用水泠或风泠，理想的泠却温度曲线同回流区升温曲线呈镜像关系（对称分布）。

高于焊锡熔点温度以上的慢冷却率将导致过量共界金属化合物产生，以及在焊接点处易发生大的晶粒结构，使焊接点强度变低，此现象一般发生在熔点温度和低于熔点温度一点的温度范围内。快速冷却将导致元件和基板间太高的温度梯度，产生热膨胀的不匹配，导致焊接点与焊盘的分裂及基板的变形，一般情况下可容许的最大冷却率是由元件对热冲击的容忍度决定的。综合以上因素，冷却区降温速率一般在4℃/S左右，冷却至75℃即可。

为什么必需使用炉温曲线测试仪?

控制好工艺制程的唯一的方法是了解您的工艺制程式，而想要很好地了解您的工艺制程就需要通过测量。

温度曲线是指工艺人员根据所需要焊接的代表性封装电子元器件及焊膏特性制定的“温度-时间”变化曲线。通过链条传送PCB速度和不同温区的温度设置来实现。

把设置温度放置在温度曲线力中并连接就形成一条折线，称为炉温折线。

需要注意的是：温度曲线是回流过程中封装或PCB板上的实际温度变化，而炉温折线是回流炉各温区的温度设置，前者是目的，后者是手段。

温度曲线，一般以预热温度、保温时间、焊接峰值温度和焊接时间来描述，关键参数如下：

· 预热开始温度Tsmin；

· 预热结束温度Tsmax；

· 焊接最低峰值温度Tpmin；

· 焊接最高峰值温度Tpmax；

· 保温时间ts；

· 焊接时间tL；

· 焊接驻留时间Tp；

· 升温速率v1&v2；

· 冷却速率v3。

温度曲线关键参数的设置原则：

①：预热

预热的作用主要有三个：蒸发焊剂中的挥发性成分；减少焊接时PCBA各部位的温度差；助焊剂活化。

②：焊接峰值温度

焊接峰值温度，由于PCB上每种元件封装的结构与尺寸不同，而且分布密度也不均匀，所以测试温度曲线不是一根曲线，而是一组曲线。温度曲线的设计原则是所有元器件的焊接峰值温度，既不能高于元件的最高耐热温度也不能低于焊接的最低温度要求。通常比焊膏熔点高11~12℃并小于260℃（无铅元器件），在此前提下我们希望焊接的温度越低越好。

较高的温度出现在热容量比较小的元件上（如0402等），较低的温度出现在热容量较大的元件上（如BGA等）。

回流曲线的峰值温度通常是由焊锡的熔点温度、组装基板和元件的耐热温度决定的。一般最小峰值温度大约在焊锡熔点以上30℃左右（以有铅锡膏Sn63Pb37为例，183℃熔融点，则最低峰值温度约210℃左右 ，最高温度约235℃左右）。峰值温度过低就易产生冷接点及润湿不够，熔融不足而致生半田，过高则环氧树脂基板和塑胶部分焦化和脱层易发生，再者超额的共界金属化合物将形成，影响焊接强度。

超过焊锡溶点以上的时间：由于共界金属化合物形成率、焊锡内盐基金属的分解率等因素，其产生及滤出不仅与温度成正比，且与超过焊锡溶点温度以上的时间成正比。

③：焊接时间

焊接时间主要取决于PCB的热特性和元器件的封装，只要能够使所有焊点达到焊接温度以及BGA焊锡球与熔融焊膏熔合均匀并达到热平衡即可。

焊接的时间，对于一个普通的焊点而言3~5s足够；对于一块PCBA来说，需综合考虑所有的焊点；同时，还必须考虑减少PCBA不同部位的温度差以减少热冲击或热变形。因此，PCBA的焊接与单点的焊接有本质的差别，焊接时间会大大延长。

