工程设计类学习(DAY12)：回流焊核心技术全解析

回流焊（Reflow Soldering），作为现代电子制造中表面组装技术（SMT）的核心工艺，是指通过重新熔化预先分配到印制电路板（PCB）焊盘上的膏状软钎焊料，从而实现表面组装元器件（SMC/SMD）的焊端或引脚与PCB焊盘之间机械与电气连接的一种软钎焊工艺。这一技术主要应用于表面贴装器件的焊接，是电子产品微型化、高密度化生产的关键环节。

回流焊之所以得名，是因为在焊接过程中，设备内部的热气流（通常为空气或氮气）在焊机内循环流动，产生高温环境。与此同时，焊膏中的焊料经历了一个从固态到液态再回到固态的"回流"过程，从而完成焊接。相比于传统的波峰焊，回流焊具有温度易于控制、焊接过程中能有效避免氧化、制造成本低等显著优势。我们日常所使用的电脑主板、显卡、手机等各种板卡上的元件，绝大多数都是通过这种工艺焊接在线路板上的。

第二章：回流焊的工作原理与温度区段

回流焊的基本原理是利用热风对焊点进行热传导，使胶状的焊剂（焊膏）在一定的高温气流下发生物理和化学反应，最终实现SMD器件与PCB的牢固连接。一个典型的回流焊过程在物理空间上分为四个主要温区，每个温区都有其特定的功能，对应着焊膏和PCB组件不同的物理变化状态。

A. 升温区

当PCB进入升温区时，焊膏内部的溶剂和气体开始蒸发。与此同时，焊膏中的助焊剂开始润湿焊盘、元器件端头和引脚。焊膏在受热后软化、塌落，覆盖了焊盘，从而将焊盘、元器件引脚与氧气隔离，防止氧化。此阶段的主要目的是将PCB从室温提升到预热温度，且需要控制升温速率以防止热冲击。

B. 保温区

PCB进入保温区后，系统的主要任务是让PCB和元器件得到充分的预热。这一步骤至关重要，因为它可以防止PCB在突然进入焊接高温区时因热应力过大而损坏，同时也确保了整块板子温度的均匀性，消除温差。

C. 焊接区

这是回流焊最关键的阶段。当PCB进入焊接区时，温度迅速上升，使焊膏达到熔化状态。液态焊锡在表面张力和助焊剂的作用下，对PCB的焊盘、元器件端头和引脚进行润湿、扩散、漫流。这个过程被称为"回流"，液态焊料会混合形成最终的焊锡接点。

D. 冷却区

最后，PCB进入冷却区。在这一区域，焊点逐渐凝固，完成从液态到固态的转变，从而完成了整个回流焊过程。冷却速率的控制直接影响焊点的微观结构和可靠性。

第三章：双轨回流焊技术解析

随着电子产品对生产效率要求的提高，双轨回流焊炉应运而生。这种设备通过同时平行处理两个电路板，理论上可使单个双轨炉的产能翻倍。目前，先进的双轨双速回流焊炉允许两条轨道拥有独立的速度控制，这使得同时处理两块差异更大（如尺寸、重量不同）的电路板成为现实。

1. 热传递机制

要理解双轨回流焊，必须深入分析热能从回流炉加热器向电路板传递的过程。在通常情况下，回流焊炉内的风扇推动气体（空气或氮气）经过加热线圈，气体被加热后，通过孔板内的一系列孔口传递到产品上。这个过程可以用热传导方程来描述。

热能传递公式为： q = a × t × A × ΔT

其中：

q = 传递到电路板上的热能
a = 电路板和组件的对流热传递系数
t = 电路板的加热时间
A = 传热表面积
ΔT = 对流气体和电路板之间的温度差

我们将电路板相关参数移到公式的一侧，并将回流焊炉参数移到另一侧，可帮助工程师理解如何通过调整炉子参数（如增加ΔT或t）来满足不同PCB（a和A不同）的热能需求。在双轨系统中，两条轨道上的ΔT和时间t可以独立控制，从而适应不同负载的板子。

