3.4 再流焊接
概述
再流焊接的本质就是“加热”，其工艺的核心就是设计温度曲线与炉温设置。
温度曲线是指工艺人员根据所要焊接PCBA的代表性封装及焊膏制定的“温度-时间”曲线，如图3-33所示，也指PCBA上测试点的“温度-时间”曲线。前者是设计的温度曲线，后者是实测的温度曲线。
图3-33 温度曲线与炉温曲线
炉温设置是指根据设计的温度曲线工艺要求设定再流焊接炉各温区温度的活动。一般要经过“设置—测温—调整”几个循环，以使实测温度曲线与设计温度曲线的关键参数基本一致。设置好后输出炉温设置表，以便再生产时调出，见表3-1。有时人们也把再流焊接炉各温区的设置温度以图形的形式表现出来，如图3-33所示的“设置A”“设置B”折线，我们把它称为炉温折线。
表3-1 某产品有铅焊接炉温设置表
对于多品种、小批量的生产模式，大多数企业为了简化温度曲线设置的工作量，使用了通用温度曲线。也就是一些热特性差不多的板，使用同一个温度曲线。这时，温度曲线的测试与设置必须确立测试用的“代表板”及“代表封装”，其关键是“代表板”的代表性。我们一般把这种代表板称为测试板。
对于非定线生产的企业，一个产品会在不同的生产线生产。由于不同品牌炉子的结构不同，需要进行单独的温度设置，如图3-33中的“设置A”“设置B”。即使相同的炉子，由于出厂调试存在的误差，也应该进行单独的设置。
温度曲线的测量与设置
1.炉温设置的传热学原理
一般再流焊接炉操作界面上所显示的温度是炉中内置热电偶测头处的温度，它既不是PCB上的温度，也不是发热体表面或电阻丝的温度，实际上是热风的温度。为合理地设置炉温，必须了解以下两条基本的传热学定律：
（1）在炉内给定的一点，如果PCB温度低于炉温，那么PCB将升温；如果PCB温度高于炉温，那么PCB温度将下降；如果PCB温度与炉温相等，将无热量交换。
（2）炉温与PCB温度差越大，PCB温度改变得越快。
炉温的设置，一般先确定炉子链条的传送速度，其后再开始进行温度的设定。链速慢、炉温可低点，因为较长的时间也可达到热平衡，反之，可提高炉温。如果PCB上元器件密、大元器件多，要达到热平衡，需要较多热量，这就要求提高炉温；相反，降低炉温。需要强调的是，一般情况下链速的调节幅度不是很大，因为焊接的工艺时间、再流焊接炉的温区总长度是确定的，除非再流焊接炉的温区比较多、比较长，生产能力比较足。
2.炉温设置步骤
炉温的设置是一个设定、测温和调整的过程，其核心就是温度曲线的测试。目前，测温使用的是专用测温仪，尺寸很小，可随PCB一同进入炉内，测试后将其与计算机相连，就可显示测试的温度曲线。
设定一个新产品的炉温，一般需要进行1次以上的设定和调整。设置步骤如下：
（1）将热电偶测头焊接或胶粘到测试板或实际的板上，注意测点位置的选取。
（2）调整炉内温度和带速，做第一次调整。
（3）等候一定的时间，使炉内温度稳定。
（4）将测试板与测温仪放到传送带上，进行温度测试。
（5）分析获得的曲线。
（6）重复步骤（2）～（5），直到满意为止。
3.测试点的选择
所选测试点应能够反映PCBA上最高温度、最低温度以及BGA的关键温度。对已定的PCBA，建议选择以下的点为测试点：
（1）BGA中心或靠中心的焊点（TBGA-C）、BGA封装体的上表面中心点（TBGA-S）、BGA角部的焊点（TBGA-C）。
（2）最大热容量的焊点（Tmax）。
（3）最小热容量的焊点，如0402焊点（Tmin）。
（4）PCBA光板区域、距边25mm以上距离的点（TPCB）。
测试点位置如图3-34所示。
4.热电偶探头的固定
热电偶探头的固定，是准确测量温度曲线的关键。
如果热电偶探头的固定在焊接过程中松动，离开了要测试的焊点，或用于固定热电偶探头的焊锡/胶的热容量超过了焊点热容量的大小，测试出来的温度曲线就没有意义。对于像BGA的焊接，甚至7℃的误差就会严重影响到最终的焊接质量。因此，科学地建立测温板非常重要。
热电偶探头固定的一般原则：
（1）必须牢固，焊接时不可松动；
（2）不管用高温焊锡还是胶，不能影响焊点的热容量。
图3-34 测点的固定
5.温度曲线设计注意事项
