1.3 再流焊接设备概述
1.3.1 对再流焊接设备的基本要求
（1）温区
● 有铅再流焊接炉拫据不同产能的需求应具有2～8个独立控制区，小批量生产状况，温区数可靠近低端取值，而要求大产能时则应靠近高端取值。
● 无铅再流焊接炉拫据不同产能的需求应具有8～12个独立控制区，小批量生产状况，温区数可靠近低端取值，而要求大产能时则应靠近高端取值。
（2）炉内温度的波动量
再流焊接炉连续工作时，应具有快速加热被焊元器件表面的能力以确保炉温稳定，炉温波动应小于±1℃。
（3）炉内温度的均匀性
现代封装技术的发展，驱使再流焊接技术不断向微焊接技术逼近。因此，再流焊接炉温度不均匀性应小于或等于2℃，才能满足微焊点的焊接质量要求。
（4）安装场地要求
再流焊接炉安装时应避开再流焊接炉的出、入口正对门窗或风源，以保证炉温稳定。
（5）炉子排气量的选择
再流焊接炉排风能力的选择，应在不影响正常的焊接工艺过程的前提下，充分考虑抵御外部恶劣气候环境的影响能力。
（6）防静电要求
● 再流炉应有完善的静电泄放能力，不会形成静电积累。
● 为防止设备运行时产生静电对元器件的损坏，设备的防静电接地不能和电网的地线混用。
1.3.2 再流焊接法的演变及其特点
再流焊接法的出现就其历史而言，并不短于波峰焊接法，其演变大致可分为如下几个阶段。
（1）电阻炉加热再流焊接法
电阻炉是再流焊接法在发展初期所常用的一种加热工具，整个被焊装配件在电阻炉中被整体加热到钎接温度。把热量引入被焊工件的速度是非常重要的参数，此外，被焊工件应当在助焊剂活化温度下及焊点接头形成温度下保持足够长的时间。另外，还要特别注意，焊点在冷却过程中不允许被焊零部件相互移动，以避免形成扰动焊点。这就要求使被焊件通过加热炉的传输带运动要极为平滑，不能有任何的振动和抖动，而且钎接过程完成后，使焊点冷却的那一段运动距离要足够长，以使焊点有足够的时间冷却到钎料的固相线温度。
电阻炉再流焊接方式，炉内温度分布均匀性差，热效率低，温度控制精度较差。因此，现在采用纯电阻炉进行再流焊接已经极为罕见。
（2）远红外线加热再流焊接法
远红外线是具有3～10μm波长的电磁波。通常PCB、助焊剂、元器件等的封装材料都是由原子化学结合的分子层构成，这些高分子物质因分子伸缩、变换角度而不断振动。当这些分子的振动频率与频率相近的远红外线电磁波接触时，这些分子就会产生共鸣，振动就变得更激烈。频繁振动发热，热能在短时间内能够迅速均等地传到整个物体。因此物体不需从外部进行高温加热，也会充分变热。图1.6给出了采用面状远红外加热器的再流焊接炉的断面结构。
图1.6 面状远红外线加热再流焊接炉断面结构
远红外线加热再流焊接的优点是：被焊件产生的热应力小，热效率比电阻炉高，因而可以节省能源。由于这种设备体积一般都比较小，所以安装占地也小。其缺点是：由于红外线照射，被照射的同一物体表面呈均匀的受热状态，像金属那样导热好的物体，温度上升会稍慢些，而且被同时照射的各个物体，因其表面色泽的反光程度及材质不同，彼此间因吸收热量的不同而导致温度差，个别物体因过量吸收热能而可能出现过热现象……。这一切在应用中都是应该关注的因素。
由于远红外线加热再流焊接炉，对于像PLCC、BGA这一类封装的器件，其引脚通常都是隐藏在器件本体的底面，远红外线不能照射到，存在遮蔽效应；而对于较大的PCB从其中心到边缘位置可能产生很大的温度差异，同时易受元器件位置分布的影响，故不适合于要求较高的PCB的组装焊接。
（3）强制热风对流加热再流焊接法
强制热风对流再流焊接是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环，从而实现对被焊件加热的一种再流焊接方法。该类设备自20世纪90年代开始兴起，由于采用此种加热方式的PCB基板和元器件的温度接近给定的加热区的气体温度，因而克服了红外再流焊接的温差和遮蔽效应，目前应用较广。
