3-SMT关键工序-再流焊工艺控制

SMT关键工序-再流焊工艺控制顾霭云1.再流焊定义

再流焊Reflowsoldring，通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。再流焊2.再流焊原理

37Pb/63Sn铅锡焊膏再流焊温度曲线

从温度曲线分析再流焊的原理：当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元件焊端与氧气隔离；PCB进入保温区时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件；在助焊剂活化区，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元件焊端，并清洗氧化层；当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡润湿PCB的焊盘、元件焊端，同时发生扩散、溶解、冶金结合，漫流或回流混合形成焊锡接点；PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了再流焊。

3.再流焊工艺特点自定位效应（selfalignment）—当元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力作用，当其全部焊端或引脚与相应焊盘同时被润湿时，在表面张力作用下，自动被拉回到近似目标位置的现象；

自定位效应（selfalignment）再流焊前再流焊后再流焊中4.再流焊的分类1)按再流焊加热区域可分为两大类：a对PCB整体加热；b对PCB局部加热。

2)对PCB整体加热再流焊可分为：

热板再流焊、红外再流焊、热风再流焊、热风加红外再流焊、气相再流焊。3)对PCB局部加热再流焊可分为：

激光再流焊、聚焦红外再流焊、光束再流焊、热气流再流焊。5.再流焊的工艺要求1)设置合理的温度曲线并定期做温度曲线的实时测试。2)要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。3)焊接过程中严防传送带震动。4)必须对首块印制板的焊接效果进行检查。检查焊接是否充分、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况。还要检查PCB表面颜色变化等情况。并根据检查结果调整温度曲线。在整批生产过程中要定时检查焊接质量。高质量＝高直通率＋高可靠（寿命保证）不提倡检查-返修或淘汰的-贯做法，更不容忍错误发生。任何返修工作都可能给成品质量添加不稳定的因素。再流焊质量要求返修的潜在问题返修工作都是具有破坏性的…

特别是当前组装密度越来越高，组装难度越来越大尽量避免返修，或控制其不良后果！返修会缩短产品寿命过去我们通常认为，补焊和返修，使焊点更加牢固，看起来更加完美，可以提高电子组件的整体质量。但这一传统观念并不正确。6.影响再流焊质量的因素再流焊是SMT关键工艺之一。表面组装的质量直接体现在再流焊结果中。但再流焊中出现的焊接质量问题不完全是再流焊工艺造成的。因为再流焊接质量除了与焊接温度（温度曲线）有直接关系以外，还与生产线设备条件、PCB焊盘和可生产性设计、元器件可焊性、焊膏质量、印制电路板的加工质量、以及SMT每道工序的工艺参数、甚至与操作人员的操作都有密切的关系。(1)PCB焊盘设计对再流焊质量的影响

SMT的组装质量与PCB焊盘设计有直接的、十分重要的关系。如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在再流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正（称为自定位或自校正效应）；相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。

(2)焊膏质量、及焊膏的正确使用

对再流焊质量的影响焊膏中的金属微粉含量、颗粒度、金属粉末的含氧量、黏度、触变性都有一定要求。焊膏质量如果金属微粉含量高,再流焊升温时金属微粉随着溶剂、气体蒸发而飞溅；颗粒过大，印刷时会影响焊膏的填充和脱膜；如金属粉末的含氧量高，还会加剧飞溅，形成焊锡球，同时还会引起不润湿等缺陷；另外，如果焊膏黏度过低或焊膏的保形性（触变性）不好，印刷后焊膏图形会塌陷，甚至造成粘连，再流焊时也会形成焊锡球、桥接等焊接缺陷。焊膏使用不当例如从低温柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的温度比室温低，产生水汽凝结，再流焊升温时，水汽蒸发带出金属粉末，在高温下水汽会使金属粉末氧化，飞溅形成焊锡球，还会产生润湿不良、等问题。(3)元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘质量对再流焊质量的影响当元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘氧化或污染，或印制板受潮等情况下，再流焊时会产生润湿不良、虚焊，焊锡球、空洞等焊接缺陷。解决措施措施1：采购控制措施2：元器件、PCB、工艺材料的存放、保管、发放制度措施3：元器件、PCB、材料等过期控制（过期的物料原则上不允许使用，必须使用时需要经过检测认证，确信无问题才能使用）采购控制