在我们调试温度曲线时，有时调试不出来。这是因为对一个特定的封装而言，其热容量、受热面积以及导热系数已定，要加热到一定的温度必然需要一定的时间，如图3-35所示。同时，从工艺的角度，升温速率又不能超过3℃/s，也就是热风的温度与设计达到的峰值温度差不能太大。这样，在一定时间条件下，能够达到的最高峰值温度是受限的。比如焊接时间20s，对一个大尺寸的BGA而言，其焊接最高峰值温度不可能超过230℃。
如果热容量很大，即使没有升温度速率的限制，要达到一定的峰值温度，也必须有足够的时间，最具有典型意义的例子就是铜基板的焊接。
图3-35 焊接时间与温度的关联性
还有一点必须明白，升温速率反映的是测点的温度变化情况。如果炉温与PCB的目标峰值温度差比较大，即使测试曲线反映的升温速率符合要求，也不能保证元器件封装内外的温差符合要求。因此，提高温度加速升温是不可取的。但如果是做实验，希望获得大的温差，这样的做法是可以使用的。
目前，使用的测温仪都具备模拟测温的功能。由于软件设计时有一个模型，在我们测试一次后，它就可以根据测试板的温度曲线自动提取模型所需有关参数，进行虚拟的设定和调试，这样可大大提高设置的效率。如果我们设计的曲线与测试板的热容量不匹配，就设计不出预想的效果。
如用有铅焊膏焊接一个无铅BGA，我们希望在20s内将焊接的峰值温度拉升到220℃，但这在现有的再流焊接炉上一般很难实现。因为炉子在设计时已经确定了合适的温度范围和链速范围，不可任意地设置。
温度曲线关键参数
典型的再流焊接温度曲线如图3-36所示。
图3-36 再流焊接温度曲线
温度曲线，根据功能一般可划分为四个区，即升温区、保温区（也称浸润区）、再流焊接区和冷却区，其中再流焊接区为核心区。
温度曲线，一般用预热温度、保温时间、焊接峰值温度、焊接时间来描述。关键参数如下：
（1）预热开始温度，用Tsmin表示。
（2）预热结束温度，用Tsmax表示。
（3）焊接最低峰值温度，用Tpmin表示。
（4）焊接最高峰值温度，用Tpmax表示。
（5）保温时间，用ts表示。
（6）焊接时间（焊膏熔点以上时间），用tL表示。
（7）焊接驻留时间，用tp表示。
（8）升温速率v1与v2。其中v1以熔点以下20～30℃范围内的曲线为对象。
（9）冷却速率v3，它以熔点以下温度曲线为测量对象。
关键参数的设置原则
1.预热
预热的作用主要有三个：使焊剂中的溶剂挥发；减少焊接时PCBA各部位的温度差；使焊剂活化。
（1）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。
（2）预热结束温度（Tsmax）为焊膏熔点以下20～30℃左右。通常，有铅工艺设置在150℃左右，无铅工艺设置在200℃左右。
（3）保温时间（ts），一般在2～3min。只要PCBA在进入再流焊接阶段前达到基本的热平衡即可，在这样的前提下，越短越好。从经验看，保温时间只要不超过5min，一般不会出现所谓的焊剂提前失效问题。
2.焊接峰值温度与焊膏熔点以上的时间
1）焊接峰值温度
由于PCB上每种元器件封装的结构与大小不同，测试获得的温度曲线不是一根曲线，而是一组温度曲线，因此，焊接的峰值温度有一个最高峰值温度和最低峰值温度。
温度曲线的设计原则是所有元器件的焊接峰值温度，既不能高于元器件的最高的耐热温度也不能低于焊接的最低温度要求，即应该比焊膏熔点高15℃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。
还应清楚，较高的温度出现在热容量比较小的元器件上，较低的温度出现在热容量比较大的元器件上。
为什么焊接的最低温度应高于焊膏熔点15℃？原因有两个：一是确保BGA类封装完成二次塌落，能够自校准位置，要实现这点，BGA焊点的温度必须比焊膏熔点高11～12℃；二是确保所有BGA满足此要求，公差在±4℃内。
峰值温度影响焊接的良率。一般峰值温度越高球窝现象会越少，如图3-37所示。
图3-37 焊接峰值温度对球窝不良率的影响
2）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合适温度以及BGA焊锡球与熔融焊膏混合均匀并达到热平衡即可。
焊接的时间，对一个普通焊点而言3～5s足够，对一块PCBA而言，还必须考虑减少PCBA不同部位的温度差或者说减少PCB和元器件热变形问题。因此，PCBA的焊接与单点的焊接有本质的差别，可以说它们不属于一个系统。一般焊接时间为40～120s，40s是一个保证塌落以及润湿的最小时间。