2. 双面回流焊的挑战与趋势

双轨回流焊PCB已经相当普及，它给设计者提供了极大的弹性空间，从而能设计出更为小巧、紧凑的低成本产品。目前的工艺趋势倾向于对PCB两面都采用回流焊接（即双面回流焊）。然而，这一工艺仍存在技术难题：大板的底部元件可能会在第二次回流焊过程中，因为焊料再次熔化而受重力影响掉落，或者底部焊接点的部分熔融造成焊点可靠性问题。这需要通过优化焊膏粘度、调整温度曲线或使用特殊胶水来解决。

3. 负载因子

在双轨及高密度生产中，必须考虑"负载因子"对工艺的影响。负载因子定义为： LF = L / (L + S) 其中L为组装基板的长度，S为组装基板的间隔。

回流焊温度曲线的调整必须考虑在空载、负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。通常，回流焊炉的最大负载因子范围为0.5~0.9。负载因子越大，炉子热惯性越大，温度恢复越慢，获得重复性良好的焊接结果的难度就越大。工程师需要根据产品情况（元件焊接密度、不同基板）和炉子的具体型号来设定最佳参数。

第四章：回流焊工艺流程介绍

回流焊加工的对象为表面贴装板（SMB），其工艺流程根据PCB元件布局的复杂程度，主要分为单面贴装和双面贴装两种模式。

1. 单面贴装流程

这是最基础的SMT流程，适用于仅在PCB一面安装元器件的情况： 预涂锡膏 → 贴片（手工或机器自动） → 回流焊 → 检查及电测试

其核心在于丝印（预涂锡膏）的准确性，贴片环节依赖机器的PPM（每小时贴片数）和精度来定良率，而回流焊则是要精确控制温度上升、最高温度及下降温度的曲线。

2. 双面贴装流程

当PCB两面都需要安装元件时，工艺流程变得更为复杂。通常先焊接元件较少的一面（A面），再焊接元件较多的一面（B面）： A面预涂锡膏 → A面贴片 → A面回流焊 → 翻板 → B面预涂锡膏 → B面贴片 → B面回流焊 → 检查及电测试

在B面回流焊时，A面的焊点会再次经历高温过程。因此，必须确保A面焊料的熔点略高于B面，或者通过控制温度曲线，使B面焊接时温度刚好使B面焊膏熔化，而不至于完全熔化A面已凝固的焊点，防止A面元件脱落。

第五章：回流焊温度曲线的深度解析与设定

回流焊是SMT工艺的核心，PCB上所有的电子元器件通过整体加热一次性焊接完成。设定好温度曲线，就相当于"管好了炉子"。以下以最常用的无铅锡膏------Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC305）锡银铜合金为例，详细介绍理想回流焊温度曲线的设定方案及其背后的原理。

温度曲线通常由升温区、预热恒温区（保温区）、回流焊接区和冷却区四个区段组成。为了精确控制，我们引入"斜率"这一概念。斜率是指PCB通过回流焊某个区域的时间除以这个时间段内温度变化的绝对值，即升温或降温的速率。

一、升温区（A区）

PCB进入回流焊链条或网带，从室温开始受热到150℃的区域被称为升温区。

时间设置：60-90秒。
斜率控制：2-4℃/秒。

在此区域内，PCB板上的元器件温度相对较快的线性上升。锡膏中的低沸点溶剂开始部分挥发。

工艺原理 ：
- 如果斜率太大（升温过快），锡膏中的低沸点溶剂会迅速挥发或水气沸腾，发生飞溅，导致炉后出现"锡珠"缺陷。
- 过大的斜率还会产生巨大的热应力，可能导致陶瓷电容微裂、PCB板变形曲翘、BGA内部损坏等机械损伤。
- 升温过快也会使锡膏无法承受热冲击而发生坍塌，这是造成"短路"的原因之一。
- 实践经验表明，很多厂商的SMT线该区域的斜率实际控制在1.5-2.5之间能得到满意的效果。由于元器件尺寸、质量不一，升温区结束时，大小元器件之间的温度差异通常相对较大。

