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是一個典型的Sn63/Pb37錫膏的溫度回流曲線[6](P3-7)。 以此圖為例,來分析回流焊曲線。它可分為4個主要階段:
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)把整個板子慢慢加熱到183 ℃。稱均熱(Soak或Equilibrium)階段。時間一般為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。在回流階段板子達到最高溫度,一般是215 ℃ +/-10 ℃?;亓鲿r間以45-60秒為宜,最大不超過90秒。
4)曲線由最高溫度點下降的過程。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藏時間。預(yù)熱階段需把過多的溶劑揮發(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,后者帶來的危害更大,因為產(chǎn)品已流到了客戶手里。另一個原因是太高的升溫速度會造成錫膏的塌陷,引起短路的危險,尤其對助焊劑含量較高(達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。因為均熱 階段有兩個作用,一個是使整個PCB板都能達到均勻的溫度(175℃左右),均熱的目的是為了減少進入回流區(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。均熱階段另一個重要作用就是焊錫膏中的助焊劑開始發(fā)生活性反應(yīng),它將清除焊件表面的氧化物和雜質(zhì),增大焊件表面潤濕性能(及表面能),使得融化的焊錫能夠很好地潤濕焊件表面。由于均熱段的重要性,因此均熱時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回流之前沒有完全消耗掉。助焊劑要保留到回流焊階段是必需的,它能促進焊錫潤濕過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)越來越多的情況下,焊膏的活性不是很強,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)升高越過回流線(183℃),錫膏融化并發(fā)生潤濕反應(yīng),開始生成金屬間化合物層。到達最高溫度(215 ℃左右),然后開始降溫,落到回流線以下,焊錫凝固。回流區(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,過長的回流時間和較高溫度,如回流時間大于90秒,最高溫度大于230度,會造成金屬間化合物層增厚,影響焊點的長期可靠性[4]。
冷卻階段的重要性往往被忽視。好的冷卻過程對焊接的最后結(jié)果也起著關(guān)鍵作用。好的焊點應(yīng)該是光亮的,平滑的。而如果冷卻效果不好,會產(chǎn)生很多問題諸如元件翹起,焊點發(fā)暗,焊點表面不光滑,以及會造成金屬間化合物層增厚等問題。因此回流焊接必須提供良好的冷卻曲線,既不能過慢造成冷卻不良,又不能太快,造成元件的熱沖擊。