第1章 再流焊接技术概论

1.1 定义和特征

1.1.1 定义

再流焊接是通过加热将覆有焊膏区域内的球形粉粒状钎料熔化、聚集，并利用表面吸附作用和毛细作用将其填充到焊缝中而实现冶金连接的工艺过程。

随着PCB安装方法由传统的穿孔插入安装（THT）方式迅速向表面安装（SMT）方式转变，再流焊接法也正迅速发展成为现代电子设备自动化软钎接（以下均简称焊接）的主流技术之一。

1.1.2 特征

（1）主要工艺流特征

再流焊接法的主要工艺特征是：先将膏状钎料印涂在PCB基板的焊盘区域，再将SMC/SMD搭载在膏状钎料上，并靠膏状钎料的黏性将其定位和固定。再加热使膏状钎料熔化，依靠重熔钎料自身的润湿力和表面张力将SMC/SMD的电极与焊盘熔合在一起，从而完成焊点的连接过程。其主要工艺流程如图1.1所示。

（2）再流焊接的物理过程

当将焊膏置于一个加热的环境中时，焊膏再流分为5个阶段。

① 首先，用于调节所需黏度和印刷性能的溶剂开始蒸发，温度上升必须慢（大约3℃/s），以限制沸腾和飞溅，防止形成小钎料珠。另外，一些元器件对内部应力比较敏感，如果元器件外部温度上升太快，会造成断裂。

② 助焊剂开始激活，化学清洗行为开始，水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染物从即将结合的金属和钎料颗粒上清除，以获得冶金学上所要求的良好焊点的清洁表面。

③ 当温度继续上升时，钎料颗粒首先单独熔化，并通过表面的芯吸过程聚合在一起，以有利于在所有可能的表面上覆盖，并开始形成焊点。

④ 当单个的钎料颗粒全部熔化后聚合在一起形成液态钎料时，表面张力发挥作用开始形成焊脚表面，如果元器件引脚与PCB焊盘的间隙超过0.1mm，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成焊点开路。

⑤ 冷却阶段，如果冷却快，焊点强度会稍微大一点，但不可太快以避免引起元器件内部的温度应力。

（3）焊膏的再流行为

再流焊接过程中焊膏的再流行为，对焊接效果有决定性意义。对焊膏的再流行为的描述如下。

① 室温——稳定印刷，粉粒间的助焊剂固住钎料粉粒。

② 大约90℃——胶黏剂迅速丢失，树脂软化变成流体，可塑性树脂熔解。

③ 大约150～170℃——树脂熔化流动；金属表面被洁净，并迅速地再氧化；溶剂丢失现象变得非常明显。

④ 钎料合金熔化——钎料粉结合；钎料合金在已有助焊剂的基体金属表面润湿，钎料以毛细方式进行流动。

⑤ 室温——在冷却期，钎料氧化；树脂残留物固化。

（4）再流焊接过程中的温度特性

一种焊膏在再流过程中温度曲线的建立，是在综合考虑了焊膏、PCB和设备等诸因素之后的结果。对不同厂家生产的焊膏、不同的再流设备及不同的组装件，其再流的温度曲线都不是唯一的。尽管其曲线形状各有差异，但通常其温度区域的划分大致如图1.2所示。

① A区（初始温度爬升区）。设置A区的目的是将PCB的温度尽快地从室温提升到预热温度，预热温度通常是略低于钎料的熔点温度。升温阶段的一个重要参数是升温速率，最理想的温度上升速率是2～4℃/s。上升速率太快易对PCB和元器件造成伤害甚至导致助焊剂发生爆喷；上升速度过慢，则溶剂挥发不充分。由于助焊剂中的溶剂都是高沸点物质，不可能快速地蒸发掉。加热速率通常受到元器件制造商推荐值的限制，为防止热应力对元器件的损伤，一般规定最大速率不能超过4℃/s，持续时间应在2min以内。

