6.6 再流焊接温度曲线设置指南
再流焊接加热原理
再流焊是具有许多变量的复杂工艺。所有量产用的再流焊接炉都包括对流、传导和辐射三种热传递方式，每种方式的程度取决于再流焊接炉的加热单元的设计，所有设计都致力于达成相同的工艺结果。
再流焊接过程通常包括五个不同的阶段，分别为：①焊膏中的溶剂蒸发；②激活助焊剂并产生助焊活性；③对元器件和印制电路板进行预热；④融化焊料并发生恰当润湿（有些情况并不是越润湿越好，如表贴连接器，不允许熔融焊锡爬到接触部分）；⑤冷却已焊组件。
需要说明的是，无论再流焊接炉采用哪种基本的热传递方式，BGA元器件下焊球的加热主要是通过PCB进行传导的，如图6-22所示。这是因为PCB内部有大铜面（电源层、接地层），受热面积大，温度高的缘故。从这点可以看出，改善焊点的温度，需要优化PCB的布局布线设计，使之能够为BGA下焊球的焊接提供供热通道。
图6-22 再流焊接时BGA焊球的加热方式
参数设置
再流焊接工艺的核心就是温度曲线，它决定了PCBA焊接的良率及质量。焊接炉温曲线不仅与特定产品有关，同时也与助焊剂有关。表6-9为IPC-7095C推荐的再流温度曲线关键参数设置。
表6-9 推荐的温度曲线参数设置
续表
温度曲线各区的作用与设置要求
图6-23为无铅工艺的推荐温度曲线，它可以分为预热、保温、再流和冷却四个区。
图6-23 典型无铅工艺温度曲线形状及分区
1）预热温区
预热区域的温度范围为室温到175℃，许多元器件供应商通常建议将温度上升速率设置为2～4℃/s以避免热冲击温敏元器件。快速的温升速率会增加产生锡珠的可能，所以应尽可能保持低温升率。无论如何，应该考虑组件中最敏感元器件可接受的温升率。
2）保温区
保温区的作用是将整块电路板的温度提升至一个统一的温度。保温区的温度上升速率非常慢，温度由75℃提升至220℃的曲线几乎是平的。保温区也可作为焊膏中助焊剂活化区。保温区温度过高的后果是锡珠、锡溅，这是因为焊膏的过度氧化耗尽了助焊剂的活化能力。长的保温区的目的是减少空洞，特别是BGA中的空洞。不使用保温区而使温度稳定地从预热区上升至再流峰值温度也是常见的做法，但当温度稳定爬升至再流峰值温度时，出现空洞的可能性将会增加。
3）再流区
再流区的峰值温度应该足够高，以获得良好润湿，并产生牢固的冶金结合。但是其温度也不应太高以致元器件或电路板损坏或变色，或更严重的电路板烧焦。如果温度过低，可能会导致冷的和颗粒状焊点、焊料不熔融或差的金属间连接。对于无铅来说峰值温度应维持在230～245℃。液相线以上时间（TAL）应为60～90s。高于焊料熔点或TAL的持续时间过长会损坏温敏元器件，它也会导致过多的金属间化合物生长使得焊点脆化，从而降低焊点的耐疲劳性。
4）冷却区
大部分组件典型的冷却速率为4～6℃/s，这主要是基于产量和锡铅金属间化合物厚度的考虑。随着转化为无铅焊料，由于锡银铜（SAC）焊料刚性的增加以及层压板抗弯曲能力的下降，焊盘坑裂缺陷会变得更加频繁。焊盘坑裂可在再流焊接工艺后被直接识别。
在冷却阶段，PCBA厚度方向上各种材料会以不同的速率冷却。通常来说BGA封装会比焊点冷却得快且比印制电路板快得多。这种冷却上的差异会形成互连的薄弱位置，BGA连接盘下的层压板处产生机械应变。通过大幅度地降低冷却速率到1.5℃/s，厚度方向上的所有材料的冷却速率会变得更慢，于是层压板上的应变会减少。实验表明，冷却速率下降既不会对焊点金属间化合物也不会对焊点晶粒结构产生负面影响。如果在再流焊接之后焊盘坑裂立即被发现或确定组件有发生坑裂的风险，则应该降低PCBA的冷却速率以减少应变。
再流焊接程序
所谓再流焊程序是指再流焊接炉面板上的机器参数设置表，如图6-24所示。它与再流焊温度曲线不同，它是实现工艺要求的温度曲线的机器设置参数。
图6-24 某单板再流焊接程序
再流焊接程序是机器参数设定值和传送带速度的组合，如图6-24所示。而温度曲线则是PCA经过再流焊炉时热电偶所测温度对时间变化的直观表示，如图6-25所示。
图6-25 温度曲线
对已确定的工艺和焊膏来讲，温度曲线的基本要求是一样的，所以才有推荐的温度曲线之说。但是，对于每种PCBA而言，由于其尺寸、厚度、元器件安装数量及封装等的不同，要求的加热温度也是不同的。换句话来说，就是要达到推荐的温度曲线设置要求，再流焊接炉的机器参数对不同的板温度是不同的。另外，同一PCBA，在不同的炉子上焊接，机器参数的设置也会有差异，比如10温区的炉子与12温区的炉子，要实现相同的温度曲线，设置参数肯定不同。这就需要开发再流焊接的程序。
再流焊接程序的开发是再流焊接工艺的核心。开发工作主要是进行温度曲线的调试，并把最终的设置参数记录下来，形成相关的再流焊接程序，以便生产时进行传送带速设置与温度的设置。
通常调试温度曲线要经过设置、测试、调整、再测试的不断循环。目前的测温仪相当智能化，测试一次就会记录下PCBA的热特性，并在电脑上就可以直接调试，因此，温度曲线的调试一般有2～3次“设置-测试”循环就可以了。
一旦程序被优化生成所需的温度曲线，建议用实际的单板焊接一次，确认后就可以作为正式的程序存储起来备用。