二、预热恒温区（B区）

此区域也称为保温区或活化区。

温度范围：PCB表面温度由150℃平缓上升至200℃。
时间窗口：60-120秒。
斜率：0.3-0.8℃/秒（非常平缓）。

在此阶段，PCB板上各个部分缓缓受到热风加热，锡膏中的有机溶剂继续挥发。活性物质被温度激活，开始发挥作用，清除焊盘表面、零件脚和锡粉合金粉末中的氧化物。

设置目的与意义 ：
- 减少温差：恒温区平缓升温的主要目的是兼顾PCB上大小不一的元器件，使其均匀升温。让不同尺寸和材料的元器件之间的温度差逐渐减小，在锡膏熔融之前达到最小的温差。这是防止"墓碑"缺陷（一端翘起）的重要方法。
- 激活助焊剂：众多无铅锡膏厂商的SAC305配方里，活性剂的活化温度大都在150-200℃之间，这就是温度曲线在此区间预热的原因。
注意事项 ：
1. 预热时间过短：活性剂与氧化物反应时间不足，被焊物表面的氧化物未能有效清除；锡膏中的水气未能完全缓慢蒸发，低沸点溶剂挥发量不足。这将导致焊接时溶剂猛烈沸腾而发生飞溅产生"锡珠"，以及润湿不足，产生"少锡"、"虚焊"、"空焊"、"漏铜"等不良。
2. 预热时间过长：活性剂消耗过度。在进入下一个高温焊接区时，熔融的焊料没有足够的活性剂来即时清除与隔离高温产生的氧化物，导致助焊剂高温碳化。这种情况在炉后表现为"虚焊"、"残留物发黑"、"焊点灰暗"等不良现象。

三、回流焊接区（C区）

这是温度曲线中最核心的区段，也叫焊接区或Reflow区。

温度范围：SAC305合金的熔点在217℃-218℃，本区域指温度＞217℃的时间段。
峰值温度：通常控制在230℃-245℃之间（最低＞230℃，最高＜250℃）。
时间：30-70秒。

形成优质焊点的温度一般在焊料熔点之上15-30℃左右。

化学反应过程 ：
- 在此阶段，焊膏中的各种组分全面发挥作用：松香或树脂软化并在焊料周围形成一层保护膜，隔绝氧气。
- 表面活性剂被激活，用于降低焊料和被焊面之间的表面张力，增强液态焊料的润湿力。
- 活性剂继续与氧化物反应，不断清除高温产生的氧化物与被碳化物，并提供部分流动性，直到反应完全结束。
- 部分添加剂在高温下分解并挥发，不留下残留物。高沸点溶剂随着时间不断挥发，并在回焊结束时完全挥发。稳定剂均匀分布于金属中和焊点表面，保护焊点不受氧化。
- 焊料粉末从固态转换为液态，并随着焊剂润湿扩展。少量不同的金属发生化学反应生成金属间化合物（IMC），如典型的锡银铜合金会有Ag3Sn（银锡化合物）、Cu6Sn5（铜锡化合物）生成。
工艺控制要点 ：此区段需要在峰值温度、PCB和元器件能承受的温度上限与时间、形成最佳焊接效果的熔融时间之间寻求平衡。
- 峰值温度过低或时间过短：液态焊料没有足够的时间流动润湿，造成"冷焊"、"虚焊"、"浸润不良（漏铜）"、"焊点不光亮"和"残留物多"等缺陷。
- 峰值温度过高或时间过长：造成"PCB板分层/变形"、"元器件热损坏"、"残留物发黑"、"焊盘剥离"等缺陷。

四、冷却区（D区）

焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区。对于SAC305，通常指217℃-170℃（或150℃）之间的时间段。