在强制热风对流再流焊接设备中，循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体能作用于PCB的任一区域，气流必须具有足够快的速度。这在一定程度上易造成薄型PCB基板的抖动和元器件的移位。此外，采用此种加热方式就热交换方式而言，效率较低，耗电也较多。图1.7给出了非远红外线加热器的纯热风再流焊接炉的基本结构。
图1.7 非远红外线加热器纯热风再流焊接炉结构示意图
图1.8为上、下完全对称，可以对PCB的两面同时进行再流焊接的热风再流焊接炉的基本结构。
图1.8 上、下对称热风再流焊接炉的基本结构
这种方式的热风再流炉具有下述特征。
① 加热器寿命长，不易被助焊剂污染而导致性能劣化，因而维修性能好。
② 温度控制的对象是位于PCB基板上、下的热空气温度，所以基板和元器件比较安全。
③ 不存在远红外线加热时助焊剂的过热现象，因而气孔少，润湿性能好，焊接效果得到改善。
④ 不存在元器件因外表色泽的差异，受元器件表面反射的影响小，所以元器件间温差小。
⑤ 特别适合像PLCC之类的从底部引线的器件、线圈等，可进行立体化再流焊接。
缺点是：
① 影响风速分布的整流网结构复杂。
② 热传输性比远红外线差，因而生产效率不如远红外线加热方式高。
③ 由于热传输性小，因而受元器件体积大小的影响，各元器件间升温速度的差异变大。因此，作为大的像QFP器件焊接的可能温度相对体积小的DIP及片状元件来说，就可能接近最大极限温度。
美国BTU国际公司在IRS系列再流焊接系统中所采用的高效能循环热传导设计中，由于不用风扇而采用BTU的专利技术——气体放大器，如图1.9示，使气体消耗降到最低。VIP系列气体放大器由BTU推出，用于中、小规模的SMT焊接生产，它采用气体放大器与风扇相结合的设计。
图1.9 气体放大器剖面示意图
Speed Line集团开发了一种独特的Nitro Cool系统，它使用气流放大风刀来产生高速的气流充当热交换介质。循环气流通过风刀而不是通过热交换器，以此来减少被阻塞的概率。在风刀上集成有自动清洁装置，使得气量在被阻塞物减弱之前，就将助焊剂沉积物清除干净。因此，当其他设备的热交换器和鼓风机逐渐被助焊剂污染时，这套系统可以提供一个恒定不变的冷却速度。Nitro Cool系统还可以引导集中助焊剂管理系统里冷却的冷气流，以进一步增强冷却的性能与效率。
（4）远红外线-热风再流焊接法
再流焊接就是将数以万计的元器件焊接在PCB基板上。若在一块PCB上同时存在质量不同、大小不等的元器件，就会形成温度的不均匀性 ，热容量、面积及辐射率的巨大差异也会导致温差。前面阐述以辐射为主的再流焊接炉能够达到较低的温差。自然对流再流焊接炉实际上是以辐射为主的再流焊接系统，而强制对流再流焊接炉才是真正意义上的以对流为主的系统。炉体内有一定比例的辐射能既可明显提高生产效率，增加生产柔性，同时还可减小氮气的消耗（对充氮机而言）。在一定的加热温度下，无论热风的强弱，其所达到的最高温度值均相同。强制对流导热率高的主要优点是：在一定温度下，相同时间内所产生的对流交换热量与总交换热量均较大，可使炉内温度迅速达到峰值温度，以缩短钎料的液态时间。在加热过程中，加入一定的辐射能还可解决较低温度下PCB表面的温度均匀性问题。以最小成本达到最高产量的最佳方案是：采用较低的加热温度，选用占相当比例的辐射能与高对流导热率相结合的加热方式。这一点对氮气保护再流炉更为重要，这就导致了远红外线-强制热风循环加热再流焊接方式的应运而生。图1.10给出了采用远红外线加热器和强制热风循环的再流焊接炉的基本结构。