这一阶段PCB上不同的元器件的升温速率会有所不同，从而导致基板面上温度分布梯度的存在。但在此阶段，温度梯度的存在并无多大妨碍，因为此时所有点的温度均在钎料熔点温度之下。

② B区（温度渗透区或保温区）。设置温度渗透区的目的是：确保整块PCB在进入再流焊的钎料熔化区之前，其上的温度达到均匀一致。如果PCB是单一简单的设计，那么，在再流中热传导率是非常均匀的，此时就可以不需要温度渗透区。但是，通常情况是PCB上其中某一部分比另一部分更热。为了能让温度变得均匀，就不得不让温度保持为一个接近恒定的值，让较冷的部位通过热传导作用与较热的部分温度相同。对于温差小的PCB，可能只需设定一个渗透区；而对于复杂的PCB，则可能需要2个甚至3个渗透区。否则，在进入“钎料熔化区”前的渗透时间将不得不加长。PCB达到钎料合金熔点时所需要的时间，要保证助焊剂溶剂得到足够的蒸发，同时保证树脂和活性剂能够充分发挥作用来清理焊接区域以便去除其上的氧化膜。

决定温度渗透次数和位置的主要因素是PCB的设计和再流炉能提供的热对流程度。一般选择温度为70℃、100℃和150℃。通常保温区的温度范围可从120～175℃升至焊膏熔点的区域，此时，焊膏中的挥发物被去除，助焊剂被激活。理想情况是：到保温区结束时，焊盘、钎料球及元器件引脚上的氧化物均被除去，整个PCB的温度达到平衡。保温区的持续时间一般为80～90s，最大不要超过2min。

③ C区（钎料熔化区或再流区）。使PCB达到焊膏中钎料粉末熔点以上的“钎料熔化区”（以下简称“再流区”）是再流焊接温度曲线的心脏区域。PCB上任何没有达到钎料合金熔点的部位都将得不到钎接，而超过熔点太多的部位可能要承受热损伤，还可能引起焊膏残留物烧焦、PCB变色或元器件失去功能。超过钎料熔点温度的目的是使钎料粉粒集合成一个球，润湿被焊金属的表面。润湿是通过快速发生的毛细注入现象来完成的。当然，由于所有金属表面的氧化物和再流焊炉中的氧的妨碍，粉末钎料再流时的聚集和润湿过程是在焊膏中助焊剂的帮助下进行的，温度越高，助焊剂效率就越高，但再氧化速度也越快。

钎料合金的黏度和表面张力随温度的提高而下降，这有利于促进钎料更快地润湿。因此，理想再流焊接是峰值温度与钎料熔融时间的最佳组合。设立的温度曲线目标是要尽力使温度曲线的“再流区”覆盖的体积最小。如有铅钎料Sn37Pb等合金的典型温度峰值范围为210～230℃，钎料熔融时间为30～60s，最长不得超过1.5min。要特别注意的是：在再流焊接中进入“再流区”开始前，应尽可能使PCB上的每一个部位都趋于相同的温度是非常重要的。在再流区时间过短，助焊剂未完全消耗，焊点中会含有杂质，易产生焊点失效等问题；若时间过长，则焊点中会形成过量的金属间化合物而使焊点变脆，对元器件形成热劣化。

④ D区（钎料凝固区或冷却区）。焊膏中的钎料粉末一旦已熔化，并且已润湿了被焊的基体金属表面，应尽可能快地冷却，这样，就可获得光亮、敷形好、接触角小的优良焊点。缓慢冷却将使更多的基体金属溶入钎料，生成粗糙而暗淡的焊点，在极端情况下，还可能溶解所有的基体金属，导致不润湿和不良的结合强度。基于上述因素，冷却速度快些较好，例如5℃/s。然而冷却过快又易形成热应力而损坏元器件，因此冷却速度又不希望超过4℃/s。故必须根据生产现场具体情况，灵活运用，折中处理。