工艺原理 ：由于液态焊料降温到液相线以下后就形成固态焊点，焊点的冷却速率关乎焊点的长期可靠性。
- 慢速冷却的弊端：直觉上可能认为应缓慢降温以减少热冲击，但实验证明，回流焊慢速冷却会形成更多粗大的晶粒，在焊点界面层和内部生成较大的Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物颗粒。这会降低焊点的机械强度和热循环寿命，并且可能导致焊点灰暗、光泽度低。
- 快速冷却的优势：快速冷却能形成平滑均匀而薄的金属间化合物层，形成细小的富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小晶粒，使焊点的力学性能和可靠性得到明显提升。
控制标准：生产应用中，并非冷却速率越大越好，要结合设备能力、板子和元器件能承受的热冲击来考量。最小冷却速率应该在2.5℃/秒以上，最佳冷却速率在3℃/秒以上。考虑到元器件和PCB的耐受度，最大冷却速率通常控制在6-10℃/秒。工厂在选择设备时，最好选择带水冷功能的回流焊，以获得较强的冷却能力储备。

第六章：回流焊工艺要求及影响质量的因素

1. 基本工艺要求

回流焊技术在电子制造领域至关重要，其优势在于温度可控、防氧化、成本可控。为确保质量，必须遵守以下要求：

温度曲线管理：要设置合理的再流焊温度曲线，并定期做温度曲线的实时测试。
焊接方向：要严格按照PCB设计时的焊接方向进行焊接，防止阴影效应导致受热不均。
防震：焊接过程中严防传送带震动，以免导致元器件移位或产生冷焊。
首件检查：必须对首块印制板的焊接效果进行全面检查。
持续监控：检查焊接是否充分、焊点表面是否光滑、形状是否呈半月状（弯月面），以及锡球、残留物、连焊和虚焊的情况。同时观察PCB表面颜色变化。根据检查结果调整温度曲线，并在整批生产过程中定时检查。

2. 影响工艺的主要因素

元器件热容量差异：PLCC、QFP等封装与分立片状元件相比，热容量要大得多。焊接大面积元件比小元件更困难，因为大元件升温慢，若曲线设置不当，容易导致小元件过热而大元件冷焊。
炉内热分布不均：回流焊炉的传送带在传送产品的同时，也成为一个散热系统。加热部分的边缘与中心散热条件不同，边缘一般温度偏低。因此，除了各温区温度要求不同外，同一截面的温度也需要严格控制差异。
产品装载量（负载因子）：如前所述，负载因子越大，炉温控制的重复性越难。工艺人员需要根据实际生产中的板子密度和间隔，动态调整炉温以保证曲线的一致性。实践经验在解决此类问题时非常重要。

第七章：常见焊接缺陷及注意事项

尽管回流焊工艺成熟，但操作不当仍会产生多种缺陷。以下对几种典型缺陷进行深入分析。

1. 桥联

桥联是指相邻的焊盘被焊料连接在一起，导致短路。

成因分析 ：
- 在预热和主加热阶段，焊膏中的溶剂降低粘度而流出。如果流出趋势强烈，会将焊料颗粒挤出焊区外。
- 熔融时，如不能返回到焊区内，滞留的焊料球或过多的焊料会造成桥联。
- SMD元件端电极不平整、PCB布线设计与焊区间距过近、阻焊剂涂敷精度不足也是主要原因。
对策：优化焊膏印刷厚度，调整升温曲线以减缓溶剂挥发速度，提高贴装精度，检查PCB焊盘设计。