图1.10 使用远红外线加热器的强制热风循环的再流焊接炉结构示意图
用远红外线-热风进行再流焊接的优点是：
① 炉内温度分布的均匀性容易实现。
② 热传导性能好，适用于大批量生产运行。
③ 由于远红外线能对基板、元器件内部同时进行加热，所以由元器件封装大小的不同而引起的元器件间的温差小。
我们以Solsys-Reflow的加热结构来说明其工作原理，Solsys-Reflow的横截面结构如图1.11示。
图1.11 Solsys-Reflow炉截面
炉内结构说明：
① 上、下都安装远红外线管状加热器，为了实现形成PCB基板温度＞导线温度＞元器件本体温度的温度差异，故采用了从底座下面加热。
② 从上部加热器小孔吹向PCB基板的空气是层流，把层流空气吹到PCB基板平面后，产生紊流效果，可以使藏在PLCC等本体下的导线部分也受到加热空气的加热，如图1.12所示。
图1.12 PLCC的加热过程
图1.12加热方式的特点是：
● 远红外线能给PCB基板、元器件引线、元器件本体施以温差。
● 用远红外线给空气加热，空气循环量少，同一炉内能迅速地交换热量，不必使空气过度循环。
● 空气循环量少，循环容积也小，所以温度上升快。
● 远红外线电磁波具有自净作用，助焊剂不会污染炉内腔，远红外线的电磁波能分解助焊剂内的树脂成分，因而不会污染加热器、螺旋桨叶。
红外线-强制热风循环再流焊接是一种将热风对流加热和远红外线加热组合在一起的加热方式。它集中了红外再流焊接法和强制热风对流再流焊接法两者的长处，即它既充分利用了远红外线穿透力强、热效率高、节电的特点，有效地克服了远红外线再流焊接的温差和遮蔽效应，又弥补了热风再流焊接对气体流速要求过快而带来的影响。扬长避短地加以组合，因此是目前较为理想的复合式加热方式。
（5）气相再流焊接
气相再流焊接（Vapor Phase Soldering，VPS）也称饱和蒸气再流焊接，是由威斯坦电气公司（Westen Electric）研制出来的，它是利用高沸点、热稳定性好、抗氧化的氟系列碳氢化合物作为传热介质，将液态氟碳氢化合物加热到沸腾状态，并在系统设计时采取措施，使得比空气重的沸腾蒸气保持在设备内。当系统达到平衡时，蒸气的温度等于液体的沸点温度，而且在加入被焊PCB组件之前一直保持该温度；当把被焊的PCB组件加入后，其所有表面立刻充当了冷凝片的作用；当蒸气在组件表面上转变为液体时，放出其蒸发潜热；当该热传导率过程停止时，组件温度升高到液体的沸点温度，因为组件的所有表面均参与了传热过程，而且传热方式相似，所以可以在相当短的时间内加热被焊组件，从而达到很高的经济性；被焊组件一旦达到了钎接温度，就可以慢慢地把被焊组件从蒸气中抽出，焊膏中球状钎料微粒重熔后析出的助焊剂残留物，经过蒸气液化后的清洗作用，能同时达到对被焊组件的净化目的和要求。
该焊接方法研制出来的最初几年，由于处理液价格高昂且货源短缺，未能充分利用。直到1977年3M公司研制出“Frorient FC-70”处理液，综合技术公司（Hybrid Technologycorp）利用此成果向工业部门正式推出了商用机型，其结构模型如图1.13所示。
图1.13 气相再流焊接设备示意图
图1.13中用加热线圈对FC-70及其他液体加热使其蒸发，使容器中充满饱和蒸气（FC-70的沸点为215℃）。此容器的上部装有冷凝用的螺旋管线圈，以阻止蒸气跑掉。假如把PCB组装件插入到FC-70液体和冷凝线圈之间，由于PCBA的相对温度低，蒸气就会凝聚，放出汽化潜热并传递给PCBA而完成钎接过程。助焊剂的残留物也从PCBA表面被冲洗掉，并经过滤器滤出，FC-70可以一直重复使用。由于FC-70较贵，为防止它跑到大气中，故用沸点低的二次气体（氟利昂JF，沸点为47.5℃）覆盖在一次气体的上面，像盖子一样将FC-70蒸气封在下面，以防止一次气体蒸发掉。
