【干货】史上最全SMT电子厂回流焊9种类型焊接工艺解析!你值得拥有！

                                                                                                   





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6.通孔回流焊通孔回流焊有时也称作分类元件回流焊，正在逐渐兴起。它可以去除波峰焊环节，而成为PCB混装技术中的一个工艺环节。一个最大的好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺的优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械联接强度。对于较大尺寸的PCB板的平整度不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触，同时，就算引脚和焊盘都能接触上，它所提供的机械强度也往往是不够大的，很容易在产品的使用中脱开而成为故障点。
尽管通孔回流焊可发取得偿还好处，但是在实际应用中仍有几个缺点，锡膏量大，这样会增加因助焊剂的挥了冷却而产生对机器污染的程度，需要一个有效的助焊剂残留清除装置。另外一点是许多连接器并 没有设计成可以承受回流焊的温度，早期基于直接红外加热的炉子已不能适用，这种炉子缺少有效的热传递效率来处理一般表面贴装元件与具有复杂几何外观的通孔连接器同在一块PCB上的能力。只有大容量的具有高的热传递的强制对流炉子，才有可能实现通孔回流，并且也得到实践证明，剩下的问题就是如何保证通孔中的锡膏与元件脚有一个适当的回流焊温度曲线。随着工艺与元件的改进，通孔回流焊也会越来越多被应用。 在传统的电子组装工艺中，对于安装有过孔插装元件(THD)印制板组件的焊接一般采用波峰焊接技术。但波峰焊接有许多不足之处：不适合高密度、细间距元件焊接；桥接、漏焊较多；需喷涂助焊剂；印制板受到较大热冲击翘曲变形。因此波峰焊接在许多方面不能适应电子组装技术的发展。　　为了适应表面组装技术的发展，解决以上焊接难点的措施是采用通孔回流焊接技术(THR，Through-hole Reflow)，又称为穿孔回流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。该技术原理是在印制板完成贴片后，使用一种安装有许多针管的特殊模板，调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐，使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上，然后安装插装元件，最后插装元件与贴片元件同时通过回流焊完成焊接。

