第８章回流焊工藝8.1

回流焊工藝特點(diǎn)8.2傳熱學(xué)基礎(chǔ)8.3紅外對(duì)流類(lèi)回流焊8.4氣相回流焊8.5局部回流焊8.6典型焊接缺陷

8.1回流焊工藝特點(diǎn)

回流焊工藝主要用于表面組裝元器件的焊接（目前已出現(xiàn)了用于THC的回流焊），圖2.2示意的是整體回流焊過(guò)程。與第9章將要介紹的波峰焊工藝相比，回流焊工藝具有以下

特點(diǎn)：

（1）焊料已預(yù)先分配到了引腳與焊盤(pán)間的焊接區(qū)域，焊料分配精度高，焊接過(guò)程不再需要添加焊料，因此焊料節(jié)省、污染??；同時(shí)，元器件不再直接浸入到熔融焊料中焊接，

因此所受到的熱沖擊也較小。（2）即使貼片后元器件的位置有微量的偏差，但在熔融焊料的表面張力作用下也能自動(dòng)糾偏，最終使元器件具有正確的位置。但是，也正是因?yàn)楹噶媳砻鎻埩ψ饔?，有時(shí)也會(huì)引起微小的片式元件在焊接中出現(xiàn)“立碑”缺陷。（3）整體回流焊中，組件被整體加熱。受元器件本身的體積、熱容量、引腳位置以及元器件在PCB上的布置狀況影響，各焊區(qū)的溫升并不一致。例如BGA的焊區(qū)在器件封裝的底面，加熱時(shí)因受遮擋而升溫慢；而靠近PCB中心區(qū)域的元器件其溫升通常要快一些。正確焊接時(shí)，加熱過(guò)程應(yīng)能保證溫升最慢的焊區(qū)也要達(dá)到焊接的溫度要求。這會(huì)導(dǎo)致各元器件本身的受熱程度不一致，并可能在元器件內(nèi)部引起較大的熱應(yīng)力。（4）同一組件可能包含多種類(lèi)型、材料或表面鍍層的引腳和焊盤(pán)，導(dǎo)致不同焊區(qū)的焊接要求甚至可焊性不同，但是在采用整體回流焊時(shí)必須適應(yīng)這種要求。因此對(duì)回流焊的技術(shù)要求也就更高。

（5）目前，回流焊工藝已有多種具體形式，同一組件可以采用不同的回流工藝進(jìn)行焊接。例如對(duì)熱敏感性強(qiáng)的元器件可以使用局部回流焊（如激光焊接）。為了保證良好的回流質(zhì)量，進(jìn)行裝聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從PCB設(shè)計(jì)（決定了元器件的布置和焊區(qū)遮擋情況，應(yīng)考慮熱容量大、溫升慢的焊區(qū)的溫升要求）、錫膏選擇（決定了焊接溫度、助焊劑發(fā)揮助焊作用的效果）、元器件引腳類(lèi)型（焊料應(yīng)對(duì)組件上各種引腳材料、鍍層具有較為一致的可焊性）、焊接工藝參數(shù)（主要是回流曲線，應(yīng)保證各焊區(qū)具有較為一致的溫升曲線）和焊接設(shè)備（主要是加熱方式和爐溫區(qū)設(shè)置，決定了焊區(qū)受熱的均勻性和回流曲線的設(shè)置、調(diào)整的便利性）等方面采取措施，確?；亓骱腹に嚨暮附淤|(zhì)量。目前,回流焊已發(fā)展出多種具體形式,其差別主要體現(xiàn)在

回流設(shè)備類(lèi)型上。根據(jù)對(duì)組件的加熱范圍區(qū)分，有整體回流焊和局部回流焊兩種類(lèi)型:整體回流焊將組件整體放入回流爐中加熱焊接，其生產(chǎn)效率較高，是大規(guī)模生產(chǎn)的主要形式；局部回流焊則對(duì)PCB上的某個(gè)元器件甚至元器件的每個(gè)焊端、引腳逐一焊接，可滿足一些對(duì)熱敏感性強(qiáng)的元器件的焊接

需求。按設(shè)備加熱時(shí)的熱源區(qū)分，則有傳導(dǎo)、對(duì)流、紅外輻射、氣相和激光加熱等形式。整體回流焊時(shí)，實(shí)際采用的回流爐多以?xún)煞N或多種熱源結(jié)合使用，以提高加熱效率與均勻性，避免單一加熱方式的缺陷。這時(shí)整體回流焊多屬紅外對(duì)流類(lèi)型。表8.1列出了回流焊技術(shù)的分類(lèi)和一般特點(diǎn)。

8.2傳熱學(xué)基礎(chǔ)

工程上在加熱物體時(shí)，通常都要預(yù)先設(shè)置一個(gè)熱源，通過(guò)熱源不斷發(fā)出的熱量實(shí)現(xiàn)對(duì)被加熱對(duì)象的加熱升溫。電子裝聯(lián)的焊接設(shè)備中，回流焊機(jī)各溫區(qū)的加熱元件或者熱風(fēng)就是熱源，波峰焊機(jī)錫槽內(nèi)的熔融焊料也作為熱源使用。

焊接時(shí)需要將組件焊區(qū)加熱到設(shè)定溫度。使焊區(qū)升溫的原因在于熱量傳遞。由于傳熱學(xué)（HeatTransfer）就是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)（傳遞過(guò)程中的熱能也常稱(chēng)為熱量），因此本節(jié)首先簡(jiǎn)單介紹傳熱學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。8.2.1基本概念

凡是有溫差的地方就會(huì)有熱能自發(fā)地從高溫部分向低溫

部分傳遞，這一現(xiàn)象稱(chēng)為熱傳遞。熱傳遞有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種基本方式，每種方式的起因、規(guī)律和影響因素各不相同。通常將高溫的部分稱(chēng)為熱源，熱能就是從熱源通過(guò)不同的傳遞方式傳播到低溫部分的。由于溫差是引起熱傳遞的基本原因，因此首先給出與溫度分布有關(guān)的一些概念。以熱源為中心，存在一個(gè)溫度分布空間，這個(gè)空間稱(chēng)為溫度場(chǎng)。在溫度場(chǎng)的任一位置（x，

y，z）處，t時(shí)刻的溫度T可表示為

T=F(x,y,z,t)

這樣的溫度場(chǎng)也稱(chēng)為非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。上式表達(dá)了任一時(shí)刻溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)溫度的分布情況，簡(jiǎn)稱(chēng)該溫度場(chǎng)的溫度分布。工作條件變動(dòng)時(shí)的溫度場(chǎng)一般都是非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)（如焊接加熱過(guò)程中，組件內(nèi)的溫度分布就是非穩(wěn)態(tài)的；熱機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)或工況變化時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的溫度場(chǎng)也是非穩(wěn)態(tài)的）。如果溫度場(chǎng)內(nèi)任一位置的溫度僅與該位置的坐標(biāo)有關(guān)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)，這樣的溫度場(chǎng)則稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)一般是系統(tǒng)工作狀況處于穩(wěn)定時(shí)的溫度場(chǎng)。在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)內(nèi)，各點(diǎn)處的溫度可表示為T(mén)＝f（x，y，z）。顯然，對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)內(nèi)任一截面，傳入的熱量等于傳出的熱量，否則截面的溫度就要起變化。當(dāng)溫度僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向(如x方向)，或兩個(gè)坐標(biāo)方向（如x，y方向）變化時(shí)，這樣的溫度場(chǎng)稱(chēng)為一維溫度場(chǎng)和二維溫度場(chǎng)，否則就是三維溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)內(nèi)，同一時(shí)刻具有相同溫度的點(diǎn)所組成的線（或面）稱(chēng)為等溫線（或等溫面）。同一等溫線（面）上，各點(diǎn)的溫度是相等的，因此熱傳遞只發(fā)生在不同的等溫線（面）之間。不難發(fā)現(xiàn)，從一個(gè)等溫線（面）的任一點(diǎn)沿不同路徑方向至另一等溫線（面）的溫差都是相等的，但單位距離上的溫度變化量卻不相同，因此在不同方向的傳熱量也就不相同。一般在等溫線（面）的法線方向溫度變化率最大，因此定義：溫度沿等溫線（面）某點(diǎn)法線方向的變化率為溫度場(chǎng)在該點(diǎn)處的溫度梯度，即式中:ΔT為法線方向距離為Δn處的溫度差，n為該點(diǎn)的法向單位矢量。顯然，溫度梯度是一矢量，它沿法線方向指向溫度升高的方向，數(shù)值上等于溫度場(chǎng)在該點(diǎn)處的方向?qū)?shù)。建立三維直角坐標(biāo)系，則特別地，對(duì)一維溫度場(chǎng)，其溫度梯度可表示為值得指出的是，傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要涉及兩類(lèi)問(wèn)題：一類(lèi)以求解研究對(duì)象的傳熱量為主，另一類(lèi)則以求解研究對(duì)象內(nèi)部各點(diǎn)的溫度變化規(guī)律為基本目標(biāo)。由于后一類(lèi)問(wèn)題更加復(fù)雜，因此以下僅從熱量的傳遞規(guī)律方面作以介紹。這時(shí)，熱量的傳遞規(guī)律主要是指單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量與溫度差之間的關(guān)系。8.2.2熱傳導(dǎo)

物體各部分之間不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移，熱量?jī)H靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱(chēng)為熱傳導(dǎo)（HeatConduction，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)熱）。只要溫差大于熱力學(xué)

溫度0K，物體便有熱運(yùn)動(dòng)的本領(lǐng)，因此導(dǎo)熱是物質(zhì)的固有屬性。固體內(nèi)部熱量從溫度較高部分傳遞到溫度較低部分，或者溫度較高的固體把熱量傳遞給與之相接觸的溫度較低的另一

