1.5 如何评价再流焊接设备的性能

1.5.1 再流焊接炉性能的表征

在电子制造业进入无铅焊接时代后，再流焊接设备的稳定性、重复性是绝对必要的。如果再流焊接炉的性能没有定期检测确认，那么在加工PCBA时，为达到及维持一个优化的再流焊接工艺窗口所进行的工艺参数设置与调整都是不可靠的，这对于无铅焊接更为重要。与常用的共晶钎料Sn37Pb合金相比，无铅钎料合金熔点高，润湿性差，工艺窗口窄，故再流焊接炉的稳定性和重复性要求更为突出。

目前，常用的焊接炉性能检测使用FR4模拟组件，将其接上测温热电偶与温度曲线测量装置即可进行检测。在日常使用中，这套模拟组件多次通过焊接炉炉道后，印制板就会发生弯曲变形，导致热电偶触点脱离。采用不锈钢或铝板仿真制造检测板，虽然可多次经受再流焊接高温环境的作用，但这两种金属材料与FR4相比，明显是不相配的。由于材料的热导率存在根本差别，使得在测试过程中掩盖了潜在问题。若需要准确表征焊接炉的全部参数，选择的测试工具应与这些物理特性匹配。

1.5.2 对再流焊接设备的质量要求

现代高密度组装的PCBA再流焊接质量与设备有着十分密切的关系。影响再流焊接质量的有关再流焊接设备的主要参数包括如下几方面。

① 温度控制精度应达到±（0.1～0.2）℃（温度传感器的灵敏度）。

② 传送带横向温差要求±2℃以下，否则很难保证焊接质量，特别是在无铅再流焊接工艺窗口变窄的情况下尤其如此。

③ 传送带宽度要满足最大PCB尺寸要求。

④ 加热区长度越大、加热区数量越多，越容易调整和控制温度曲线。选择原则是：

a．有铅产品生产。

● 小、中批量生产选择4～6温区，加热区长度为2m左右即能满足要求。

● 大批量和高产能要求的生产状态，则通常要有6～8温区的炉子才能胜任。

b．无铅产品生产。

● 小、中批量生产选择5～8温区的炉子，已能满足产品生产质量要求。

● 大批量和高产能要求的生产状态，则可酌情选择8～12温区的炉子能完全满要求。

另外，上、下加热器应独立控温，以便更有利于调整和控制温度曲线。

⑤ 最高加热温度一般为300～350℃，如果考虑无铅钎料或金属基板等，应选择350℃以上。

⑥ 传送带运行要平稳，传送带振动会造成移位。

因此，只要PCB设计正确，PCB、元器件和焊膏都是合格的，那么再流焊接质量是可以通过印刷、贴装、再流焊接等每道工序的工艺过程来控制的。

1.5.3 测试要求

测试的具体要求为：

① 进行正确的焊接炉加热测试工作，必须使用专门设计的测试工具。国外目前用于检测和确认再流焊接炉加热性能的专用平台是机器管理工具，即MQM。

② MQM检测工具具有与FR4材料类似的隔热性能，可在高温环境下长期反复使用，几何尺寸稳定性高。有人使用MQM工具，对3种不同型号的再流炉的热风气流温度的均匀性及热转换效率进行测试，并将从每个焊接炉采集到的数据存入MQM软件进行比较分析。分析的目的是：对给定设计的焊接炉所具备的物理性能与其相关的再流焊工艺进行评价，判断这些检测结果是否反映了焊接炉性能的动态差异，特别是要对炉道的径向与轴向温度均匀性及热转换效率进行判断。

③ 使用MQM工具，就能够对每种类型的再流焊接炉的物理性能进行表征及评价。焊接炉的设计与各温区及整个炉道加热长度的稳定性密切相关。假定沿炉道轴向和径向被测的空气温度是均匀的或欠均匀的，这对产品的加热均匀性及一致性有重大影响。空气与MQM高质量传感器测得的温度值之间存在差别，两者的比值与热转换系数有关。

除MQM外，还有几种工具可用来表征热转换系数及定义与红外辐射相关的热量部分（外辐射能量的大小），用户可根据自己的具体情况来选用。

④ 工具的基座结构要采用耐热材料设计制成，要能具备长时间承受200℃、短时间承受300℃的耐高温能力。在PCB基板的前沿对称布置6个热电偶，用来测量焊接炉道内的温度变化，温度测量准确度为1.1℃。

⑤ 根据采集的时间与温度数据，绘制再流焊接加热工艺温度曲线。固定时间与温度变量，所得的数值就是某种型号焊接炉的热转换能力。因此，如果MQM工具在同一时间测得相同的温度（圆形传感器组测量空气温度），在峰值温度的偏差值基本上就是该焊接炉的热转换能力。