与工艺联系起来看，比如采用的是有铅工艺还是无铅工艺，是Im-Sn还是HASL，不同的工艺条件，对温度曲线的要求是不同的。

一般而言一个比较好的温度曲线，应该具备：

1）PCBA上最大热容量处与最小热容量处在预热结束时温度汇交，也就是整板温度达到热平衡；

2）整板上最高峰值温度满足元件耐热要求，最低峰值温度符合焊点形成要求；

3）BGA封装上的最高温度与最低温度之间不得有大于5℃的温差存在，一般不允许超过7℃；

4）通过建立温度曲线，首先按照PCBA的热特性对其进行工艺性分类，以便对每类产品确定合适的温度曲线；

5）基于我们关心的问题- 焊点的形成温度、封装的最高温度以及温度均匀性，应该选择有代表性的封装作为我们的分类条件，能够反映PCBA上最高温度、最低温度以及BGA焊接质量的点作为测试点。

 

 

评估回流焊炉温度曲线测试

在焊接工艺制程控制中的必要性

 

 

 

 

 

有几点原因可以说明目前SMT工厂在回流焊上需要有自己的温度曲线测试仪的重要性。

首先，使用SMT炉温曲线测试仪是整个回流焊炉运作过程中控制工艺制程的关键。没有温度曲线测试仪，你将无法知道炉子的机能是否完善，是否需要校验等等。

其次，温度曲线测试仪对帮助厂商在规范作业下，进行所有线路板上元器件的校验及焊接以确保高可靠低损耗的生产起关键性的作用。

举例说明：一些SMT电子元器件IC芯片的最高融点为240C；

 

 

 

如果没有温度曲线测试仪，你怎样才能知道目前你所设置的状态是否符合这些元器件的融点要求。

第三，拥有温度测试仪能降低生产损耗及对生产损耗进行分析以避免其重复发生。影响焊接质量的直接原因有上升斜率、浸锡温度、润湿时间、融锡时间，平均温度及其它的回流焊参数。如果没有温度曲线测试仪，你就无法精确测量回流焊工艺制程中的这些重要特性。

最后，当你将新的线路板引进不同的热工艺制程中时，它们需要对回流焊的参数进行微调（校零及链速设置）以确保焊接时符合元器件及焊膏本身的性能参数。

回流焊炉温度曲线温度测试对线PCBA路板生产质量有多重要？

以下是突出其重要性的原因:

1、 为确保产品的品质必须让产品在合乎规格范围内生产。回流焊炉就像是一个黑箱，它本身无法确定产品是否在规定的条件下生产。为了弥补这个缺点，需要对工艺制程窗口进行确认（综合焊接规格、成份及底层容差），及对温度曲线的每一部分进行测量。这仅仅是温度测试仪局部及拖尾线测温曲线方法的使用。

2、 热工艺制程是时时刻刻动态变化的。另外，回流焊炉热处理工具的过时是因为炉子预修、融解、磨损及毁坏等改变造成的。对于这样的炉子的解决方法是找出一个可接受的以前的制程，因此现在不在制程参数范围内！温度测试仪将确认这事，且它的制程优化软件将有助炉子选择它最适宜的设置。

3、 文件、客户，QA管理，ISO9000，及其它许多涉及PCB板制程经验的需求文件。（机器的设置相反。）

无铅技术的工艺窗口非常窄，其结果是在保持相同的成分及底层容差的情况下能有较高的焊接融解温度，没有热处理工艺温度曲线测试，原先合格的有铅焊接质量标准将不能在无铅焊接中得到保证。

 

 

 

 

数据读取与打印步骤

 

 

 

1、将出炉的测温仪按下SWITCH按钮，停止记录数据。

2、打开电脑中的测温软件。

3、将数据线与测温仪连接，并点击连接完成。

4、软件读取数据，点击温度分析，查看参数是否在标准范围内。

5、温度曲线/参数标准范围：

结束语：

回流焊接是SMT工艺中复杂而关键的工艺，涉及到自动控制，材料流体力学和冶金学等各种学科，理论作指引，实践出真知！本文虽然解析了再流焊温度曲线及其工艺窗口的原理和评价原则。但对于具体产品温度曲线的调节，每个温区的温度该增加或减少几度，链速该增加或减少多少只有通过实操才能掌握，学习理论指引的方法论，同时多实践、多体会、多思考，你就可以成为调节温度曲线的行家里手。