固體，以及靜止流體中的熱量傳遞都是導(dǎo)熱現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)時(shí)，物體內(nèi)的熱量傳遞規(guī)律由傅里葉定律給出：在導(dǎo)熱過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)物體內(nèi)的任一微元截面的熱流量dΦ滿足式中:dΦ是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)微元截面的熱流量(W)；λ為物體材料的熱導(dǎo)率，也稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)(W/（m·K）)；dA為垂直于熱流方向的微元面積(m2)；為微元處的溫度梯度(K/m)；式中的負(fù)號(hào)表示熱流方向（熱量傳遞方向）與溫度梯度方向相反，即熱量總是向溫度較低的方向傳遞。通常，將單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積截面的熱流量稱(chēng)為熱流密度，記為q，單位是W/m2。于是，傅里葉定律也可寫(xiě)成如下形式：傅里葉定律表明，溫度梯度是引起物體內(nèi)部和物體之間熱量傳遞的根本原因；同時(shí)也表明熱流量的大小與材料的熱導(dǎo)率成正比。熱導(dǎo)率λ是材料的一個(gè)固有物理屬性，表示了單位時(shí)間內(nèi)，單位溫度梯度作用下物體內(nèi)單位截面所通過(guò)的熱流量，它在數(shù)值上等于溫度梯度為1K/m時(shí)的熱流密度。因此，熱導(dǎo)率表征了材料的導(dǎo)熱能力：λ越大，材料的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)；在相同溫度分布狀態(tài)下，材料內(nèi)的熱流量也越大。表8.2顯示了電子裝聯(lián)中常見(jiàn)材料的熱導(dǎo)率。一旦確定了物體中的溫度梯度，就可由傅里葉定律求得各點(diǎn)處的熱流量。例如對(duì)圖8.1所示的厚度為δ、兩個(gè)表面均維持均勻而恒定溫度T1、T2的大平板（長(zhǎng)、寬尺寸遠(yuǎn)大于厚度，一般至少大于8倍），若忽略其四邊散熱，并認(rèn)為平板內(nèi)部任一截面的溫度分布只沿厚度方向有變化，屬于一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。設(shè)T1>T2，根據(jù)傅里葉定律，得任一截面的熱流密度為將上式對(duì)x由0到δ積分，得到通過(guò)平板的熱流密度此式表明：一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，平板的導(dǎo)熱量（熱流量或熱流密度）與平板厚度δ成反比,與平板材料的熱導(dǎo)率λ和兩端溫差大小成正比。圖8.1通過(guò)平板的一維導(dǎo)熱在焊接加熱時(shí)，組件焊區(qū)要從室溫加熱到焊接溫度，因此組件內(nèi)的溫度場(chǎng)是一種非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。但從以上穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的熱量公式可以得到以下啟示：早期的電熱板式回流焊機(jī)中，組件焊區(qū)的加熱熱量完全由電熱板提供，再通過(guò)電路基板的熱傳導(dǎo)使各焊區(qū)加熱。因此熱導(dǎo)率高的基板材料因其熱流密度大而使焊區(qū)升溫較快（如陶瓷基板因其熱導(dǎo)率高于環(huán)氧玻璃布基板，此加熱時(shí)的升溫要快）；對(duì)同一材料基板，薄板的溫升速率則要大于厚板。此外，焊區(qū)大小不同時(shí)將引起各焊區(qū)出現(xiàn)較大的溫差。因此，這樣的傳熱效果一般較差。8.2.3熱對(duì)流

熱對(duì)流是由于流體（液體、氣體）溫度不同的部分之間發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。熱對(duì)流只能發(fā)生在流體中，而且由于分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)是流體的固有本質(zhì)，因此對(duì)流必然伴隨著熱傳導(dǎo)。運(yùn)動(dòng)著的流體同與之相接觸的固體表面之間因溫度差而引起的熱傳遞現(xiàn)象稱(chēng)為對(duì)流傳熱（也稱(chēng)對(duì)流換熱），以區(qū)別于一般意義上的熱對(duì)流。顯然，對(duì)流傳熱也是熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)同時(shí)參與的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式是牛頓冷卻公式：設(shè)流體溫度為T(mén)f，固體表面溫度為T(mén)w，兩相接觸面積為A，則流體和固體表面之間的對(duì)流傳熱量Φ可表示為式中，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（也稱(chēng)對(duì)流換熱系數(shù)），單位為W/（m2·K）。它表示了流體與固體表面溫差為1℃時(shí)，1m2的面積上每秒所能傳遞的熱量。在牛頓冷卻公式中，一般將溫差ΔT寫(xiě)成大于0的形式，其大小表明對(duì)流傳熱的驅(qū)動(dòng)力大小，其換熱方向可根據(jù)流體和固體表面溫度大小確定。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h表示了流體與固體表面間的對(duì)流傳熱強(qiáng)烈程度。h與熱導(dǎo)率λ不同，h是一個(gè)過(guò)程量，其大小取決于換熱過(guò)程的許多因素，如流體的流動(dòng)狀態(tài)、流動(dòng)的起因、流體的物性以及換熱面的幾何狀況等。研究對(duì)流傳熱的一個(gè)重要方面就是尋找對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算公式。影響對(duì)流傳熱的因素主要有：

1）流體流動(dòng)的起因

就引起對(duì)流運(yùn)動(dòng)的原因而言，對(duì)流分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是因流體冷、熱部分的密度不同而引起的，強(qiáng)制對(duì)流則是由外力作用引起的。兩種對(duì)流的成因不同，流體中的速度場(chǎng)也有差別，因此對(duì)流傳熱規(guī)律也就有所差別。一般同一種流體在強(qiáng)制對(duì)流下的對(duì)流傳熱系數(shù)要比自然對(duì)流時(shí)的大。

2）流體流動(dòng)的狀態(tài)

按流體的流動(dòng)狀態(tài)區(qū)分，流體流過(guò)固體表面時(shí)分為層流和湍流兩種流態(tài)。層流時(shí)，流體微團(tuán)在自己的流層內(nèi)沿主流方向分層流動(dòng)，各層的流速不同，是一種規(guī)則性的流動(dòng)狀態(tài)；湍流時(shí)，流體會(huì)在垂直于主流方向從一個(gè)流層擴(kuò)散到另一個(gè)流層中，形成湍流脈動(dòng)，造成很大的動(dòng)量和熱量擴(kuò)散。因此在其余條件相同時(shí)，流體湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)要比層流時(shí)的大。

3）流體有無(wú)相變

若按流體是否發(fā)生相變區(qū)分，對(duì)流又分為有相變的和無(wú)相變的對(duì)流。飽和蒸氣在固體表面凝聚成液體的對(duì)流傳熱稱(chēng)為凝結(jié)傳熱，而固體表面上的液體或表面附近的蒸氣汽化成為蒸氣時(shí)的對(duì)流傳熱稱(chēng)為沸騰傳熱（兩者常統(tǒng)稱(chēng)為相變傳熱）。沒(méi)有相變的對(duì)流傳熱僅靠流體顯熱變化傳熱，而有相變的對(duì)流傳熱主要靠流體相變熱（也稱(chēng)潛熱）的釋放或吸收傳熱。通常單位質(zhì)量流體的潛熱要比顯熱大很多，因此有相變的對(duì)流傳熱系數(shù)要比無(wú)相變的大。

4）固體表面幾何因素

固體的表面形狀、尺寸、表面粗糙度，以及換熱面與流體流向的相對(duì)位置等都直接影響著對(duì)流傳熱。幾何因素不同時(shí)，對(duì)流傳熱的規(guī)律也就有所不同。

5）流體的物理性質(zhì)

流體的熱物理性質(zhì)包括密度、運(yùn)動(dòng)粘度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和比熱容等，它們對(duì)對(duì)流傳熱有很大的影響。流體密度與比熱容的乘積反映了流體攜帶和轉(zhuǎn)移熱量能力的大??；緊靠換熱面的流體以導(dǎo)熱為主要的熱量傳遞方式，因此反映流體導(dǎo)熱能力的熱導(dǎo)率也會(huì)對(duì)對(duì)流傳熱產(chǎn)生影響；流體的運(yùn)動(dòng)粘度對(duì)流體的流態(tài)有很大影響。比如粘度較大的油類(lèi)與水相比，在同樣條件下更容易形成層流狀態(tài)，因此其對(duì)流傳熱系數(shù)也要小于水的對(duì)流傳熱系數(shù)；在自然對(duì)流中，流體的熱膨脹性是引起流體流動(dòng)的主要因素，因此熱膨脹系數(shù)對(duì)自然對(duì)流傳熱也就具有重要的影響?？傊?，影響對(duì)流傳熱的因素很多。流動(dòng)動(dòng)力不同、流態(tài)差異、是否發(fā)生相變以及換熱表面的幾何狀況上的區(qū)別構(gòu)成了多種類(lèi)型的對(duì)流傳熱現(xiàn)象，因此，表征對(duì)流傳熱強(qiáng)度的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是取決于多種因素的復(fù)雜函數(shù)。為了正確分析對(duì)流傳熱規(guī)律，需要按其主要的影響因素分別加以考慮。電子裝聯(lián)的焊接中主要涉及強(qiáng)制的外部對(duì)流傳熱（紅外對(duì)流類(lèi)回流焊中熱風(fēng)吹掠組件焊區(qū)、波峰焊中焊料波沖刷組件焊區(qū)等）和凝結(jié)傳熱（氣相回流焊中的凝結(jié)換熱）。這時(shí)常見(jiàn)的流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大體范圍為：空氣強(qiáng)制對(duì)流50～100W/（m2·K），水強(qiáng)制對(duì)流1000～15

000W/（m2·K），水蒸氣凝結(jié)5000～25000W/（m2·K），液態(tài)流動(dòng)的焊料10000～20000W/（m2·K）。回流焊中，為使?fàn)t內(nèi)溫度均勻而引入了強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流。強(qiáng)制熱風(fēng)可使熱空氣處于湍流狀態(tài)而有利于對(duì)流傳熱，但過(guò)大的風(fēng)量可能使微小元器件發(fā)生位移，因此應(yīng)注意兩者的平衡關(guān)系。8.2.4熱輻射