如图1.14所示是能适用工业大生产运作的自动传送方式的气相再流焊接设备结构示意图。
图1.14 自动传送方式的气相再流焊接设备结构示意图
（6）激光再流焊接
激光束为我们提供了另一种适用于表面焊接的辐射加热方法。激光可以在比较短的时间内把被焊表面加热到润湿温度。采用这种加热方式时，遇到的主要困难是：如何在正确的焊接操作顺序和最短时间加热两个被焊零件的条件下，把激光束对准特定的目标区。
激光在PCB焊接中的典型应用是采用波长在10μm以内的激光束（不可见光）进行焊接，该激光束由专门用于软钎焊的50W二氧化碳激光器产生。为了把激光束精确地定位于焊接区，通常都是采用数控方式。激光再流焊接速度可达3个焊点/s。
1.3.3 再流焊接炉的炉型结构
常见的再流焊接炉总体结构主要分为加热区、冷却区、气体控制系统（炉内气体循环装置和废气排放装置）及PCB传送4大主体部分，当然，随着加热方式的不同，其组成结构也会有所不同。下面将分别对其做出介绍。
（1）加热区
① 热风加热再流焊接炉。
a．总体结构。热风再流焊接炉总体结构主要分为加热区、冷却区、炉内气体循环装置、废气排放装置及PCB传送5大主体部分，如图1.15所示。
图1.15 热风再流焊接炉总体结构示意图
b．加热区结构。热风再流焊接炉炉体内每一个加热区的结构都大致相似，如图1.16所示。
图1.16 热风加热区的结构
在上、下加热区各有一个电动机驱动叶轮高速旋转，产生空气或氮气的吹力。气体经加热丝或其他材料加热后，从多孔板里吹到PCB上。有的再流炉的电动机转速是可编程调节的，如VITRONICS的电动机转速可为1000～3000r/min，而有的再流炉的电动机转速是厂家出厂时已固定的，如BTU的再流炉出厂时已设定为最高转速约为3000r/min。电动机转速越大，风力越大，热交换能力越强。通过测量气体吹出的风压，可以监控电动机的运转是否正常。由于再流过程中焊膏中助焊剂的挥发，可能凝结在叶轮上，降低风的效率，导致温度再流曲线发生变化。因此有必要定期检查和清洁叶轮。
炉体分为上、下两个密封箱体，中间为传送带。部分炉体的长度主要根据加热区和冷却区的多少而不同，目前的再流炉的加热区有4～12个。根据产能要求的不同，有铅再流焊接炉可选4～8个加热区，无铅再流焊接炉可选8～12个加热区，其中再流区有1～3个。每个温区的温度可编程设定，一般可设定温度范围从室温到275℃（视厂家而定），再流焊接炉另一个重要的区别在于它是否具备充氮气焊接的能力，或是只能在空气环境下焊接。冷却区有1～2个。用户一般可根据自己的用途来选择炉体的长短和炉子的气体环境要求。典型的纯热风加热再流炉的外观如图1.17所示。
图1.17 纯热风加热再流炉的外观
② 红外线加热再流炉。
a．总体结构。红外线加热再流炉主要由加热区、冷却区、红外线加热器、废气排放装置及PCB传送等部分组成，如图1.18所示。
图1.18 红外线再流焊接炉总体结构示意图
b．加热区结构。作为红外线加热器的热源，加热区是在棒状和板状的红外发热体中埋入普通的加热器构成的。红外线加热器的技术特性，请参阅第3章，此处不再重复。
③ 红外线和热风复合加热再流炉。
a．总体结构。红外线和热风复合加热再流炉的总体结构如图1.19、图1.20所示。
图1.19 红外线和热风复合加热再流炉总体结构示意图（一）
图1.20 红外线和热风复合加热再流炉总体结构示意图（二）
在工业中运行的红外线和热风复合加热再流炉的外观如图1.21所示。
图1.21 红外线和热风复合加热再流炉的外观