我们还应注意一点，应尽可能减少液态延迟时间（Liquidus Time Delay，LTD），LTD决定了整个BGA的塌落时间（约5s），如图3-38所示。
图3-38 液态延迟时间概念
BGA焊接时，其周边焊点先熔化，中心部位焊点后熔化。LTD就是先后熔化的时间差。我们关心的是真正的液态时间以及在这个时间点BGA的变形状态，一般LTD应小于1/3实际TAL。图3-39为LTD与实际TAL对焊接不良的影响。
图3-39 LTD与实际TAL对焊接的不良影响
3）不同温度、时间下的BGA焊点的微观结构
图3-40是一个不同温度下形成的BGA焊点微观结构示意图，从中可以了解到，随着温度的升高，焊球中Ag3Sn、Cu6Sn5相会变得细化，但金属间化合物（IMC）会变得更厚。
如果温度过高，也会使BGA焊球塌落过度，影响可靠性。特别是那些带有金属散热壳的BGA。
图3-40 不同温度下BGA焊点的微观结构
图3-41是不同温度与时间下形成的BGA焊点的形态。它取决于焊料与焊球的混合程度以及混合合金的表面张力，如果混合不均、表面张力不够，就不会形成鼓形的焊点，甚至带有硬过渡的外形。
图3-41 不同温度、时间下BGA焊点的形态
3.升温速率
升温速率，主要影响焊膏焊剂的挥发速度。过高，容易引起焊锡（膏）飞溅，从而形成锡球。升温速率是一个关键参数，对一些特定焊接缺陷有直接的影响。一般要求尽可能的低，最好不要超过2℃/s。
4.冷却速率
IPC/JEDEC-020C标准对业界能接受的冷却速率做了规定，该标准将3～6℃/s作为冷却速率的范围。但这样的规定实际上存在很大的风险，特别是焊接BGA器件时，如果冷却速率达到4.5℃/s以上时，很可能造成焊点断裂！事实上，依靠风冷的许多炉子也根本做不到，对焊点的影响也可以忽略。
一般而言，较厚的塑封BGA需要慢速冷却，甚至需要热风慢冷，因为它是一个典型的双层结构且容易吸潮。实际案例表明，如果冷却速率≤2℃/s，一般不会发生因BGA翘角而形成收缩断裂，但如果超过2.4℃/s，就容易发生收缩断裂了。
5.特定封装的特别要求
1）BGA器件
（1）焊接最低峰值温度必须达到二次塌落所需要温度[熔点+（11～12℃）]，不管有铅还是无铅工艺。
（2）必须有足够的焊接时间，以便BGA封装体达到基本的热平衡，避免BGA在严重变形状态下焊接。
大部分情况下，较大尺寸BGA的焊接问题主要是温度不合适和时间不够，按照一般的升/降温度速度，用有铅焊膏焊接无铅BGA时，最短的焊接时间应＞60s，如图3-42所示。
图3-42 BGA焊接温度曲线要求
2）0201元器件
0201元器件主要的焊接问题是立碑和葡萄球现象，如图3-43所示。
减少立碑现象的措施就是降低熔点以下10℃到熔点之间的升温速率，如无铅焊接工艺条件下，需要适当降低再流焊接温度曲线上200～220℃区间的升温速率。
不熔锡现象，也称葡萄球现象，是无铅、微焊盘焊接带来的新问题。一般而言，焊盘尺寸小，相应印刷的焊膏也少。焊膏少，其含有的焊剂总量也随之减少，由于去除氧化物的能力不足，很容易发生葡萄球现象，因此，在温度曲线设置时需要适当缩短预热的总时间，避免焊膏表面焊粉的过度氧化。另外，元器件焊端可焊性不好也会导致不熔锡现象。
图3-43 不熔锡现象
3）密件器件，如0.4mm QFP
0.4mm QFP容易桥连，要尽量减少热塌落现象发生，这就需要缩短高温预热阶段的停留时间。
推荐参数设置范围
表3-2为推荐的参数设置范围，来源于《SMT China》2012年4/5月刊，仅供参考。
表3-2 推荐的BGA焊接温度曲线主要参数设置范围
说明：
（1）要形成良好焊点，焊膏必须具备充分的润湿能力，一般要求其温度高于其熔点以上至少11℃。
（2）太高的焊接温度将增加BGA载板与焊球界面断裂的风险，这主要是IMC增厚的结果。铜在无铅熔融焊锡中的溶解度为有铅的8.6倍，如果焊接温度高（≥245℃）、217℃以上时间长（≥120s），无镍阻挡层处理载板的BGA在封装侧界面很容易形成超厚IMC层（≥8μm），甚至块状IMC层，如图3-44所示，在机械应力作用下很容易发生脆性断裂。
图3-44 块状IMC
（3）太快的冷却速率将导致厚塑封BGA四角上翘，这会引发先凝固BGA焊球的断裂。如果是混装工艺（表3-2中的工艺1），将会增加收缩断裂的风险。