根据采购产品的重要性，将供方和采购产品分类。对供方要有一套选择、评定和控制的办法，采购合格产品。制定一套严格的进货检验和验证制度。SMT主要控制：元器件、工艺材料、PCB加工质量、模板加工质量。来料检测主要项目举例1：元器件质量控制(a)尽量定点采购——要与元件厂签协议，必须满足可贴性、可焊性和可靠性的要求；(b)如果分散采购，要建立入厂检验制度，抽测以下项目：电性能、外观（共面性、标识、封装尺寸、包装形式）可焊性（包括润湿性试验、抗金属分解试验）。(c)防静电措施。(d)注意防潮保存。(e)元器件的存放、保管、发放均有一套严格的管理制度，做到先进先出、帐、物、卡相符，库管人员受到培训、库房条件能保证元器件的质量不至于受损。表面组装元器件(SMC/SMD)的来料检验除了对关键元器件的电性能要进行全检外，其它只作抽检。对元器件的可焊性、耐焊性引脚共面性和使用性进行抽检。a元器件焊端或引脚可焊性要求235℃±5℃，2±0.2s或230℃±5℃，3±0.5s，焊端90%沾锡；

b再流焊耐高温焊接要求：235℃±5℃，2±0.2s；波峰焊：260℃±5℃，5±0.5s；c对以下项目做外观检查：①目视或用放大镜检查元器件的焊端或引脚表面是否氧化、有无污染物。②元器件的标称值、规格、型号、精度等应与产品工艺文件要求相符。③SOT、SOP、QFP的引脚不能变形,对引线间距为0.65mm以下的多引线器件QFP其引脚共面性应小于0.1mm（可通过贴装机光学检测）。④要求清洗的产品，清洗后元器件的标记不脱落，且不影响元器件性能和可靠性。可焊性测试方法检测的焊端表面组装元器件的运输和存储

（国际电工委员会IEC标准）

不适合的运输和存储条件会导致元器件质量下降，引起可焊性差，造成各种焊接缺陷。

①运输条件应带包装运输，避免超温、超湿以及机械力的影响。最低温度：－40℃温度变化：在－40℃/30℃范围内低压：30Kpa压力变化：6Kpa/min运输时包装箱不可变形，并不应有直接作用在内部包装上的力。总运输时间（指不在受控的存储时间）尽可能短。最好＜10天。运输条件取决于电子元器件的敏感性。优先选择受控的货舱空运。不建议海运。②存储条件温度：－40℃~30℃相对湿度：10%~75%总共存储时间：不应超过2年（从制造到用户使用）。到用户手中至少有一年的使用期。存储期间不应打开最小包装单元（SPU），SPU最好保持原始包装。不要存储在有害气体和有害电磁场在环境中。③使用时遵循先到先用的原则④静电敏感元器件（SSD）运输、存储、使用要求(a)SSD运输过程中不得掉落在地，不得任意脱离包装。(b)存放SSD的库房相对湿度：30~40%RH。(c)SSD存放过程中保持原包装，若须更换包装时，要使用具有防静电性能的容器。(d)库房里，在放置SSD器件的位置上应贴有防静电专用标签。防静电警示标志(e)发放SSD器件时应用目测的方法，在SSD器件的原包装内清点数量。SMD潮湿敏感等级敏感性芯片拆封后置放环境条件拆封后必须使用的期限（标签上最低耐受时间）1级≤30℃，<90%RH无限期2级≤30℃，<60%RH1年2a级≤30℃，<60%RH4周3级≤30℃，<60%RH168小时4级≤30℃，<60%RH72小时5级≤30℃，<60%RH48小时5a级≤30℃，<60%RH24小时（1）设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度（2）工艺要对潮湿敏感元件做时间控制标签（3）对已受潮元件进行去潮处理aPCB的焊盘图形及尺寸、阻焊膜、丝网、导通孔的设置应符合SMT印制电路板设计要求。（例：检查焊盘间距是否合理、丝网是否印到焊盘上、导通孔是否做在焊盘上等）bPCB的外形尺寸应一致，PCB的外形尺寸、定位孔、基准标志等应满足生产线设备的要求。cPCB允许翘曲尺寸：0.0075mm/mm—向上/凸面：最大0.2mm/50mm长度凸面最大0.5mm/整块PCB长度方向—向下/凹面：最大0.2mm/50mm长度凹面最大1.5mm/整块PCB长度方向d预防PCB受潮或污染（对已受潮、污染的PCB作清洗和烘烤处理）举例2：PCB质量控制