b．加热区结构。红外线和热风复合加热区热源的配置和传热形式如图1.22所示。此处的远红外线加热方式可区别为主动式或被动式，对其详细的介绍可参阅本书的第3章。
图1.22 红外线和热风复合加热区热源的配置和传热示意图
④ 加热区温度控制。再流炉的每一个加热区的温度控制都是独立的闭环控制系统。温度控制器通过PID控制把温度保持在设定值。温度传感器采用的热电偶通常都是装在多孔板的下面，感应气流的温度，如图1.23所示。
图1.23 加热区温度控制框图
如果加热区的温度出现异常，例如不升温或升温缓慢，一般需要检查固态继电器是否正常，检查加热区的加热器是否老化需要更新（一般使用多年的再流炉容易出现这个问题）；若出现温度显示错误，一般是热电偶线已损坏。
（2）冷却区结构
PCB经过再流焊接后，必须立即进行冷却，才能得到很好的焊接效果。因此在再流焊接炉的最后都配置有冷却区。冷却区的结构是一个水循环的热交换器。冷却风扇把热气吹到循环水换热器，经过降温后的冷气再吹到PCBA上。热交换器内的热量经循环水带走，循环水经降温后再送回换热器，如图1.24所示。
图1.24 水循环热交换器工作原理
由于在冷却系统中，助焊剂容易凝结，因此必须定期检查和清除助焊剂过滤器上的助焊剂，否则热循环效率的下降会削弱冷却系统的效率，使冷却变差，导致产品的焊接质量下降。过热焊接的PCBA的长期稳定性会下降。
虽然不同厂家的再流炉的冷却区的结构不尽相同，但其基本的原理是一样的。冷却区一般有单面冷却和双面冷却两种结构。单面冷却是指只在传送带的上面装有冷却系统，而双面冷却则是在传送带上、下两面都配置有冷却系统。图1.25和图1.26是BTU再流焊接炉中所釆用的冷却器的结构。由图中可以看出冷却区由热交换器和冷却风扇组成。一般而言，用单面冷却就可以满足普通PCBA的冷却需要。
图1.25 冷却区的单面冷却结构
图1.26 冷却区的双面冷却结构
图1.27和图1.28分别给出了BTU的普通及无铅再流焊接炉的外形结构。
图1.27 BTU普通热风再流焊接炉外形结构图
图1.28 BTU无铅热风再流焊接炉外形结构图
（3）气体控制系统
气体控制系统包括两个方面，一个是再流焊接需要气体的加入，另一个是炉内废气的排放。气体注入分为两种：一种是氮气（N2），另一种是压缩空气。氮气炉一般密封极严，以防止炉外的氧气进入炉体。氧气含量是氮气炉的关键，它的大小影响到元器件焊接质量。通过将炉体采样气体口连接氧气含量测试仪可以精确测量炉区内氧气含量。一般好的炉内的氧含量低于50ppm。当不需要使用氮气时，炉内应注入压缩空气保持炉内的气体需要。炉内废气（包括助焊剂的挥发物、再流焊接产生的废烟）应不断地排出炉外以维护炉内的正常气体环境和保护操作工的健康。炉体的排气管应与整个工厂的排气装置相连。
（4）PCB传送带结构
再流炉的传送装置一般有两类，一类是网式传送带，另一类是轨道式传送带。根据产品需要用户可自己选择。一般的再流炉同时带有这两类传送带，以方便用户使用。传送带的转速是可编程的。由于带速直接影响再流焊接的温度曲线，因此带速的稳定性是至关重要的。再流焊接炉的带速控制也是闭环控制系统，如图1.29所示，通过控制传送带的驱动电动机的转速来控制带速。
图1.29 传送带带速闭环控制图
除了带速的稳定性外，传送带的机械运动的平稳性也很重要。因为当再流焊钎料正在熔化过程中时，传送带的振动会带来焊接缺陷，如元器件偏位、虚焊、掉件等问题。保证机械平稳的关键在于传送机构的维护保养的好坏，如链条和齿轮的清洁、润滑、直流电动机的电刷的保养等都非常重要。传送带一般还配有不间断电源（UPS），它可以在整个炉子电源意外中断时，维持传送带运行5～10min，直到把炉内的所有的PCB送出，以避免发生烧板事故。