1.5.4 测试方法

在测试中，对每台不同长度炉道，通过调节传送带速度，达到固定的加热周期（与加热区的数量尺寸无关）。传送带速度保持不变，MQM通过炉道加热区的时间为2min。这样可以比较在最后加热区终端采集的数据。焊接炉所有的加热区设置同一温度，以确定加热区间的温度准确度及偏差。

1.5.5 焊接炉温度变化曲线

焊接炉各加热区的温度设置均为250℃，其目的是希望在MQM工具内的空气测温传感器在各加热区显示相同的温度，且在每个加热区内的径向位置也显示相同的温度。MQM是起到模拟实际产品的作用，其在焊接炉中测量空气的温度与焊接炉内设置的加热工艺温度测量的热电偶的数值进行对比，结果是MQM传感器测得的温度低于设置的温度250℃。测试发现：不同类型的焊接炉此温差值也不一样，这是由于焊接炉设计、热转换值、热电偶安装位置的差异所致。

MQM工具横向安装的3个传感器能很好地完成对每个加热区与整个炉道温度一致性及均匀性的测量。

1.5.6 再流焊接炉的性能测试和评估举例

（1）测试工具

① Esamber Oven Arbiter测试仪。该测试工具为×××公司的产品，其外形如图1.31所示。

② 功能描述。该设备用于再流焊接炉的测试可达到下述目的：

● 评估再流焊接炉的工艺性能。

● 评估在设定参数下的再流焊接炉的工艺表现能力。

● 通过量化的测量达到再流焊接炉工艺能力透明化的目的。

● 计划管理功能：可方便用户制定再流焊炉的周期性保养和测试计划，并能自动进行判断和提醒。

● 可根据测试的参数、判异规则、处理方式来对各种状况进行分类统计，方便快速了解设备状况。

● 可对每组测试参数的所有状况根据SPC的异常类型进行统计，针对性地进行改善，提高效率。

● 通过人工对异常现象进行分析，以利经验的积累和分享。

（2）测试参数

针对某炉型，设定各温区的温度如表1.1所示，使用Oven Arbiter工具测试示范如下。

① 温度曲线分析。测试的温度曲线如图1.32所示。

② 热效能均匀度分析。热效能均匀度的分析如图1.33所示。

● 如果热效能均匀度不好，那么固定边和移动边的温度将不一致，用测温板测试的温度曲线将不是同类其他元器件真实温度的反映；如果用导热性强的铝板做均匀性测试，则因其导热块，无法保证测试结果的准确性。

● 冷却区温度均匀性如果不好，则会影响产品焊接的总时间，影响降温斜率和钎料的结晶状态，从而影响产品的可靠性。

③ 热冲击度分析。热冲击度的分析如图1.34所示。如果热冲击度较大，将可能造成元器件在焊接过程中损坏。

④ 热效能均衡度分析。热效能均衡度分析如图1.35所示。如果热效能均衡度较大，不同大小（热容）的元器件，如QFP和CPU，在焊接过程中的温度差会比较大，造成温度曲线测试困难甚至无法调试岀满足要求的温度曲线设定。

⑤ 再流量分析。再流量实际上反映了再流焊接炉的产能，再流量的分析如图1.36所示。再流焊接炉使用热气流再流的方式对产品进行加热，其再流程度的强弱将直接影响焊接质量，只有合适的全程再流量才能获得良好的焊接质量。

⑥ 再流炉轨道链速波动率分析。如果轨道链速波动率较大，将直接导致产品的焊接时间失去控制，从而影响到产品焊接质量。再流炉轨道链速波动率的分析如图1.37所示。

⑦ 热效能稳定度分析。如果热效能稳定度较低，则产品在焊接过程中的实际温度将有较大的差异，测温板测试的温度曲线将会有较大变化。热效能稳定度的分析如图1.38所示。

⑧ 环境温差热补偿能力分析。如果热补偿能力不足，则在环境温度发生变化时，例如在白班和夜班、夏季和冬季、炉子入口距离空调口较近等状况时，因为产品初始温度不同，会造成温度曲线整体偏移，甚至有超岀规格的风险，从而无法保证焊接质量。

环境温差热补偿能力的分析如图1.39所示。

⑨ 空载、满载热补偿能力分析。如果空载、满载能力不足，则再流炉的负载能力将较低，在炉子内同时焊接较多的PCBA时，当板间距比较大时，容易造成局部冷焊等不良现象。空载、满载热补偿能力的分析如图1.40所示。

（3）测试结果综合分析

对上述各项目测试结果的综合性分析如表1.2所示。表1.2中的级别说明：级别Ⅰ——表现较好的项目；级别Ⅱ——需要注意的项目；级别 Ⅲ——需要改善的项目。