由于一般中、小企业都不具备材料的检测手段，因此对于焊膏、贴片胶、棒状焊料、焊剂、清洗剂等表面组装材料一般不作检验，主要靠对焊膏、贴片胶等材料生产厂家的质量认证体系的鉴定，并固定进货渠道，定点采购。进货后主要检查产品的包装、型号、生产厂家、生产日期和有效使用期是否符号要求，检查外观、颜色、气味等方面是否正常。另外，在使用过程中观察使用效果，发现问题及时与供应商或生产厂家取得联系。首次使用的新焊膏，应做一些常规检测。如外观、气味、印刷性、触变性、常温使用寿命、焊点外观质量、焊后的锡球、残留物、清洗性等是否能满足要求。如高品质要求的产品，还要在产品的电性能测试中做验证。举例3：工艺材料质量控制焊膏的正确使用与管理a)必须储存在5~10℃的条件下；b)要求使用前一天从冰箱取出焊膏，待焊膏达到室温后才能打开容器盖，防止水汽凝结；c)使用前用不锈钢搅拌棒将焊膏搅拌均匀，搅拌棒一定要清洁；d)添加完焊膏后，应盖好容器盖；e)免清洗焊膏不能使用回收的焊膏，如果印刷间隔超过1小时，须将焊膏从模板上拭去。将焊膏回收到当天使用的容器中；f)印刷后尽量在4小时内完成再流焊。g)免清洗焊膏修板后不能用酒精檫洗；h)需要清洗的产品，再流焊后应当天完成清洗；i)印刷操作时，要求拿PCB的边缘或带手套，以防污染PCB。j)回收的焊膏与新焊膏要分别存放(4)焊膏印刷质量据资料统计，在PCB设计正确、元器件和印制板质量有保证的前提下，表面组装质量问题中有70%的质量问题出在印刷工艺。少印粘连塌边错位

保证贴装质量的三要素：a元件正确b位置准确c压力（贴片高度）合适。(5)贴装元器件正确不正确贴片压力（吸嘴高度）(6)再流焊温度曲线温度曲线是保证焊接质量的关键，实时温度曲线和焊膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。160℃前的升温速率控制在1~2℃/s。如果升温斜率速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件，易造成PCB变形。另一方面，焊膏中的熔剂挥发速度太快，容易溅出金属成份，产生焊锡球；峰值温度一般设定在比合金熔点高30~40℃左右（例63Sn/37Pb焊膏的熔点为183℃，峰值温度应设置在215℃左右），再流时间为60~90s。峰值温度低或再流时间短，会使焊接不充分，不能生成一定厚度的金属间合金层。严重时会造成焊膏不熔。峰值温度过高或再流时间长，使金属间合金层过厚，也会影响焊点强度，甚至会损坏元器件和印制板。设置再流焊温度曲线的依据：

a不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置（主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间）。b根据PCB板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。c根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。d还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块PCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是PCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。e还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。f还要根据排风量的大小进行设置。g环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要避免对流风。(7)再流焊设备对焊接质量的影响a温度控制精度；b传输带横向温度均匀；c加热区长度越长、加热区数量越多，越容易调整和控制温度曲线，无铅焊接应选择7温区以上；d最高加热温度一般为300~350℃，考虑无铅焊料或金属基板，应选择350℃以上；e要求传送带运行平稳，震动会造成移位、吊桥、冷焊等缺陷；g应具备温度曲线测试功能，否则应外购温度曲线采集器。7.如何正确测试再流焊实时温度曲线（1）利用再流焊炉自带的具有耐高温导线的热电耦或温度采集器，及温度曲线测试软件（KIC）进行测试。（2）测试步骤①准备一块焊好的表面组装板。②至少选择三个以上测试点选取能反映出表面组装板上高、中、低有代表性的三个温度测试点。最高温度部位一般在炉堂中间，无元件或元件稀少及小元件处；最低温度部位一般在大型元器件处（如PLCC），传输导轨或炉堂的边缘处。