溫度高于絕對(duì)溫度零度的物體都會(huì)以電磁波的形式向外界發(fā)射能量，這一現(xiàn)象稱(chēng)為輻射。電磁波所具有的能量稱(chēng)為輻射能。物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能，由于熱的原因而產(chǎn)生輻射能的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。傳熱學(xué)中常將熱輻射產(chǎn)生的電磁波稱(chēng)為熱射線。輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。按照產(chǎn)生電磁波的原因可以得到不同頻率的電磁波。例如，高頻振蕩電路產(chǎn)生的無(wú)線電波就是一種電磁波，而由熱的原因產(chǎn)生的熱輻射，其電磁波是由物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變所激發(fā)出來(lái)的。圖8.2顯示了電磁波的波譜。圖8.2電磁波的波譜圖理論上，物體熱輻射的電磁波長(zhǎng)可包括整個(gè)波譜，但在溫度范圍在2000K以下的工業(yè)應(yīng)用上，有實(shí)際意義的熱輻射波長(zhǎng)主要位于0.8～100μm之間，而且大部分熱輻射能量位于紅外區(qū)段的0.76～20μm的范圍內(nèi)，而在可見(jiàn)光區(qū)段（0.38～0.76μm）電磁波所具有的能量的比重并不大。

就紅外線來(lái)說(shuō)，它又有近紅外線（波長(zhǎng)在25μm以下的電磁波）和遠(yuǎn)紅外線（波長(zhǎng)大于25μm的電磁波）之分。遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)就是利用遠(yuǎn)紅外元件發(fā)出的電磁波對(duì)物體進(jìn)行加熱的。由于所處的環(huán)境總是高于絕對(duì)零度，因此自然界中的物體也就不停地向外界發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷地吸收其它物體發(fā)出的熱輻射。熱輻射與吸收的結(jié)果造成了以輻射方式進(jìn)行的熱量傳遞，這一現(xiàn)象稱(chēng)為輻射傳熱（也稱(chēng)輻射換熱）。輻射傳熱是一種動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)物體與周?chē)矬w間存在有溫差時(shí)，物體發(fā)射出去的輻射能與所吸收的輻射能并不相等，輻射傳熱量也就不等于零。輻射傳熱的方向同樣遵循自然界的基本定律——熱力學(xué)第二定律進(jìn)行，即高溫物體凈失去熱量，低溫物體凈得到熱量。只有在平衡狀態(tài)下輻射傳熱量才為零，但輻射與吸收過(guò)程仍在進(jìn)行當(dāng)中。因此，物體的輻射能力與溫度有直接關(guān)系；同時(shí)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收能力也大不一樣。

熱輻射是一種重要的熱量傳遞方式。熱輻射與輻射傳熱的基本特點(diǎn)是：（1）從機(jī)理上講，熱輻射傳遞熱量依靠的是電磁波的運(yùn)動(dòng)，而熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流分別依靠物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。因此，熱輻射可以在沒(méi)有任何介質(zhì)的情況下傳遞能量，即在真空中也可以進(jìn)行熱量傳遞（而且是最有效的傳遞），而熱的傳導(dǎo)、對(duì)流只能在有物質(zhì)存在的條件下進(jìn)行。（2）物體向外發(fā)射輻射能而消耗熱能，其溫度有下降趨勢(shì)；同時(shí)，物體又吸收輻射能而轉(zhuǎn)換成熱能，其溫度又有上升的趨勢(shì)。因此，輻射傳熱總是伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換，即發(fā)射時(shí)從熱能轉(zhuǎn)換成輻射能，吸收時(shí)則又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。這是輻射傳熱的又一個(gè)特點(diǎn)。（3）熱輻射是以電磁波形式進(jìn)行的，它與光波傳播有一定的相似性，即在物體表面反射、為物體吸收和穿透等。但通常認(rèn)為，熱輻射的發(fā)射和吸收是在物體表面進(jìn)行的。固體和液體對(duì)熱輻射的發(fā)射和吸收僅在表面下的極短距離內(nèi)就完成了（對(duì)金屬導(dǎo)體，這一距離只有1μm數(shù)量級(jí)；對(duì)大多數(shù)非導(dǎo)電材料，這一距離一般也小于1mm），因此可認(rèn)為熱輻射不能穿透一般物體。但在電子裝聯(lián)中，許多材料（如PCB板）厚度很小，因此熱輻射對(duì)組件加熱可認(rèn)為是有一定的穿透性能力的。實(shí)際物體的輻射和吸收能力都小于同溫度下的絕對(duì)黑體（一種理想化的模型）。物體的輻射熱流量Φ可由以下斯忒藩-波耳茲曼定律表示：

Φ=εAσT4

式中:ε為物體的發(fā)射率（也稱(chēng)“黑度”），總小于1，它與物體種類(lèi)和表面狀態(tài)有關(guān)；σ是斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)（也稱(chēng)黑體輻射常數(shù)），其值為5.67×10－8W/（m2·K4）；A為物體輻射表面積，單位為m2；T為物體的溫度，單位為K。實(shí)際物體自身在向外輻射熱流量的同時(shí)，還吸收其它物體的輻射能。因此，物體的輻射傳熱量是其輻射與吸收熱量的總和。設(shè)物體的表面積為A1、表面溫度T1、發(fā)射率為ε1，當(dāng)它被包容在一個(gè)表面很大、表面溫度為T(mén)2的空腔內(nèi)時(shí)，該物體與空腔表面間的輻射傳熱量Φ可按下式計(jì)算：

Φ=ε1A1σ(T41－T42)上式表明，物體的發(fā)射率、表面狀況和表面積都是影響傳熱量的重要因素。此外，輻射傳熱量對(duì)熱源與被加熱體的溫度極為敏感。溫度的微小變化都可能引起傳熱量的急劇改變。由此也可以看出，單純依靠紅外輻射加熱的回流焊設(shè)備中，輻射傳熱有較高的加熱效率（因與熱源溫度的四次方成正比），但在加熱時(shí)需要精確控制溫度變化。當(dāng)組件上的元器件封裝類(lèi)型、幾何形狀、表面狀況復(fù)雜時(shí)，這類(lèi)加熱方式可能使不同元器件和加熱焊區(qū)的溫差較大。同時(shí)，熱輻射因其具有光波特點(diǎn)，當(dāng)焊區(qū)被周?chē)渌矬w遮擋（包括BGA一類(lèi)焊區(qū)被器件封裝體遮蓋情況）時(shí)，其加熱效率將不理想。因此目前單純依靠輻射加熱的回流設(shè)備已不多見(jiàn)。

8.3紅外對(duì)流類(lèi)回流焊

8.3.1概述

如前所述，任何物體都會(huì)發(fā)出熱輻射，同時(shí)又在不斷地吸收著來(lái)自其它物體的輻射能，物體吸收的輻射能在物體內(nèi)部會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。然而，并非所有的轉(zhuǎn)化都能引起期望的溫升結(jié)果。紅外對(duì)流類(lèi)回流焊設(shè)備一般采用多根管狀或板狀紅外加熱器作為發(fā)熱源，利用紅外線輻射的方式將熱能傳播到包括被焊區(qū)域在內(nèi)的整個(gè)組件上進(jìn)行加熱焊接。通常，燈源式紅外熱源產(chǎn)生的紅外線波長(zhǎng)為1～2.5μm，板源式紅外熱源產(chǎn)生的波長(zhǎng)為2.5～5μm。為了提高加熱效

