錫膏特性決定回流曲線的基本特性。不同的錫膏由于助焊劑(Flux)有不同的化學(xué)組分,因此它的化學(xué)變化有不同的溫度要求,對(duì)回流溫度曲線也有不同的要求。一般錫膏供應(yīng)商都能提供一個(gè)參考回流曲線,用戶可在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的產(chǎn)品特性優(yōu)化。 圖11是一個(gè)典型的Sn63/Pb37錫膏的溫度回流曲線[6](P3-7)。 以此圖為例,來(lái)分析回流焊曲線。它可分為4個(gè)主要階段:
1)把PCB板加熱到150℃左右,上升斜率為1-3 ℃/秒。 稱預(yù)熱(Preheat)階段。
2)把整個(gè)板子慢慢加熱到183 ℃。稱均熱(Soak或Equilibrium)階段。時(shí)間一般為60-90秒。
3)把板子加熱到融化區(qū)(183 ℃以上),使錫膏融化。稱回流(Reflow Spike)階段。在回流階段板子達(dá)到最高溫度,一般是215 ℃ +/-10 ℃。回流時(shí)間以45-60秒為宜,最大不超過(guò)90秒。
4)曲線由最高溫度點(diǎn)下降的過(guò)程。稱冷卻(Cooling)階段。一般要求冷卻的斜率為2 -4℃/秒。
預(yù)熱階段的目的是把錫膏中較低熔點(diǎn)的溶劑揮發(fā)走。錫膏中助焊劑的主要成分包括松香,活性劑,黏度改善劑,和溶劑。溶劑的作用主要作為松香的載體和保證錫膏的儲(chǔ)藏時(shí)間。預(yù)熱階段需把過(guò)多的溶劑揮發(fā)掉,但是一定要控制升溫斜率,太高的升溫速度會(huì)造成元件的熱應(yīng)力沖擊,損傷元件或減低元件性能和壽命,后者帶來(lái)的危害更大,因?yàn)楫a(chǎn)品已流到了客戶手里。另一個(gè)原因是太高的升溫速度會(huì)造成錫膏的塌陷,引起短路的危險(xiǎn),尤其對(duì)助焊劑含量較高(達(dá)10%)的錫膏。
均熱階段的設(shè)定主要應(yīng)參考焊錫膏供應(yīng)商的建議和PCB板熱容的大小。因?yàn)榫鶡?階段有兩個(gè)作用,一個(gè)是使整個(gè)PCB板都能達(dá)到均勻的溫度(175℃左右),均熱的目的是為了減少進(jìn)入回流區(qū)的熱應(yīng)力沖擊,以及其它焊接缺陷如元件翹起,某些大體積元件冷焊等。均熱階段另一個(gè)重要作用就是焊錫膏中的助焊劑開(kāi)始發(fā)生活性反應(yīng),它將清除焊件表面的氧化物和雜質(zhì),增大焊件表面潤(rùn)濕性能(及表面能),使得融化的焊錫能夠很好地潤(rùn)濕焊件表面。由于均熱段的重要性,因此均熱時(shí)間和溫度必須很好地控制,既要保證助焊劑能很好地清潔焊面,又要保證助焊劑到達(dá)回流之前沒(méi)有完全消耗掉。助焊劑要保留到回流焊階段是必需的,它能促進(jìn)焊錫潤(rùn)濕過(guò)程和防止焊接表面的再氧化。尤其是目前使用低殘留,免清洗(no-clean)的焊錫膏技術(shù)越來(lái)越多的情況下,焊膏的活性不是很強(qiáng),且回流焊接的也多為空氣回流焊,更應(yīng)注意不能在均熱階段把助焊劑消耗光。
回流階段,溫度繼續(xù)升高越過(guò)回流線(183℃),錫膏融化并發(fā)生潤(rùn)濕反應(yīng),開(kāi)始生成金屬間化合物層。到達(dá)最高溫度(215 ℃左右),然后開(kāi)始降溫,落到回流線以下,焊錫凝固?;亓鲄^(qū)同樣應(yīng)考慮溫度的上升和下降斜率不能使元件受到熱沖擊?;亓鲄^(qū)的最高溫度是由PCB板上的溫度敏感元件的耐溫能力決定的。在回流區(qū)的時(shí)間應(yīng)該在保證元件完成良好焊接的前提下越短越好,一般為30-60秒最好,過(guò)長(zhǎng)的回流時(shí)間和較高溫度,如回流時(shí)間大于90秒,最高溫度大于230度,會(huì)造成金屬間化合物層增厚,影響焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性[4]。
冷卻階段的重要性往往被忽視。好的冷卻過(guò)程對(duì)焊接的最后結(jié)果也起著關(guān)鍵作用。好的焊點(diǎn)應(yīng)該是光亮的,平滑的。而如果冷卻效果不好,會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題諸如元件翹起,焊點(diǎn)發(fā)暗,焊點(diǎn)表面不光滑,以及會(huì)造成金屬間化合物層增厚等問(wèn)題。因此回流焊接必須提供良好的冷卻曲線,既不能過(guò)慢造成冷卻不良,又不能太快,造成元件的熱沖擊。