③用高温焊料将三根热电耦的三个测试端焊在三个焊点上（必须将原焊点上的焊料清除干净）。或用高温胶带纸将三根热电耦的三个测试端粘在PCB的三个温度测试点位置上，特别要注意，必须粘牢。如果测试端头翘起，采集到的温度不是焊点的温度，而是热空气温度。④将三根热电耦的另外一端插入机器台面的1、2、3插孔的位置上，或插入采集器的插座上。注意极性不要插反。并记住这三根热电耦在表面组装板上的相对位置。⑤将被测的表面组装板置于再流焊机入口处的传送链/网带上，同时启动测试软件。随着PCB的运行，在屏幕上画实时曲线。⑥当PCB运行过最后一个温区后，拉住热电耦线将表面组装板拽回，此时完成了一个测试过程。在屏幕上显示完整的温度曲线和峰值表。（如果使用采集器，应将采集器放在表面组装板后面，略留一些距离，并在出口处接出，然后通过计算机软件调出温度曲线）8.如何正确分析与调整再流焊温度曲线

测定实时温度曲线后应进行分析和调整，以获得最佳、最合理的温度曲线。（1）根据焊接结果，结合实时温度曲线和焊膏温度曲线作比较。并作适当调整（以Sn63/Pb37焊膏为例）a）实时温度曲线和焊膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。b）从室温到100℃为升温区。升温速度控制在＜2℃/s。或160℃前的升温速度控制在1℃~2℃/s。

37Pb/63Sn铅锡焊膏再流焊温度曲线

c）从100~150（160）℃为保温区。约60~90s。如果升温斜率速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件，易造成PCB变形。另一方面，焊膏中的熔剂挥发速度太快，容易溅出金属粉末，产生锡球；如果预热温度太高、时间过长，容易使金属粉末氧化，影响焊接质量；d）从150~183℃为快速升温区，或称为助焊剂浸润区。升温速度应控制在1.2℃~3.5℃/s。当温度升到150~160℃时，焊膏中的助焊剂迅速分解活化，如时间过长会使助焊剂提前失效，影响液态焊料浸润性，影响金属间合金层的生成；

e）183~183℃是焊膏从融化到凝固的焊接区，或称为回流区。一般为60~90s。f）峰值温度一般定在比焊膏熔点高30℃~40℃左右（Sn63/Pb37焊膏的熔点为183℃，峰值温度为210~230℃左右）。这是形成金属间合金层的关键区域。大约需要15~30s。焊接热是温度和时间的函数。温度高，时间可以短一些；温度低，时间应长一些。峰值温度低或再流时间短，会使焊接不充分，金属间合金层太薄（＜0.5μm），严重时会造成焊膏不熔；峰值温度过高或再流时间长，造成金属粉末严重氧化，合金层过厚（＞4μm），影响焊点强度，严重时还会损坏元器件和印制板，从外观看，印制板会严重变色。

（2）调整温度曲线时应按照热容量最大、最难焊的元件为准。要使最难焊元件的焊点温度达到210℃以上。

总结：从以上分析可以看出，再流焊质量与PCB焊盘设计、元器件可焊性、焊膏质量、印制电路板的加工质量、生产线设备、以及SMT每道工序的工艺参数、甚至与操作人员的操作都有密切的关系。同时也可以看出PCB设计、PCB加工质量、元器件和焊膏质量是保证再流焊质量的基础，因为这些问题在生产工艺中是很难甚至是无法解决的。因此只要PCB设计正确，PCB、元器件和焊膏都是合格的，再流焊质量是可以通过印刷、贴装、再流焊每道工序的工艺来控制的。9.S