率，也將近紅外與遠(yuǎn)紅外加熱同時(shí)使用。近紅外線與遠(yuǎn)紅外線的能量傳播形式又是有區(qū)別的。

在近紅外線加熱中，被輻射物體所吸收熱量的絕大部分都是依靠紅外輻射得到的，熱對(duì)流的成分一般小于5％（最高不超過(guò)20％）；遠(yuǎn)紅外加熱時(shí)，輻射的熱能只占40％，60％是靠對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由熱輻射的斯忒藩-波耳茲曼定律可知，輻射傳熱對(duì)熱源溫度特別敏感。熱源溫度稍有提高，被輻射對(duì)象所吸收的熱量就會(huì)有明顯的增加。因此，紅外回流焊的熱效率高，可急熱、急冷，便于設(shè)定加熱曲線，也易實(shí)現(xiàn)加熱裝置的小型化。然而，紅外輻射也存在光波傳播中的“陰影效應(yīng)”，即紅外線不能直接穿透物體而到達(dá)被物體遮蓋的焊接區(qū)域。這樣，當(dāng)焊接BGA、CSP等焊端置于元器件底面、J型引腳的PLCC器件，甚至那些被周?chē)叽笤骷胁糠终趽醯脑骷r(shí)，由于“陰影效應(yīng)”使其引腳焊區(qū)升溫明顯低于其它部位，從而引起焊接溫度不均勻的現(xiàn)象。此外，當(dāng)它輻射到物體時(shí)，除一部分被物體吸收外，還有一部分熱能被反射出去。反射量同樣與物體的形狀、顏色和表面光潔度等有關(guān)。因此，紅外加熱的缺點(diǎn)是受熱不均勻，搭載器件的顏色、尺寸、PCB的厚度等都會(huì)造成溫差。為了避免輻射加熱的缺陷，主流的回流焊設(shè)備又引入了必要的循環(huán)熱風(fēng)，利用熱風(fēng)強(qiáng)制對(duì)流的方式進(jìn)一步增強(qiáng)加熱的均勻性。近年來(lái)，又有一些設(shè)備廠家開(kāi)發(fā)出直接以熱風(fēng)加熱的回流設(shè)備。熱風(fēng)對(duì)流以預(yù)先加熱的熱空氣或氮?dú)猓梢员苊飧邷貢r(shí)的氧化現(xiàn)象）作熱源，利用其循環(huán)對(duì)流使焊區(qū)加熱。熱風(fēng)的溫度設(shè)定在焊接溫度附近，對(duì)流的速度和熱風(fēng)的溫度決定了加熱的快慢。熱風(fēng)對(duì)流使物體從表面開(kāi)始向內(nèi)部逐漸傳遞熱量加熱，其升溫、降溫曲線相對(duì)平緩、穩(wěn)定，可以減少過(guò)高的溫升速率造成的熱沖擊，但預(yù)熱和焊接時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。而且考慮到片式元件越來(lái)越小，過(guò)強(qiáng)的風(fēng)力有可能造成元件的位移，因此，除了必須控制風(fēng)向和風(fēng)速之外，目前工業(yè)上多采用紅外輻射與熱風(fēng)對(duì)流相結(jié)合的加熱方式，循環(huán)對(duì)流的熱風(fēng)既可起到對(duì)過(guò)熱元器件的散熱作用，又能對(duì)熱量需求較大的元器件或焊接部位起到迅速補(bǔ)充熱量的作用，使PCB上大小不同、熱容量各異的元器件的加熱過(guò)程更加均勻、平衡，取兩者之長(zhǎng)。因此，紅外對(duì)流類(lèi)回流焊形式多樣，其區(qū)別主要體現(xiàn)在設(shè)備的加熱方式上，但也因加熱方式的不同，其影響因素和需要控制的工藝參數(shù)也就有所差異。根據(jù)加熱的主要方式，這類(lèi)回流焊主要分為紅外回流焊、紅外熱風(fēng)回流焊和熱風(fēng)循環(huán)回流焊三種主要類(lèi)型。紅外回流焊中，紅外輻射是主要的加熱方式，被焊區(qū)域超過(guò)80％的熱量是由熱輻射產(chǎn)生的；紅外熱風(fēng)回流焊中，熱輻射與熱風(fēng)對(duì)流產(chǎn)生的熱量分別占到大約40％和60％的比例；熱風(fēng)循環(huán)回流焊中，被焊區(qū)80％以上的熱量是由熱風(fēng)對(duì)流引起的。8.3.2紅外回流焊

紅外回流焊的焊接過(guò)程如圖8.3所示。表面組裝件SMA置于網(wǎng)狀或鏈?zhǔn)絺魉蛶希?jīng)過(guò)設(shè)備的預(yù)熱區(qū)升溫、保溫區(qū)溫度勻化，至焊接區(qū)溫度達(dá)到高峰、錫膏充分熔化和潤(rùn)濕被焊材料表面，至冷卻區(qū)熔融焊料完全凝固完成最終的焊接過(guò)程。這種焊接方式也稱(chēng)為連續(xù)式回流焊。預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、焊接區(qū)和冷卻區(qū)是回流焊接設(shè)備的四個(gè)溫區(qū)，其功能作用將在下一節(jié)介紹。圖8.3紅外回流焊的焊接過(guò)程預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)和焊接區(qū)一般由上下對(duì)置的一組板狀或燈式紅外加熱器組成。預(yù)熱區(qū)和保溫區(qū)一般采用遠(yuǎn)紅外的板狀加熱器加熱，加熱熱量以對(duì)流為主，升溫過(guò)程相對(duì)平緩。板狀加熱器的峰值溫度可達(dá)800℃。焊接區(qū)則采用了近紅外的燈式加熱器加熱，加熱以輻射為主，以使組件焊區(qū)迅速達(dá)到焊接溫度。燈式加熱器如Ni-Cr石英燈、T-3紅外燈的峰值

溫度可達(dá)1100～2200℃。有些設(shè)備的焊接區(qū)也使用了板狀加熱器。各區(qū)域的熱源溫度按照預(yù)先設(shè)定的組件回流溫度曲線換算后，由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。為了能方便地設(shè)置和實(shí)現(xiàn)組件的升溫曲線，許多

焊接設(shè)備中設(shè)置了兩個(gè)預(yù)熱區(qū)和保溫區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，溫區(qū)越多越便于靈活設(shè)置和控制溫度，從而滿足各種類(lèi)型組件的焊接需要。冷卻區(qū)一般用風(fēng)扇為裝焊后的SMA散熱降溫，也可以采用自然冷卻法。要獲得最佳的組件升溫曲線，還必須合理調(diào)節(jié)傳送帶的運(yùn)行速度。各區(qū)的溫度設(shè)定與傳送帶的傳輸速度一起決定了SMA的實(shí)際受熱過(guò)程。一般鏈?zhǔn)絺魉蛶Э捎糜陔p面組裝。

紅外回流焊的主要優(yōu)點(diǎn)是：波長(zhǎng)在1～5μm的紅外線能穿透到錫膏內(nèi)，促使助焊劑中的活性劑離子化，提高焊劑的潤(rùn)濕性，并使溶劑揮發(fā)，不易引起焊料飛濺；加熱溫度和加熱速度可調(diào)，加熱效率高，組件溫升快。8.3.3紅外熱風(fēng)回流焊

紅外熱風(fēng)回流焊的焊接過(guò)程與紅外回流焊過(guò)程類(lèi)似，只是焊接中增加了熱風(fēng)對(duì)流的加熱成分，如圖8.4所示。較早的焊接設(shè)備中，熱風(fēng)對(duì)流直接是靠增加一組風(fēng)扇使?fàn)t內(nèi)的熱空氣循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。由于不同元器件吸收紅外線熱量不同、熱風(fēng)的來(lái)源有限，因此這種方式?jīng)]有解決紅外回流焊的根本問(wèn)題。目前主流的回流焊設(shè)備中，熱風(fēng)對(duì)流都是靠熱風(fēng)加熱器將預(yù)熱后的熱風(fēng)引進(jìn)到不同的區(qū)域中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了避免焊接材料的高溫氧化，也常采用加熱氮?dú)膺M(jìn)行熱風(fēng)對(duì)流。圖8.4紅外熱風(fēng)回流焊的焊接過(guò)程這種焊接設(shè)備中，預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)和焊接區(qū)多采用板狀遠(yuǎn)紅外加熱器。許多設(shè)備中同樣設(shè)置了兩個(gè)預(yù)熱區(qū)或保溫區(qū)。同時(shí)，三個(gè)加熱區(qū)內(nèi)又引入了對(duì)流的熱風(fēng)來(lái)增強(qiáng)傳熱效果，使得加熱過(guò)程更加均勻、穩(wěn)定。熱風(fēng)除了通過(guò)軸向送風(fēng)外，還能通過(guò)切向進(jìn)行送風(fēng)對(duì)流，使得熱風(fēng)能夠從側(cè)面吹入BGA等的底部焊區(qū)，并避免軸心送風(fēng)因?qū)恿鬟\(yùn)動(dòng)造成的各溫區(qū)界限混合不清的現(xiàn)象。各區(qū)內(nèi)的熱風(fēng)溫度、速度（決定單位時(shí)間內(nèi)的送進(jìn)熱量）同樣通過(guò)計(jì)算機(jī)控制。為了防止小型元器件的移位應(yīng)對(duì)風(fēng)速加以控制。

紅外對(duì)流回流焊的主要優(yōu)點(diǎn)是：以熱對(duì)流加熱為主，加熱均勻、平穩(wěn)，消除了紅外回流焊如“陰影效應(yīng)”等一些缺陷；其回流曲線的可調(diào)性大為增強(qiáng)，縮小了組件的溫度帶寬。8.3.4回流曲線的設(shè)置

1.回流曲線

由前述的焊接流程可知，被焊組件是在通過(guò)回流設(shè)備不同溫區(qū)的過(guò)程中被逐步加熱的，這種方式也稱(chēng)連續(xù)式回流焊。不同溫區(qū)的熱源溫度和傳送帶的運(yùn)行速度是決定被焊組件升溫規(guī)律的主要工藝參數(shù)。實(shí)際焊接中，為了控制組件的升溫規(guī)律就必須控制熱源溫度和傳送帶的運(yùn)行速度，也即組件在各溫區(qū)的受熱量?；亓髑€（ReflowProfile）就是一條表示對(duì)組件的加熱

時(shí)間與升溫要求的關(guān)系曲線。它規(guī)定了組件的受熱流程和溫度要求，反映了焊接的工藝要求，因此也稱(chēng)為回流工藝曲線。回流曲線設(shè)定后，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)控制傳送帶的運(yùn)行速度和熱源溫度（也包括送風(fēng)量）。紅外對(duì)流類(lèi)回流焊的典型回流曲線如圖8.5所示，它由預(yù)熱、保溫、回流和冷卻四個(gè)區(qū)域組成。圖8.5Sn-Pb共晶焊料的典型回流曲線應(yīng)當(dāng)說(shuō)，焊接的根本目的是使焊區(qū)中的焊料熔化,進(jìn)而形成牢固的焊點(diǎn)。然而，由于采用了整體加熱的焊接工藝，PCB及其所搭載的所有元器件一起被加熱升溫，所以在具體升溫時(shí)，就必須考慮整個(gè)組件各個(gè)部分受熱時(shí)的性能表現(xiàn)，以免受到熱的損害。因此，回流曲線各個(gè)區(qū)域的功能作用并不完全相同。

1)預(yù)熱區(qū)

設(shè)置預(yù)熱區(qū)（PreheatZone）的目的是將組件從室溫提升到一定的高溫，防止急熱引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致元器件開(kāi)裂、PCB變形等現(xiàn)象。同時(shí)，由于助焊劑中的溶劑大都是高沸點(diǎn)物質(zhì)，不可能迅速地?fù)]發(fā)掉，因此通過(guò)預(yù)熱也讓錫膏中的焊劑系統(tǒng)緩慢地激活和揮發(fā)，為其發(fā)揮助焊作用和防止其在高溫?fù)]發(fā)甚至沸騰引起的焊料飛濺、焊點(diǎn)氣孔、焊料球或焊料不足等缺陷創(chuàng)造條件。預(yù)熱結(jié)束時(shí)的溫度與升溫速度是這一階段的兩個(gè)重要參數(shù)，其中升溫速度通常還受到元器件制造商的推薦值的限制。對(duì)Sn-37Pb焊料，預(yù)熱后的溫度一般設(shè)置在140～160℃范圍內(nèi)，升溫速度則為1～4℃/s。