　　从中可以看出穿孔回流焊相对于传统工艺的优越性：首先是减少了工序，省去了波峰焊这道工序，节省了费用，同时也减少了所需的工作人员，在效率上也得到了提高；其次回流焊相对于波峰焊，产生桥接的可能性要小的多，这样就提高了一次通过率。穿孔回流焊相对传统工艺在经济性、先进性上都有很大优势。　　通孔回流焊接技术起源于日本SONY公司，20世纪90年代初已开始应用，但它主要应用于SONY自己的产品上，如电视调谐器及CD Walkman。我国在20世纪90年代中期从日本引进这种技术，当时国内无锡无线电六厂、上海金陵无线电厂、成都8800厂、重庆测试仪器厂、深圳东莞调谐器厂等几个调谐器生产厂应用了此技术，获得了很好的收益，目前在CD、DVD激光机芯伺服板及DVD-ROM伺服板、笔记本电脑主板等领域都有了广泛的应用。(1)可靠性高，焊接质量好，不良比率DPPM可低于20.(2)虚焊、桥接等焊接缺陷少，修板的工作量减少。(3)PCB面干净，外观明显比波峰焊好。(4)简化了工序。由于省去了点（或印刷）贴片胶工序、波峰焊工序、清洗工序，使操作和管理都简单化。因同一产品中使用的材料和设备越少越容易管理。而且再流焊炉的操作比波峰焊机的操作简便得多，无锡渣的问题，劳动强度低。(5)降低成本，增加效益。采用此工艺后，免去了波峰焊设备和清洗设备、波峰焊和清洗厂房、波峰焊和清洗工作人员，以及大量的波峰焊材料和清洗剂材料。虽然免清洗焊膏的价格略高于非免清洗焊膏的价格，但总体来看可大大降低成本，增加效益。
通孔回流焊接生产工艺流程 :生产工艺流程与SMT流程极其相似，即印刷焊膏一插入元件一回流焊接，无论对于单面混装板还是双面混装板，流程相同。
锡膏印刷工艺 :
焊膏的选择 , 通孔回流所用的焊膏黏度较低，流动性好，便于流入通孔内。一般在SMT工艺以后进行通孔回流，若SMT采用的焊膏合金成分为63Sn37Pb，那么为了保证通孔回流时SMT元件不会再次熔化而掉落，焊膏中焊锡合金的成分可采用熔点稍低的46Sn46Pb8Bi(178℃)，焊料颗粒尺寸25μm以下＜10％，25～50μm＞89％，50μm以上＜1％。
由于电子产品越来越重视小型化、多功能，使电路板上的元件密度越来越高，许多单面和双面板都以表面贴装元器件为主。但是，由于连接强度、可靠性和适用性等因素，某些通孔元件仍无法片式化，特别是周边连接器。在传统SMT混装工艺中，通孔插装元件大多采用波峰焊、选择性波峰焊、焊锡机器人、手工焊，这些传统方法，尤其是波峰焊和手工焊接质量远不如再流焊的质量；目前很多电子产品通孔元件的比例只占元件总数的10%-5%甚至更少，采用波峰焊、选择性波峰焊、自动焊锡机器人、手工焊及压接等方法的组装费用远远超过该比例，单个焊点的费用很高。因此，通孔元件再流焊技术日渐流行，通孔插装元件采用再流焊替代波峰焊（即纯再流焊工艺）已成为当前SMT工艺技术发展动态之一。7.无铅回流焊出于对环保的考虑，铅在21世纪将会被严格限用。虽然电子工业中用铅较极小，不到全部用量1％，但也属于禁用之列，在未来的几年中将会被逐步淘汰。现在正在开发可靠而又经济的无铅焊料。目前开发出多种替代品一般都具有比锡铅合金高40C左右的熔点温度，这就意味着回流焊必须在更高的温度下进行。氮气保护可以部分消附除因温度提高而增加的氧化和对PCB本身的损伤。不过工业界大概必须经这一个痛苦的学习期来解决所遇到的问题，工尽快应用该制程，时间已经所省不多，现在所使用的许多炉子被设计成高不超出3000C的作业温度，对于无铅焊料或非共溶点焊锡（用于BGA，双面板等）来讲，则需要更高的炉子温度，这些新的制程通常要求回流区中的温度达到3500C～4000C，炉子的设计必须更改以满足这样的要求，机器中的热敏感部件必须被修改，或者要采取措施防止热量向这些部件传递。 8.连续柔性板回流焊特殊的炉子已经被开发出来处理贴装有SMT元件的连续柔性板。与普通回流炉最大不同点是这种炉子需要特制的轨道来传递柔性板。当然，这种炉子也需要能处理连续板的问题。对于分离的PCB板来讲，炉中的流量与前几段工位的状况无依赖关系，但是对于成卷连续的柔性板，柔性板在整条线上是连续的，线上任何一个特殊问题，停顿就意味着全线必须停顿，这样就产生一个特殊问题，停顿在炉子中的部分会因过热而损坏，因此，这样的炉子必须具备应变随机停顿的能力，继续处理完该段柔性板，并在全线恢复连续运转时回到正常工作状态。 9.垂直真空回流焊市场对于缩小体积的需求，使CSP（如FLIP CHIP）得到较多应用，这样元件贴装后具有更小的占地面积和更高的信号传递速率。填充或灌胶被用来加强焊点结构使其能抵受住由于硅片与PCB材料的热膨胀系数不一致而产生的应力，一般常会采用上滴或围填法来把晶片用胶封起来。许多这样的封装胶都需要很长的固化时间，对于在线生产的炉子来讲是不现实的，通常会使用成批处理的烘炉，但是垂直烘炉已经被证明可以成功地进行固化过程，并且其温度曲线比普通回流炉更为简单，垂直烘炉使用一个PCB传输系统来扮演缓冲区/堆积区的作用，这样就延长了PCB板在一个小占地面积的烘炉中驻留的时间。  