（4）虽然和锡铅共晶合金相比，无铅系合金的强度更高，但SAC305的表现并不尽如人意，在一定条件下，SAC305是有害的，如不耐机械冲击。因此，对一些经常可能跌落到地面的便携电子产品，抗跌落性能比较高的低银焊膏开始受到重视。目前广泛应用的低银合金有SAC105、SAC0807、SAC0307，其熔化温度范围约为217～229℃，合适的焊接峰值温度为239～259℃。
J-STD-020C湿敏等级分类用再流焊接温度曲线
J-STD-020C给出的湿敏等级分类用再流焊接温度曲线如图3-45、图3-46所示。
1）有铅焊接温度曲线，采用的是Sn63Pb37共晶焊膏。
图3-45 有铅焊接温度曲线（Sn63Pb37焊膏）
2）无铅焊接温度曲线，采用的是SAC305焊膏。
图3-46 无铅焊接温度曲线（SAC305焊膏）
这两条温度曲线，并不是批量生产用的再流焊接温度曲线，它是一个湿敏等级分类条件，准确地说就是封装吸潮后是否开裂的评估用温度曲线，可以作为再流焊接温度曲线设置时最严极限的参考。
炉温设置实例分析
表3-3为某公司的四类产品的有铅工艺温度曲线参数。
表3-3 某公司四类产品的温度曲线参数
表3-4为对应的设置温度（以某品牌炉子为基准）。
表3-4 设置温度 （单位：℃）
温度设置一般经验
对于10温区炉子而言，如果是有铅焊接，一般传送速度设置在80cm/min，选用Z8、Z9、Z10三个温区作再流焊接区足够了；如果是无铅焊接，建议选用Z7、Z8、Z9、Z10四个温区作再流焊接区。
有铅焊接工艺典型的温度设置见表3-5。这仅仅作为一个示例，源自BTU+温区炉子的有铅工艺经验。
表3-5 温度设定 （单位：℃）
一般把Z9作为再流峰值温度区，设置温度比要求的峰值高25～45℃（与板的热容量有关）；Z8设置温度比Z9低40℃（快速拉升），Z10设置温度比Z9低15～20℃（PCBA热平衡）；Z7设置温度比Z8低20℃，应确保熔点前升温速率控制在1.5℃/s内。
速度从80cm/min降到70cm/min，峰值温度会提高3～4℃，焊接时间会延长10s。
设置温度与板上的实际峰值温度差大于30℃时，BGA的焊接就容易出问题。
温度曲线评价
在评价温度曲线是否合适时，首先必须明确一个原则，绝不能孤立地根据曲线关键参数来评价，必须同时考虑曲线的形状、所焊接的元器件封装以及使用的工艺（有铅/无铅）。
（1）与炉子的设置温度联系起来进行评价。因为设置温度与焊接峰值温度的差决定了元器件和PCB的变形与焊接应力，这通常比升温速率或冷却速率更好判断。
（2）与元器件封装联系起来进行评价，特别是与BGA的封装结构联系起来评价。因为不同封装的BGA，其热容量大小相差很大，热变形过程也不同。
（3）与工艺联系起来看，比如采用的是有铅还是无铅工艺，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设置，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器件耐热要求，最低峰值温度符合焊点形成要求。
（3）BGA封装体上最高温度与最低温度差＜5℃，一般不允许超过7℃。
理想的温度曲线特征如图3-47所示。
图3-47 理想的温度曲线特征
通用温度曲线的建立
建立通用温度曲线，首先要按照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。
基于我们关心的问题——焊点的形成温度、封装的最高温度及温度均匀性，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、最低温度及BGA焊接质量的点作为测试点。
根据对“焊点的形成温度、封装的最高温度及温度均匀性”影响的大小，一般以PCB的尺寸和BGA的封装作为PCBA的工艺性分类条件。这里没有指出PCB的厚度因素，是因为一般尺寸和厚度有一定的比例关系，也就是尺寸大小已经反映了厚度因素。分类条件：
1）PCB尺寸
最长尺寸小于200mm、200～300mm，大于300mm。
2）BGA封装
尺寸大于35mm×35mm BGA；
尺寸为25mm×25mm～35mm×35mm BGA；
尺寸小于25mm×25mm BGA。
按照这样的分类，最多建立9种通用温度曲线即可。