受組件大小、組裝密度、元器件類(lèi)型等因素的共同影響，預(yù)熱階段中，組件各處的升溫速度會(huì)有所不同，從而導(dǎo)致組件焊區(qū)之間存在一定的溫度帶寬。但是由于預(yù)熱溫度的設(shè)定值還遠(yuǎn)低于焊接溫度，因此溫度帶寬并不會(huì)對(duì)焊接造成影響。

2)保溫區(qū)

保溫區(qū)也稱(chēng)溫度滲透區(qū)（SoakZone）。設(shè)置這一區(qū)域的目的是確保組件進(jìn)入焊接高溫區(qū)之前，各個(gè)焊區(qū)的溫度達(dá)到均勻一致，避免溫度不均造成的“冷焊”、“芯吸”和“橋連”等缺陷出現(xiàn)。預(yù)熱后的組件依然存在著溫度帶寬，通過(guò)保溫，可使溫度較高部位的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)作用向低溫部位傳遞，以使各處溫度更加均勻。同時(shí)在保溫區(qū)中，助焊劑中的活性成分被激活，助焊劑開(kāi)始發(fā)揮清理焊區(qū)、去除氧化的助焊作用，為隨后的焊接潤(rùn)濕做準(zhǔn)備。理想的情況是，保溫結(jié)束后組件各處的溫度均衡一致，氧化物被清理干凈。保溫的次數(shù)和保溫區(qū)的溫度設(shè)置與被焊組件和回流設(shè)備的熱對(duì)流程度有關(guān)。對(duì)溫差小、易加熱的組件通?？稍O(shè)一個(gè)保溫區(qū)，而對(duì)復(fù)雜的裝聯(lián)組件可能就需要設(shè)2～3個(gè)保溫區(qū)。保溫區(qū)的溫度通常設(shè)置在預(yù)熱溫度至稍低于焊料熔點(diǎn)溫度的區(qū)間內(nèi)，保溫時(shí)間一般控制在60～120s。對(duì)熱容量大、組裝密度高的復(fù)雜組裝件，保溫溫度與保溫時(shí)間的取值應(yīng)大一些。但也要注意，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，錫膏中的活性劑可能被過(guò)度消耗，在高溫氧化下反而降低了錫膏的焊接能力，這在使用無(wú)鹵素免清洗焊料時(shí)需要特別注意。

3)回流區(qū)

回流區(qū)（ReflowZone）也即焊接區(qū)，是焊接過(guò)程中錫膏充分熔化、擴(kuò)展?jié)櫇窈竻^(qū)，形成液－固兩相親密結(jié)合與界面反應(yīng)的階段。峰值溫度和回流時(shí)間是回流區(qū)的兩個(gè)主要參數(shù)。任何沒(méi)有達(dá)到焊料熔點(diǎn)的焊區(qū)部位都將不會(huì)形成可靠焊接。因此為了提高焊接的可靠性，焊區(qū)的實(shí)際溫度通常要超過(guò)焊料熔點(diǎn)20℃以上?；亓鲄^(qū)的峰值溫度一般受組件各電子材料的耐熱性限制。對(duì)錫鉛共晶焊料，峰值溫度通常設(shè)置在235℃，回流時(shí)間在30～60s左右，以保證各個(gè)焊點(diǎn)都能得到有效焊接。應(yīng)當(dāng)指出的是，回流曲線并不等同于每個(gè)焊區(qū)的實(shí)際升溫曲線。適當(dāng)提高焊區(qū)溫度或延長(zhǎng)焊接時(shí)間可使熔融焊料的粘度、表面張力下降，并使助焊劑充分發(fā)揮作用，促使焊料的浸潤(rùn)、擴(kuò)展。但是溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則可能使元器件受到熱損傷甚至失效，或在焊接界面形成過(guò)量的金屬化合物而影響焊點(diǎn)可靠性。因此，理想的回流曲線應(yīng)使焊區(qū)溫度與受熱時(shí)間形成最佳組合。文獻(xiàn)［6］便提出了用加熱因子來(lái)表征這一組合的指標(biāo)。加熱因子Qη定義為回流曲線在焊料液相溫度線以上的溫度T（t）對(duì)時(shí)間t的積分，相當(dāng)于回流曲線在熔點(diǎn)溫度Tm以上的面積：式中:t2、t1是回流時(shí)間；Qη的單位是s·℃。對(duì)錫鉛共晶成分的錫膏，Tm＝183℃。如果焊接區(qū)的回流曲線不是三角形，或在估算某個(gè)焊區(qū)的Qη時(shí)，可將溫度曲線用三角形近似，于是·=式中，

Tmax是焊接峰值溫度。

Qη過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)使焊點(diǎn)的振動(dòng)和彎曲疲勞壽命降低。圖8.6是一組Sn-37Pb合金焊接的MicroBGA試樣在不同加熱因子下的振動(dòng)和彎曲疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，為了保證良好的疲勞壽命，錫鉛共晶焊料的加熱因子最佳的范圍在600～900s·℃。對(duì)一些常用錫膏的推薦回流曲線進(jìn)行計(jì)算，所得到的Qη值也基本處于這個(gè)范圍（見(jiàn)表8.3）。因此，利用加熱因子可以對(duì)回流區(qū)的工藝設(shè)定進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)估。圖8.6加熱因子對(duì)MicroBGA疲勞壽命的影響（a）振動(dòng)疲勞壽命;（b）彎曲疲勞壽命在設(shè)定回流區(qū)的溫度曲線時(shí)，同樣需要考慮組件大小、組裝密度和元器件類(lèi)型等特征。組件越大、元器件越多，所需的回流時(shí)間也就越長(zhǎng)。

4)冷卻區(qū)

焊料一旦熔化、潤(rùn)濕被焊金屬表面，就應(yīng)盡快地進(jìn)入冷卻區(qū)（CoolingZone）進(jìn)行冷卻、凝固，以形成光亮的焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)焊盤(pán)與元器件的電氣與機(jī)械連接。冷卻一般采用的是自然或者風(fēng)冷。冷卻需要控制的主要參數(shù)是冷卻速度。冷卻太快，可能造成焊區(qū)熱應(yīng)力過(guò)大，引起元器件損壞或裂錫、脆化缺陷；冷卻太慢，將使界面層加厚，甚至導(dǎo)致更多基體金

屬溶入焊料，使焊點(diǎn)表面粗糙、暗淡，影響外觀質(zhì)量。極端情況下，還可能形成渣劑結(jié)晶影響結(jié)合強(qiáng)度。冷卻速度通常不超過(guò)4℃/s。總之，回流曲線的設(shè)定要求保證組件整體升溫而不破壞，焊區(qū)盡量同步升溫進(jìn)行焊接。

2.焊區(qū)的升溫曲線

回流曲線只是確定了對(duì)加熱組件的溫升要求。然而，包括焊區(qū)在內(nèi)的被焊組件各處的升溫情況并不等同于回流曲線所規(guī)定的溫度。受組件特征（組件大小、組裝密度、元器件熱容量、封裝類(lèi)型）以及加熱方式等因素的共同影響，組件各處的溫升規(guī)律比較復(fù)雜。例如，受加熱方式的影響，組件四周邊緣處的溫度一般要高于中心的溫度。這一點(diǎn)在紅外回流焊設(shè)備中更加明顯，溫差有時(shí)可達(dá)30℃以上。元器件的熱容量不同、“陰影效應(yīng)”的作用也會(huì)導(dǎo)致不同焊區(qū)具有不同的溫升速率，表現(xiàn)出有些焊區(qū)的溫升快、有些焊區(qū)的溫升慢。即使經(jīng)過(guò)保溫使各焊區(qū)溫度趨于一致，在進(jìn)入回流區(qū)時(shí)，也依然會(huì)因溫升速率的差別產(chǎn)生新的溫度差。極端情況下，有些焊區(qū)的焊料可能已經(jīng)熔化、焊接，而有些焊區(qū)可能還未達(dá)到焊料的熔點(diǎn)溫度以上?；亓骱钢校粋€(gè)重要的條件是保證各個(gè)焊區(qū)具有較為均勻一致的溫度，這樣才能保證助焊劑的作用時(shí)間以及回流時(shí)各焊區(qū)焊料的同步熔化和焊接。否則，過(guò)大的溫度帶寬會(huì)使不同焊點(diǎn)呈現(xiàn)不同的焊接質(zhì)量。圖8.7中，曲線1是能理想升溫的焊區(qū)溫度曲線，曲線3是受熱容量或“陰影效應(yīng)”影響的焊區(qū)溫度曲線。顯然，曲線1的溫升快，焊區(qū)溫度能夠及時(shí)上升到焊料熔化的溫度以上并保證一定的回流時(shí)間，有利于形成良好的焊點(diǎn)質(zhì)量；曲線3的升溫慢，到達(dá)保溫溫度或回流溫度均有一個(gè)較大的滯后，這樣在焊接時(shí)就無(wú)法保證所需要的