　　市场对产品小型化的要求使倒焊片与DCA（倒装芯片技术）的应用越发的广泛。倒焊片技术是将芯片倒装后用焊球将其与基板直接焊接，这样可以提高信号传输速度及减少尺寸。


另一种是底部填充工艺，这是将填充材料灌注入芯片与基板之间的空隙中，这是因为芯片与基板材料之间膨胀系数不一致，而填充材料则能保护焊点不受这种应力的影响。还有是球状封顶以及围坝填充技术，这两种技术是用覆盖材料将已焊接的裸芯片加以封装的工艺。
底部填充包封材料起初应用于提高早期氧化铝(Al2O3)基材的倒装芯片的可靠性。在芯片最外围的焊点易疲劳而导致芯片功能失效。相对较小的硅片和基材间的热膨胀差异是芯片在经受热循环时产生这种问题的根源。这样，热循环的温度范围及循环的次数就决定了芯片的使用寿命。在芯片和基板间填充可固化的包封材料，可以很好地把热膨胀差异带来的集中于焊点周围的应力分散到整个芯片所覆盖的范围。
几乎所有这几种封装材料都需要很长的固化时间，所以用在线式连续生产的固化炉是不实际的，平时大家经常使用“批次烘炉”，但垂直烘炉的技术也趋于完善，尤其在加热曲线比回流炉简单时，垂直烘炉完全能够胜任。垂直烘炉使用一个垂直升降的传送系统作为“缓冲与累加器”，每一块PCB都必须通过这一道工序循环。这样的结果就是得到了足够长的固化时间，而同时减少了占地面积。

以上我们介绍了围绕着设备改进、回流焊装备的发展沿革。实事上回流焊工艺的发展收到以下两方面的推动：
1． 电子产品向短、小、轻、薄化发展。组装高密度化，SMC/SMD微细间距化，SMC/SMD品种规格系列化，特别是异型元件与机电元件日益增多，这诸多的新发展迫使作为SMT中的重要工艺回流焊工艺亦面临着挑战，需要不断地发展和完善以提高焊接质量和成品率。 2． 人类文明发展到今天，控制三废（废气、废料、废水）保护环境已成为共识。传统的锡膏中含有助焊剂，其焊接后的残留物需要用氟里昂（CFC）及丙酮等溶剂来清洗，而这些溶剂都会对环境造成污染，为了避免污染相应出现了水清洗工艺和免清洗工艺还有新型焊锡膏。
1-2.继续深入解析个区段的设置与意义：

一．升温区A

PCB进入回流焊链条或网带，从室温开始受热到150℃的区域叫做升温区。升温区的时间设置在60-90秒，斜率控制在2-4之间。

此区域内PCB板上的元器件温度相对较快的线性上升，锡膏中的低沸点溶剂开始部分挥发。若斜率太大，升温速率过快，锡膏势必由于低沸点溶剂的快速挥发或者水气迅速沸腾而发生飞溅，从而在炉后发生“锡珠”缺陷。过大的斜率也会由于热应力的原因造成例如陶瓷电容微裂、PCB板变形曲翘、BGA内部损坏等机械损伤。

升温过快的另一个不良后果就是锡膏无法承受较大的热冲击而发生坍塌，这是造成“短路”的原因之一。长期对制造厂的服务跟踪，很多厂商的SMT线该区域的斜率实际控制在1.5-2.5之间能得到满意的效果。由于各个板载贴装的元器件尺寸、质量不一，在升温区结束时，大小元器件之间的温度差异相对较大。

二．预热恒温区B

此区域在很多文献和供应商资料中也称为保温区、活化区。

该区域PCB表面温度由150℃平缓上升至200℃，时间窗口在60-120秒之间。PCB板上各个部分缓缓受到热风加热，温度随时间缓慢上升。斜率在0.3-0.8之间。

此时锡膏中的有机溶剂继续挥发。活性物质被温度激活开始发挥作用，清除焊盘表面、零件脚和锡粉合金粉末中的氧化物。恒温区被设计成平缓升温的目的是为了兼顾PCB上贴装的大小不一的元器件能均匀升温。让不同尺寸和材料的元器件之间的温度差逐渐减小，在锡膏熔融之前达到最小的温差，为在下一个温度分区内熔融焊接做好准备。这是防止“墓碑”缺陷的重要方法。众多无铅锡膏厂商的SAC305合金锡膏配方里活性剂的活化温度大都在150-200℃之间，这也是本温度曲线在这个温度区间内预热的原因之一。