2. 立碑元件（曼哈顿现象）

片式元件在遭受回流焊急速加热时发生的一端翘立现象。

成因分析 ：
- 急热使元件两端存在温差。电极端一边的焊料完全熔融后获得良好湿润，而另一边焊料未完全熔融引起湿润不良。这种湿润力的不平衡促进了元件的翘立。
- 焊盘尺寸设计不对称、焊膏印刷量不一致也会导致此现象。
对策：
1. 选择粘接力强的焊料，提高印刷精度和贴装精度。
2. 确保元件外部电极具有良好的湿润性和稳定性。存储条件建议：温度40℃以下，湿度70％RH以下，使用期不超过6个月。
3. 采用合理的焊区宽度尺寸，减少熔融时对元件端部产生的表面张力不平衡。适当减小焊料印刷厚度（如100μm）。
4. 调整焊接温度曲线，确保加热均匀，特别在元件两端连接端的焊接圆角形成之前，避免温度波动。

3. 润湿不良

润湿不良指焊料和电路基板的焊区（铜箔）或SMD的外部电极经浸润后不生成相互间的反应层，造成漏焊或少焊。

成因分析 ：
- 焊区表面受到污染（如油脂、灰尘）或沾上阻焊剂。
- 被接合物表面生成金属化合物层（如银表面硫化、锡表面氧化）。
- 焊料中残留的铝、锌、镉等杂质超过0.005％，降低了助焊剂的活化程度。
对策：加强焊接前基板和元件表面的清洁防污措施，选择合适的焊料，设定合理的回流焊温度曲线以确保足够的活性。

第八章：无铅焊接工艺实施策略

随着环保法规的实施，无铅焊接已成为主流。由于无铅焊料熔点高、浸润性差，其工艺控制更为严格。实施无铅焊接通常包含以下五个步骤：

1. 选择适当的材料和方法

材料选择：这是最具挑战性的环节。必须根据焊接元件类型（BGA、QFP等）、线路板类型及表面涂敷状况，选择合适的无铅焊料、焊膏和助焊剂。材料应基于权威研究或已有使用经验。
方法选择：根据实际情况选择焊接方法。表面安装元件采用回流焊；通孔插装元件则根据情况选择波峰焊、浸焊或喷焊法。需注意，无铅焊接过程比有铅焊接长，且所需温度更高。

2. 确定工艺路线和工艺条件

在材料选定后，进行焊接工艺试验。通过试验确定工艺路线（如温度曲线、传送速度）和工艺条件。此步骤旨在开发出无铅焊接的样品，并了解材料特性对工艺的具体影响。

3. 开发健全焊接工艺

这是工艺试验的深入阶段。需要对收集到的数据进行分析，进而改进材料、设备或改变工艺，以获得实验室条件下的健全工艺。此阶段需弄清无铅合金焊接可能产生的沾染问题，测定各种焊接特性的工序能力（CPK）值，并与原有锡/铅工艺进行比较。同时，开发出工艺检查和测试程序及失控处理方法。

4. 可靠性测试

对焊接样品进行严格的可靠性试验（如热冲击、振动测试等），以鉴定产品质量是否达到要求。若未达标，需找出原因并解决，直到满足要求为止。一旦成功，即可为规模生产做好准备。

5. 控制和改进工艺

从样品生产转变到工业化生产后，仍需时刻监控工艺以维持其处于受控状态。无铅焊接工艺是一个动态变化的过程，工厂需警惕可能出现的问题，避免工艺失控。同时，不断改进焊接材料和更新设备，以提高产品合格率和焊接性能。

总结

回流焊作为电子制造的核心工艺，集热力学、流体力学、材料学及精密机械控制于一体。从最基本的热风回流原理，到复杂的双轨独立控制，再到针对SAC305等无铅材料的精密温度曲线设定，每一个环节都直接影响最终电子产品的质量与可靠性。

工程师不仅要掌握设备操作，更要深刻理解升温、保温、回流、冷却四个阶段的物理化学反应机理。通过科学的工艺流程控制，结合对负载因子、热容量差异等影响因素的考量，有效解决桥联、立碑、润湿不良等常见缺陷。面对无铅化的行业趋势，通过严谨的材料选择、工艺开发及可靠性验证，可以确保持续生产出高质量的电子产品。掌握这些核心技术，是现代电子制造企业保持竞争力的关键所在。