保溫或回流溫度和時(shí)間。圖8.7回流曲線與三個(gè)焊區(qū)的升溫曲線示意

3.帶寬與工藝窗口

為了表示各焊區(qū)的溫度差別，在4.5.2節(jié)中就已經(jīng)引入了溫度帶寬的概念，它是指被焊組件各焊區(qū)在回流曲線某一區(qū)域內(nèi)的最大溫度差（但通常是指在回流區(qū)的最大溫度差）。顯然，帶寬越小，焊接的一致性就越好。當(dāng)然，帶寬越寬，越便于工藝的控制實(shí)現(xiàn)。實(shí)際焊接中，一般要對(duì)保溫和回流階段的帶寬加以限制。保溫階段的帶寬限制主要是考慮發(fā)揮助焊劑的助焊作用，而回流階段的帶寬則與回流時(shí)的工藝窗口有關(guān)。如前所述，所謂工藝窗口是指使焊料充分熔化、潤(rùn)濕，從而形成可靠焊點(diǎn)的工藝溫度范圍。對(duì)于錫鉛共晶焊料，其熔點(diǎn)為183℃，回流時(shí)峰值溫度一般不超過(guò)235℃，因此，回流時(shí)的理論工藝窗口約在50℃左右。為了保證焊接的可靠性，一般還需進(jìn)一步要求各焊區(qū)溫度超過(guò)焊料熔點(diǎn)20℃，因此實(shí)際的工藝窗口約在30℃左右（見(jiàn)圖8.7）。顯然，由圖8.7中曲線3所對(duì)應(yīng)的焊區(qū)可看出，回流時(shí)的帶寬必須落入工藝窗口之內(nèi)，否則將不能保證焊接質(zhì)量。工藝窗口主要受焊料特性和組件耐熱性的限制，對(duì)組件溫度帶寬的要求則受焊料特性和工藝窗口的限制。一般來(lái)說(shuō)，溫度帶寬越窄越好，但實(shí)際的焊區(qū)升溫曲線和組件的溫度帶寬則與焊接設(shè)備的加熱方式、被焊組件特征以及焊接工藝參數(shù)的設(shè)定有關(guān)。例如，熱風(fēng)對(duì)流加熱比紅外加熱方式能夠獲得更為均勻一致的升溫效果，這也是在復(fù)雜組件焊接中常采用熱風(fēng)對(duì)流焊的原因。就工藝參數(shù)而言，通過(guò)調(diào)整回流曲線各個(gè)區(qū)域的參數(shù)設(shè)定可以改善焊區(qū)的升溫曲線，從而控制組件的實(shí)際帶寬。例如，對(duì)圖8.8中所示的回流曲線，通過(guò)降低預(yù)熱時(shí)的升溫速率、延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間、提高保溫溫度或時(shí)間以及增加熱對(duì)流的比例（增加對(duì)流熱風(fēng)量），可以改善曲線3所對(duì)應(yīng)焊區(qū)的升溫過(guò)程，使組件的升溫帶寬滿足要求。通常組件的溫度帶寬需要控制在5℃左右。圖8.8調(diào)整回流曲線以改變溫度帶寬

4.影響回流曲線設(shè)置的因素

實(shí)際的回流曲線通常都有一個(gè)可調(diào)整的區(qū)間范圍，即圖8.9中的陰影部分，其中的曲線1～3都是可能采用的回流曲線形式。

實(shí)際焊接中，任何一個(gè)被焊組件都是一個(gè)具有特定物理、化學(xué)性質(zhì)的綜合體系。每個(gè)組件與焊接工藝之間都可能存在一個(gè)最佳的工藝參數(shù)組合，利用這個(gè)參數(shù)組合就能得到良好的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此實(shí)際焊接中，一般都要根據(jù)具體對(duì)象對(duì)典型回流曲線進(jìn)行修正處理，以得到更加具體、符合組件特性的回流曲線。圖8.9回流曲線的調(diào)整范圍回流焊中，需要設(shè)定和調(diào)控的主要工藝參數(shù)是溫度和時(shí)間。目前尚無(wú)有效表征和計(jì)算最佳工藝參數(shù)組合的辦法。因此，回流曲線的設(shè)置過(guò)程主要是從焊料特性（關(guān)于無(wú)鉛焊料的回流曲線將在下一節(jié)介紹）、組件特征和加熱方式三個(gè)方面加以考慮，并結(jié)合溫度曲線測(cè)試手段進(jìn)行最后確定。設(shè)置回流曲線時(shí)，一般要考慮以下幾方面的影響。

1)裝聯(lián)密度的影響

被焊組件的安裝密度越大，整個(gè)組件的熱容量就越大，同時(shí)還可能受相互之間的遮擋而影響熱量傳播，因此要求其預(yù)熱、保溫的時(shí)間或溫度都要有所增加，以此來(lái)滿足升溫?zé)崃康男枨?。例如，圖8.9中曲線1、3分別適合高密度和中低密度的焊接組件使用。

2)元器件的類(lèi)型、大小等的影響

例如，對(duì)于溫度敏感的陶瓷類(lèi)元器件，或者大型元器件，過(guò)大的升溫或冷卻速率可能引起材料內(nèi)部與表面的溫度差，造成元器件受到熱應(yīng)力的損傷，因此要適當(dāng)降升溫或冷卻速率、延長(zhǎng)相應(yīng)區(qū)域的時(shí)間。這時(shí)可采用圖8.9中曲線2這種形式的回流升溫曲線。對(duì)含BGA、PLCC和細(xì)間距引腳元器件或元器件種類(lèi)多樣的組件，應(yīng)適當(dāng)增加保溫的溫度或時(shí)間以提高焊區(qū)的升溫一致性。同時(shí)，還可增加熱風(fēng)對(duì)流量甚至采用熱風(fēng)對(duì)流加熱方式來(lái)改善升溫過(guò)程。從設(shè)計(jì)角度講，應(yīng)當(dāng)選擇熱容量相近的元器件混裝、合理設(shè)計(jì)元器件布局也能避免焊接中的缺陷產(chǎn)生。

3)焊劑的影響

焊點(diǎn)中的氣孔是回流焊的一個(gè)主要缺陷，其產(chǎn)生原因與助焊劑中的溶劑含量和揮發(fā)過(guò)程有關(guān)。在助焊劑開(kāi)始活化的溫度以上的預(yù)熱、保溫時(shí)間內(nèi)，溶劑的揮發(fā)除了減少熱阻之外，也避免了回流時(shí)的溶劑沸爆，抑制了氣孔產(chǎn)生。理想情況下，組件在進(jìn)入回流區(qū)時(shí)溶劑應(yīng)基本揮發(fā)完畢?；亓鲄^(qū)的設(shè)定基本上由焊接的工藝窗口決定，回流曲線的變化主要集中在保溫區(qū)內(nèi)。這一點(diǎn)也在圖8.9中有所反映。因此，為了適應(yīng)溫度的設(shè)定需要，許多高檔回流焊接設(shè)備中通常都設(shè)置了多個(gè)保溫區(qū)，以方便焊接時(shí)的溫度調(diào)控。對(duì)錫鉛共晶焊料而言，組件在150℃以上的時(shí)間一般控制在3分鐘之內(nèi)，整個(gè)回流焊的時(shí)間大約在5分鐘左右。8.3.5無(wú)鉛回流曲線

圖8.5顯示的是錫鉛共晶焊料的典型回流曲線。這時(shí)，焊料的熔點(diǎn)為183℃，回流時(shí)的峰值溫度設(shè)定在235℃?？紤]到基板和零部件的耐熱性，一般限制在200℃以上的回流時(shí)間不超過(guò)30s，這樣組件的實(shí)際升溫低于235℃。由于錫鉛共晶焊錫的熔點(diǎn)溫度為183℃，因此這樣的設(shè)置使實(shí)際的工藝窗口在35℃左右。這樣即使組件上的不同焊區(qū)存在一定的溫度差，也由于存在較寬的工藝窗口而依然能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)良的焊接。對(duì)于無(wú)鉛焊料，其熔化溫度一般要超出錫鉛共晶焊料30℃以上。例如作為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛焊料的Sn-Ag-Cu焊錫，其熔點(diǎn)為217～219℃。這就意味著，如果采用類(lèi)似錫鉛焊料的回流曲線設(shè)定，工藝窗口就要變窄，組件溫升帶寬也要相應(yīng)變窄。如果組件的溫度帶寬較大時(shí)就會(huì)引起焊接缺陷，否則就要提高焊接溫度、延長(zhǎng)回流時(shí)間，相應(yīng)地，也就要求基板和電子材料的耐熱性有所提高。然而，大幅提高焊接溫度的擔(dān)心已被實(shí)踐證明是多余的。通過(guò)優(yōu)化工藝條件，特別是提高溫度控制精度，在240℃左右進(jìn)行焊接已經(jīng)成為可能。圖8.10顯示了無(wú)鉛焊料的典型回流曲線。與錫鉛焊料的回流曲線相比，其保溫溫度和保溫時(shí)間均有所增加?；亓鲄^(qū)的參數(shù)設(shè)定一共有兩種方案，即提高峰值溫度和延長(zhǎng)回流時(shí)間。圖8.11是錫鉛共晶焊料與Sn-

Ag-Cu無(wú)鉛焊料的回流曲線的比較圖。顯然，對(duì)Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊料，其回流工藝窗口只有15℃左右。圖8.10無(wú)鉛焊料的典型回流曲線（a）修正方向;（b）兩種回流曲線圖8.11Sn-Pb共晶焊料與Sn-Ag-Cu焊料回流曲線對(duì)比（a）錫鉛焊料回流曲線；（b）無(wú)鉛焊料回流曲線由于工藝窗口變窄、加熱的控制難度增加，無(wú)鉛焊接工藝就需要從焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)、加熱方式、回流曲線設(shè)定乃至元器件的選擇與布置等多方面進(jìn)行綜合考慮，以控制組件的升溫帶寬。以往的回流焊機(jī)中，一般設(shè)置了4～5個(gè)加熱溫區(qū)。作為無(wú)鉛焊接的回流焊設(shè)備，可以設(shè)置7～10個(gè)溫區(qū)來(lái)減少組件焊區(qū)的溫度差異，增加溫度設(shè)置與調(diào)控的靈活性與精確性。一般來(lái)說(shuō)，連續(xù)式回流設(shè)備的溫區(qū)過(guò)少或回流曲線設(shè)置不當(dāng)，同一塊組件上的溫度分布常會(huì)有高達(dá)50℃左右的溫差。即使增加溫區(qū)設(shè)置，這種溫差也是明顯的。因此，目前又出現(xiàn)了間歇式回流焊機(jī)，組件通過(guò)每個(gè)溫區(qū)時(shí)均停留一定時(shí)間，以此達(dá)到勻熱目的，同一塊組件上的溫差可以控制在10℃左右。此外，通過(guò)優(yōu)化零部件布置設(shè)計(jì)如使板上元器件具有相對(duì)一致的熱容量和升溫速率，增加熱風(fēng)對(duì)流比例均可提高焊區(qū)升溫的均勻性。8.3.6回流曲線的測(cè)試