需要注意的是：1、预热时间过短。活性剂③与氧化物反应时间不够，被焊物表面的氧化物未能有效清除。锡膏中的水气未能完全缓慢蒸发、低沸点溶剂挥发量不足，这将导致焊接时溶剂猛烈沸腾而发生飞溅产生“锡珠”。润湿不足，可能会产生浸润不足的“少锡”“虚焊”、“空焊”、“漏铜”的不良。2、预热时间过长。活性剂消耗过度，在下一个温度区域焊接区熔融时没有足够的活性剂即时清除与隔离高温产生的氧化物和助焊剂高温碳化的残留物。这种情况在炉后的也会表现出“虚焊”、“残留物发黑”、“焊点灰暗”等不良现象。

三．回流焊接区C

回流区又叫焊接区或Refelow区。

SAC305合金的熔点在217℃-218℃之间④，所以本区域为＞217℃的时间，峰值温度＜245℃，时间30-70秒。形成优质焊点的温度一般在焊料熔点之上15-30℃左右，所以回流区最低峰值温度应该设置在230℃以上。考虑到Sn96.5Ag3.0Cu0.5无铅锡膏的熔点已经在217℃以上，为照顾到PCB和元器件不受高温损坏，峰值温度最高应控制在250℃以下，笔者所见大部分工厂实际峰值温度最高在245℃以下。

预热区结束后，PCB板上温度以相对较快的速率上升到锡粉合金液相线，此时焊料开始熔融，继续线性升温到峰值温度后保持一段时间后开始下降到固相线。

此时锡膏中的各种组分全面发挥作用：松香或树脂软化并在焊料周围形成一层保护膜与氧气隔绝。表面活性剂被激活用于降低焊料和被焊面之间的表面张力，增强液态焊料的润湿力。活性剂继续与氧化物反应，不断清除高温产生的氧化物与被碳化物并提供部分流动性，直到反应完全结束。部分添加剂在高温下分解并挥发不留下残留物。高沸点溶剂随着时间不断挥发，并在回焊结束时完全挥发。稳定剂均匀分布于金属中和焊点表面保护焊点不受氧化。焊料粉末从固态转换为液态，并随着焊剂润湿扩展。少量不同的金属发生化学反应生产金属间化合物，如典型的锡银铜合金会有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。

回焊区是温度曲线中最核心的区段。峰值温度过低、时间过短，液态焊料没有足够的时间流动润湿，造成“冷焊”、“虚焊”、“浸润不良（漏铜）”、“焊点不光亮”和“残留物多”等缺陷；峰值温度过高或时间过长，造成“PCB板变形”、“元器件热损坏”、“残留物发黑”等等缺陷。它需要在峰值温度、PCB板和元器件能承受的温度上限与时间、形成最佳焊接效果的熔融时间之间寻求平衡，以期获得理想的焊点。

四．冷却区D

焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区。通常SAC305合金锡膏的冷却区一般认为是217℃-170℃之间的时间段（也有的文献提出最低到150℃）。
由于液态焊料降温到液相线以下后就形成固态焊点，形成焊点后的质量短期内肉眼无法判断，所以很多工厂往往不是很重视冷却区的设定。然而焊点的冷却速率关乎焊点的长期可靠性，不能不认真对待。
冷却区的管控要点主要是冷却速率。经过很多焊锡实验室研究得出的结论：快速降温有利于得到稳定可靠的焊点。

通常人们的直觉认为应该缓慢降温，以抵消各元器件和焊点的热冲击。然而，回流焊锡膏钎焊慢速冷却会形成更多粗大的晶粒，在焊点界面层和内部生较大Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物颗粒。降低焊点机械强度和热循环寿命，并且有可能造成焊点灰暗光泽度低甚至无光泽。

快速的冷却能形成平滑均匀而薄的金属间化物，形成细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小晶粒，使焊点力学性能和可靠性得到明显的提升与改善。

生产应用中，并不是冷却速率越大越好。要结合回流焊设备的冷却能力、板子、元器件和焊点能承受的热冲击来考量。应该在保证焊点质量时不损害板子和元器件之间寻求平衡。最小冷却速率应该在2.5℃以上，最佳冷却速率在3℃以上。考虑到元器件和PCB能承受的热冲击，最大冷却速率应该控制在6-10℃。工厂在选择设备时，最好选择带水冷功能的回流焊而获得较强的冷却能力储备。




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