简而言之，回流焊接是一个焊料受热融化湿润与焊件冶金结合的过程，对回流设备而言是准确控制加热温度与时间，为焊接件提供热量的过程，对于多温区回流炉，通过合理划分温度曲线的加热区域和调节温度等相关参数，从而设计开发合理的温度曲线，保证每个温区的温度与时间达到最佳配置，是工艺人员一直努力的方向，要获得最优的回流温度曲线，从而获得优良的焊接质量，还必须要深入地研究焊接工艺的各个方面。

 

 

 

 

DIP波峰焊机与氮气

焊接工艺扩展阅读 :

再下来先给大家详细讲述一下有铅锡与无铅锡的区别，以供大家参考。

1、从锡的表面看有铅锡比较亮，无铅锡(SAC)比较暗淡。无铅的浸润性要比有铅的差一点。

2、有铅中的铅对人体有害，而无铅就没有。有铅共晶温度比无铅要低。具体多少要看无铅合金的成份，像无铅的共晶是217度，焊接温度是共晶温度加上30~50度。要看实际调整。有铅共晶是183度。机械强度、光亮度等有铅要比无铅好。

3、无铅锡的铅含量不超过0.5 ，有铅的达到37。

4、铅会提高锡线在焊接过程中的活性，有铅锡线相对比无铅锡线好用，不过铅有毒，长期使用对人体不好，而且无铅锡会比有铅锡熔点高，这样就焊接点牢固很多。

常见有铅锡成分为63/37的熔点是180°~185°；无铅的锡熔点218度,温度调至约为225°~235°，烙铁的温度一般都是调到300°左右为最佳作业温度，喷锡锡炉温度需要控制在280-300度；过波峰温度需要控制在260度左右；过回流温度260-270度。

波峰焊焊料槽温度的均匀性和稳定性定义：焊料槽内波峰焊料和液面内各点之间的温度差异（△T）的大小即反映了焊料槽温度的均匀性。工艺要求△T≦0.5℃。

温度均匀性测定：用精度≦0.5℃的标准温度计（选择在整个温度范围内的准确度可以达到了± 0.5℃以上的标准温度计产品和在波峰焊工作特定温度范围内准确度可以达到± 0.5℃以上的标准温度计产品均可以实现，以下同）直接测量波峰和页面内温度。

温度稳定性测定：将波峰焊设备设置正常工作温度，待设备自身测温显示稳定后，用精度≦0.5℃的标准温度计，每个10min测试焊料槽内温度，连续测量10次，即可通过温度变化判断设备设定偏差和设定温度稳定性。

值得注意的是，推荐的波峰焊焊接温度并不等于焊料槽实际温度。在波峰焊接过程中，焊点实际达到的温度是介于焊料槽温度和被焊接工件温度之间的某一中间温度。以Sn63Pb37共晶焊料为例，其共晶点为183℃，其波峰焊接温度约为220℃，对应此状态，焊料槽的设定温度通常为250℃左右。这是因为在波峰焊焊接过程中，影响焊点质量的主要温度因素是被焊件预热温度、被焊件的热容、助焊剂活化效果等。对温度的这些要求必须和焊料波峰所能提供的热量相平衡。

 

 

 

 

 

 

 

 

解析SMT回流焊炉 

加氮气的优缺点 

 

 

 

 

 

SMT回流焊炉加氮气（N2）最主要用途在降低焊接面氧化，提高焊接的润湿性，因为氮气属于惰性气体（inert gas）的一种，不易与金属产生化合物，也可以避免空气中的氧气与金属接触产生氧化的反应。

而使用氮气可以改善smt焊接性的原理（机理）是基于氮气环境下焊锡的表面张力会小于暴露于大气环境，使得焊锡的流动性与润湿性得到改善。其次是氮气把原本空气中的氧气（O2）及可污染焊接表面的物质溶度降低，大大的降低了焊锡高温时的氧化作用，尤其在第二面回流焊品质的提升上助益颇大。