目前，先進(jìn)的回流焊機(jī)都配備有溫度測(cè)試儀，對(duì)回流曲線的設(shè)置工作可以根據(jù)被焊組件的具體情況通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)

確定。

測(cè)試用的組件要有與被焊組件盡量一致的熱質(zhì)量(ThermalMass）、代表性的元器件（如細(xì)引腳間距元器件、片式元器件、BGA等）和組裝密度（如有可能最好選擇實(shí)裝板測(cè)量）。由于回流曲線不但與被焊組件有關(guān)，還與焊錫膏的特性有關(guān)，因此測(cè)試之前還要考慮廠商所提供的錫膏特性說(shuō)明。測(cè)試時(shí)，至少需要四個(gè)熱電偶（應(yīng)選用0.2mm細(xì)的熱電偶）。熱電偶通過(guò)耐高溫的導(dǎo)熱膠、高溫焊錫等粘接或焊接在測(cè)試點(diǎn)上。測(cè)試點(diǎn)的選擇要考慮熱容量大的元器件、有陰影遮擋的焊區(qū)和吸熱量較小的焊接部位的升溫情況，并以此評(píng)價(jià)組件的升溫情況和帶寬。測(cè)試點(diǎn)一般選在大型元器件的引腳（邊緣），如果有BGA等，還要在BGA的底部中心焊區(qū)附近進(jìn)行測(cè)量。此外，在元器件較少或沒(méi)有元件的位置也要設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)?？傊?，測(cè)試點(diǎn)除了置于代表性的元器件焊區(qū)之外，還應(yīng)反映組件中心、邊緣的溫度變化情況。測(cè)試時(shí)，一般先設(shè)定傳送帶的運(yùn)行速度（如根據(jù)生產(chǎn)效率的要求），然后將整個(gè)測(cè)試板和測(cè)試儀一起放入回流爐中運(yùn)行，測(cè)試儀會(huì)自動(dòng)記錄組件的升溫情況。然后將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)分析，根據(jù)測(cè)量的實(shí)際升溫曲線和帶寬的變化情況再對(duì)傳送帶速度和爐溫進(jìn)行必要的調(diào)整，以使測(cè)試焊區(qū)的升溫曲線與帶寬達(dá)到理想的要求。測(cè)試過(guò)程往往需要2～4次。對(duì)于熱風(fēng)對(duì)流回流焊設(shè)備，良好的回流曲線應(yīng)能將測(cè)試焊區(qū)的升溫帶寬控制在3～5℃之內(nèi)。圖8.12顯示了某溫度測(cè)試儀與測(cè)量板的連線情況，圖8.13顯示了某組件四個(gè)焊區(qū)的溫度測(cè)量曲線，回流時(shí)的帶寬在5℃內(nèi)。圖8.12某溫度測(cè)試儀與測(cè)量板的連線情況圖8.13某組件四個(gè)焊區(qū)的升溫曲一旦取得了回流曲線，就要用實(shí)裝的被焊組件進(jìn)行回流焊接，然后觀察和檢驗(yàn)焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量（包括焊點(diǎn)外觀、尺寸，是否出現(xiàn)焊球、飛濺情況以及各焊點(diǎn)質(zhì)量是否一致等）。一般來(lái)說(shuō)，隨機(jī)性的問(wèn)題常與焊接中的潤(rùn)濕情況有關(guān)，而共性問(wèn)題常與回流曲線的設(shè)置不當(dāng)相關(guān)聯(lián)（也可能與焊錫膏質(zhì)量、組裝設(shè)計(jì)等有關(guān)），這就要求做具體分析和必要的試驗(yàn)、調(diào)整。當(dāng)所設(shè)置的回流曲線能夠得到理想的焊接結(jié)果時(shí)，就記錄這一設(shè)定，并以此為準(zhǔn)控制今后組件的實(shí)際焊接過(guò)程。8.4氣相回流焊

氣相回流焊也稱(chēng)氣相焊（VaporPhaseSoldering，VPS）、冷凝焊（CondensationSoldering），是一種利用飽和蒸氣遇冷轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)所釋放出的汽化潛熱進(jìn)行加熱的釬焊技術(shù)，其加熱原理是有相變的熱對(duì)流。VPS焊接中，液態(tài)傳熱介質(zhì)首先被加熱至沸騰，產(chǎn)生出大量的飽和蒸氣；當(dāng)蒸氣遇到送入的被焊組件時(shí)，會(huì)在溫度較低的組件表面(包括元器件引腳、焊料和PCB焊盤(pán)表面）凝結(jié)成一層液體薄膜并釋放出熱量，焊區(qū)就是依靠這種熱量被加熱升溫，直至實(shí)現(xiàn)焊接。

VPS技術(shù)是由美國(guó)西屋電氣公司于1973年開(kāi)發(fā)的，最初主要用于厚膜集成電路的焊接，在20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始用于SMT組裝中。由于所采用的傳熱介質(zhì)主要是FC-70、FC-5311等氟系惰性有機(jī)溶劑，因其價(jià)格昂貴，對(duì)人體有一定危害且是一種臭氧層損耗物質(zhì)，因而限制了VPS在SMT生成中的推廣使用。但由于這種加熱方式所固有的一些特點(diǎn)，因此一旦有新的傳熱介質(zhì)出現(xiàn)，其應(yīng)用前景仍將是廣闊的。8.4.1加熱原理

液體因加熱沸騰而汽化，從而發(fā)生物態(tài)的變化。液體汽化時(shí)會(huì)吸收熱量，所吸收的熱量稱(chēng)為汽化潛熱，簡(jiǎn)稱(chēng)為汽化熱。當(dāng)飽和的蒸氣遇到溫度較低的物體時(shí)，蒸氣會(huì)凝結(jié)成相同溫度的液體并釋放出汽化潛熱，從而導(dǎo)致物體升溫，這一過(guò)程稱(chēng)為凝結(jié)傳熱，屬相變傳熱的一種形式。相變傳熱是對(duì)流傳熱的一種特殊形式，VPS就是利用相變傳熱進(jìn)行加熱的。相變傳熱中，用以產(chǎn)生蒸氣和傳熱的液體稱(chēng)為傳熱介質(zhì)。目前所使用的傳熱介質(zhì)主要是氟系惰性有機(jī)溶劑，如FC-70、FC-5311等，其沸點(diǎn)是215℃。傳熱過(guò)程與傳熱介質(zhì)的性質(zhì)、液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性有關(guān)。若蒸氣冷凝成的液體能潤(rùn)濕固體表面并形成一層液態(tài)薄膜，則稱(chēng)這種凝結(jié)為膜式凝結(jié)；否則，液體會(huì)形成液滴在物體表面流動(dòng)，稱(chēng)為滴狀凝結(jié)。在VPS中，所使用的傳熱介質(zhì)如FC-70的飽和蒸氣的溫度就是惰性介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度。因此，在通常的大氣壓下，其蒸氣的最高溫度也即焊接時(shí)的峰值溫度都是固定的，這將有利于對(duì)溫度的精確控制。如果要改變峰值溫度就要更換傳熱介質(zhì)。

FC-70幾乎能潤(rùn)濕所有的被焊組件表面，因此VPS通常都是膜式凝結(jié)的傳熱過(guò)程。這種傳熱更加均勻，并且?guī)缀醪皇茉骷蚉CB的幾何形狀的影響，因此升溫過(guò)程也更加均勻一致，焊接組件上的任何一點(diǎn)都不會(huì)超過(guò)液體的沸點(diǎn)溫度。8.4.2焊接過(guò)程

與紅外對(duì)流類(lèi)回流焊相比，氣相回流焊的控制變量較少，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。根據(jù)所使用的設(shè)備類(lèi)型，氣相回流焊一般分為批量式和連續(xù)式兩種類(lèi)型。其中，批量式適于產(chǎn)品試制或小批量組件焊接使用，連續(xù)式常用于大批量生產(chǎn)。圖8.14是一個(gè)批量式氣相回流焊的示意圖。焊接組件放置在吊籃中，然后隨吊籃一起下降到主蒸氣焊區(qū)中進(jìn)行加熱焊接。主蒸氣區(qū)的溫度就是傳熱介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度，采用FC-70時(shí)，這一溫度為215℃。更換不同的介質(zhì)可以改變蒸氣溫度。在主蒸氣區(qū)停留過(guò)設(shè)定的時(shí)間之后，組件從主蒸氣區(qū)被提起并保持30～60s，待表面液體空干之后完成整個(gè)焊接過(guò)程。為了防止FC-70主蒸氣的大量揮發(fā)，主蒸氣焊區(qū)的上方設(shè)置了一排冷凝水管（溫度控制在50℃左右），通過(guò)對(duì)蒸氣的降溫、冷凝防止其逃逸并實(shí)現(xiàn)對(duì)傳熱介質(zhì)的回收。同時(shí)，還在FC-70中添加了沸點(diǎn)溫度僅為47℃的低沸點(diǎn)FC-113，利用它首先汽化在主蒸氣區(qū)上方形成一個(gè)“氣帽”（二次蒸氣區(qū)）進(jìn)一步防止主蒸氣的逃逸。二次蒸氣區(qū)和空氣區(qū)上方同樣分別設(shè)置了兩排冷卻水管，其作用仍然是起到冷卻降溫、防止主蒸氣逃逸的作用。由于已經(jīng)禁止使用氟利昂類(lèi)物質(zhì)，因此有些設(shè)備中已不再使用二次蒸氣區(qū)。圖8.14批量式氣相回流焊示意圖連續(xù)式氣相回流焊如圖8.15所示，組件通過(guò)傳送帶被依次送入主蒸氣區(qū)中進(jìn)行加熱。該設(shè)備沒(méi)有設(shè)置二次蒸氣區(qū)，在出入口處設(shè)置的冷卻水管用于防止蒸氣逃逸并實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凝介

質(zhì)的回收。老式設(shè)備中，主蒸氣區(qū)兩側(cè)的傳送帶略微上傾，而傳送帶采用略微向下傾斜的方式將組件送入主蒸氣區(qū)中，然后再以略微向上傾斜的方式將組件送出設(shè)備。由于這種結(jié)構(gòu)有可能造成元器件的位移，因此新式的設(shè)備均采用圖中所示的水平送板方式進(jìn)行傳送。圖8.15連續(xù)式氣相回流焊由于氣相加熱迅速、元器件升溫速率難以控制，急熱產(chǎn)生的過(guò)大溫差會(huì)導(dǎo)致錫膏中的焊劑沸騰、汽化，從而引起小型元器件位移、錫珠、開(kāi)裂和芯吸等缺陷，因此，氣相回流焊之前一般也要對(duì)焊接組件進(jìn)行預(yù)熱處理。預(yù)熱過(guò)程同樣可采用紅外或熱風(fēng)對(duì)流方式進(jìn)行。有些設(shè)備直接增加了相應(yīng)的預(yù)熱結(jié)構(gòu)，否則可以在獨(dú)立的烘箱中進(jìn)行預(yù)熱。8.4.3氣相回流焊的特點(diǎn)

1.基本特點(diǎn)

與紅外對(duì)流類(lèi)回流焊相比，氣相回流焊具有以下特點(diǎn)：（1）采用氟系惰性有機(jī)溶劑作為傳熱介質(zhì)時(shí)，飽和的蒸氣置換了空氣和水分，形成了惰性氣體環(huán)境，相變傳熱形成的膜式凝結(jié)覆蓋了整個(gè)焊區(qū)表面，因而有利于防止焊接時(shí)的高溫氧化。這一點(diǎn)對(duì)采用了低固免清洗焊劑的焊錫膏更為重要。也正是這一特點(diǎn)，使得VPS工藝在一些重要場(chǎng)合，如航天、軍工產(chǎn)品的裝聯(lián)中還有應(yīng)用。（2）由相變傳熱的加熱機(jī)理可知，氣相回流焊的加熱過(guò)程對(duì)焊接組件的物理結(jié)構(gòu)和幾何特征不敏感，這有利于提高復(fù)雜組件的升溫均勻性。同時(shí)，組件表面不會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。因此，VPS對(duì)包含有不同耐熱特性、形態(tài)復(fù)雜或大型元器件如PLCC、BGA、柔性電路、接插件等組件的焊接過(guò)程比較有利。（3）蒸氣溫度由介質(zhì)的沸點(diǎn)決定，因此焊接的峰值溫度始終保持恒定而無(wú)需復(fù)雜的溫控措施。采用不同的傳熱介質(zhì)就可以調(diào)整焊接溫度，滿足不同熔點(diǎn)焊料的焊接需要。這也表明，VPS加熱不能根據(jù)被焊組件的具體特性進(jìn)行調(diào)控。此外，相變傳熱的熱轉(zhuǎn)換效率高，組件的升溫速度快。

2.主要問(wèn)題

應(yīng)當(dāng)看到，VPS也有一些不足之處。這主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）氟系惰性有機(jī)溶劑價(jià)格昂貴并有一定危害。

（2）由于飽和蒸氣溫度較高，如果不采取恰當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施，急熱可能損壞對(duì)熱敏感的元器件，焊劑沸騰時(shí)可能產(chǎn)生焊球、汽化力還可能將小型元器件浮起造成位移或產(chǎn)生“立碑”現(xiàn)象。此外，組件各部分的升溫速率也無(wú)法進(jìn)行有效的控制。（3）相變傳熱對(duì)不同的物體表面位置有不同的傳熱速率，可能引起元器件引腳（特別是J形和翼形引腳）的“芯吸”現(xiàn)象，造成焊料上吸到引腳上而引起焊接部位的焊料不足，導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂。關(guān)于這一點(diǎn)可詳細(xì)解釋如下。

“芯吸”現(xiàn)象主要是由焊區(qū)中的引腳與焊盤(pán)的升溫速率不同而引起的。圖8.16顯示了一個(gè)PLCC引腳與焊盤(pán)在批量式VPS中的加熱升溫曲線，加熱前沒(méi)有進(jìn)行預(yù)熱處理。由圖可見(jiàn)，

引腳表面的溫度達(dá)到焊料熔點(diǎn)的時(shí)間比焊盤(pán)的早16秒。這就使得引腳處的焊料提前熔化、潤(rùn)濕并沿引腳向上爬升，使過(guò)多的焊料聚集在J形引腳的上部。當(dāng)焊盤(pán)達(dá)到焊料熔點(diǎn)溫度時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有足夠的焊料形成焊點(diǎn)了。這樣的焊點(diǎn)很容易開(kāi)裂（如圖8.16中照片所示）。但是在紅外對(duì)流類(lèi)回流焊中，只要回流曲線設(shè)置得當(dāng)，引腳與焊盤(pán)的升溫幾乎是同時(shí)的，因此不易發(fā)生“芯吸”現(xiàn)象。圖8.16PLCC引腳與焊盤(pán)的升溫曲線比較產(chǎn)生溫度滯后的原因在于相變傳熱中的傳熱系數(shù)h是一個(gè)與物體表面位置有關(guān)的量。相變傳熱中，垂直表面的傳熱系數(shù)要大于對(duì)水平表面的傳熱。在一般的組件焊接中，引腳都處于垂直位置，而焊盤(pán)則處于水平位置。因此，引腳的溫升速率要大于焊盤(pán)的速率，導(dǎo)致兩者的升溫出現(xiàn)了時(shí)間的差別。試驗(yàn)表明，如果將組件整體垂直放入VPS中加熱，引腳與焊盤(pán)達(dá)到焊料熔點(diǎn)的時(shí)間差將小于3秒，但這種方式的焊接極易引起元器件位移甚至掉落，因此實(shí)用性不高。為了消除“芯吸”現(xiàn)象，一般要求對(duì)焊接組件進(jìn)行預(yù)熱。然而，預(yù)熱只能減小引腳與焊盤(pán)達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)間差，但不能從根本上加以消除。同樣的試驗(yàn)表明，通過(guò)預(yù)熱能夠?qū)⑦@一時(shí)間差控制在10s左右。因此，有人又提出用純錫顆粒和10％錫與90％鉛混合顆粒這兩種不同合金成分按一定比例組成的焊料進(jìn)行焊接，通過(guò)高熔點(diǎn)顆粒的延遲熔化等待焊盤(pán)的升溫，補(bǔ)償引腳與焊盤(pán)的溫度差。有試驗(yàn)表明，采用這種途徑能夠?qū)⒑更c(diǎn)開(kāi)裂由原來(lái)的250～2000/百萬(wàn)點(diǎn)下降到0～130/百萬(wàn)點(diǎn)。

正是由于VPS具有以上一些不足，并且隨著紅外對(duì)流類(lèi)回流焊技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，使得VPS逐漸失去了其應(yīng)有的地位。但是如果能夠解決這些問(wèn)題，VPS仍將具有廣闊的應(yīng)用前景.

8.5局部回流焊

8.5.1激光回流焊

與上述兩種回流技術(shù)相比，激光回流焊（LaserReflowSoldering）是一種局部加熱的釬接技術(shù)。它以精確聚焦的激光束光斑照射焊區(qū)，焊區(qū)在吸收了激光能量后迅速升溫至焊料熔化，然后停止照射使焊區(qū)冷卻、焊料凝固形成焊點(diǎn)，其原理如圖8.17所示。圖8.17激光回流焊原理由于只對(duì)焊區(qū)進(jìn)行局部加熱，整個(gè)組件的其它部位幾乎不受熱的影響，焊接時(shí)激光的照射時(shí)間通常只有數(shù)百毫秒，因此激光回流焊特別適合于對(duì)溫度比較敏感的元器件進(jìn)行焊接。但是激光回流焊技術(shù)并非電子裝聯(lián)的主要焊接技術(shù)，它不適合對(duì)BGA、PLCC等引腳遮擋的元器件進(jìn)行焊接，而且由于它是對(duì)每個(gè)引腳焊區(qū)逐一焊接，其生產(chǎn)效率也比整體回流焊技術(shù)低。目前激光回流焊主要應(yīng)用在一些重要場(chǎng)合(如航空航天和軍工產(chǎn)品)的裝聯(lián)中。焊接時(shí)，PCB及其所搭載的元器件一起由xy工作臺(tái)控制運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)精確定位，設(shè)備一般都設(shè)置了光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)引腳位置的辨識(shí)進(jìn)行精確定位。在掃描振鏡的控制下，聚焦于焊區(qū)的激光束光斑還可以作小范圍的高速xy平面掃描運(yùn)動(dòng)，以使光斑對(duì)引腳焊區(qū)的加熱更加均勻。影響焊接質(zhì)量的主要因素是激光器的輸出功率、光斑尺寸、照射時(shí)間以及元器件引腳的共面性、焊料涂布的均勻性等。目前所采用的激光器有CO2和YAG-Nd激光器兩種。將一個(gè)1mm×2