氮气在SMT回流焊中的应用 :

尽管七十年代初氮气就已经应用于电子制造，但直到引入了免清洗技术，因其需要在惰性气体环境中进行焊接，氮气的使用才得到广泛的认可。由于无铅焊料的润湿性能较差，惰性气体的使用更加必要。

回流焊中的氮气 :

在惰性气体应用于波峰焊接制程之前，氮气就一直用于回流焊接中。部份原因是在表面黏着陶瓷混合电路的回流焊中，混合IC工业长期使用氮气，当其它公司看到混装IC制造的效益时，他们便将这个原理应用到了PCB焊接中。

 

 

在这种焊接中，氮气也取代了系统中的氧气。氮气可引入到每一个区域，不只是在回流区，也用于制程的冷却过程。现在大多数回流焊系统已经为应用氮气作好了准备；一些系统能够很容易地进行升级，以采用气体喷射。

研究表明元件叠层封装（PoP）和球栅阵列封装（BGA）利用氮气氛围焊接，可显着提高避免焊接缺陷所允许的元件最大变形量，即变形阈值，降低SMT焊接缺陷!

为了减少焊接过程中的二次氧化及提升焊接质量， 在涉及到CSP、 PoP、BGA、DCA 和 Flip Chip等特殊元件时，为了提高焊接质量，氮气回流是一个很好的选择。

小编必须要强调“氮气并不是解决氧化的万灵丹”，如果零件或是电路板的表面已经严重氧化，氮气是无法使其起死回生的，而且氮气也仅对轻微氧化可以产生补救的效果（是补救，不是解决）。其实，储存及作业过程中只要可以确保PCB的表面处理及零件不会产生有氧化，加氮气基本上没有太大的作用，最多就是促进焊锡的流动、增加爬锡的高度。但是，话又说回来，还真没几家公司可以百分百确保其PCB及零件表面处理没有氧化的。

前面说了许多氮气的优点，话说回来“回流焊炉（Reflow oven）”使用氮气并不是百利而无害，先不说加氮气“烧钱”的问题，就因为氮气可以促进焊锡的流动效果，所以才会出问题，听起来怪怪的？

▲节能型创新氮气产生机系统

因为焊锡的流动太好也意味着加温效果较好，这个效果对大部分零件有好处，但是可能会恶化电阻电容这种小零件（small-chip）的“墓碑效应（Tombstone effect）”，因为零件一端先融锡而一端未融锡，先融锡的一端内聚力加强后就会开始拉扯零件，未融锡端拉不住零件，最后形成立碑，根据经验墓碑问题特别容易发生在0603与0805大小的小电阻及电容上，因为其尺寸及锡膏印刷距离刚好容易立起零件。

另外，氮气也会增加焊锡的“灯芯效应”，让锡膏可以沿着零件焊脚的表面爬锡更高，这对某些零件焊脚可能是加分，但是对某些连接器可能就是剪分，因为连接器的焊脚再往上通常是与其他零件连接的接触点，这些接触点如果吃锡可能会造成其他问题，而且现在的连接器脚间距很窄，焊锡往上爬可能有短路的风险。

下面就来总结一下前面的观点：

1、回流焊加氮气的优点：

1）快速冷却而没有铜氧化

2）提升焊接能力，端子和焊盘的润湿(wetting)较快

3）增强焊锡性

4）减少空洞率（void）。因为锡膏或焊垫的氧化降低，空洞自然就减少了。

5）改善了助焊剂残留物和焊点表面的外观

6）改进免清洗焊接的性能

2、回流焊加氮气的缺点：

1）烧钱

2）增加墓碑的机率

3）增强灯芯效应

3、什么样的电路板或零件适合使用氮气回流焊？

1）OSP表面处理双面回流焊的板子适合使用氮气。

2）零件或电路板吃锡效果不好时可以使用。

3）使用氮气后需注意墓碑不良是否增加，也要检查连接器焊脚爬锡是否过高？

审核编辑 ：李倩