文章类型：SMT
转载自公众号:电子制造得其道
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形而下者谓之器，形而上者谓之道，当搞定测温板这个“器”后，就该研究温度曲线这个“道”了。温度曲线（Profile）其实在电子制造的很多地方都涉及到，如再流焊、波峰焊、热压焊、胶水固化等等，本文以最关键、最典型的再流焊工艺作为温度曲线的分析对象，大家可举一反三、一通百通。
回流焊（Reflow Soldering）也叫再流焊，是指通过重新熔化预先放置的焊料而形成焊点，在焊接过程中不再添加任何额外焊料的一种焊接方法。早期预置的是片状和圈状焊料，随着片式元器件的出现，膏状焊料应运而生，并取代了其他形式的焊料，再流焊技术成为SMT的主流工艺。
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温度曲线定义
再流焊的本质就是“热加工”，其工艺的核心就是温度曲线设计。温度曲线是指工艺人员根据所需要焊接的代表性封装（元件）及焊膏特性制定的“温度-时间”变化曲线。通过链条传送PCB速度和不同温区的温度设置来实现。
把设置温度放置在温度曲线力中并连接就形成一条折线，称为炉温折线。需要注意的是：温度曲线是回流过程中封装或PCB板上的实际温度变化，而炉温折线是回流炉各温区的温度设置，前者是目的，后者是手段。“温区-炉温折线-温度曲线”的相互关系如下图所示：
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工艺窗口与工艺窗口指数
工艺窗口（Process Window），通常用来描述工艺参数调整极限范围或用户规格范围（USL-LSL），最大允许值与最小允许值之间的区域。
工艺窗口指数（Process Window Index, PWI），是衡量用户确定的工艺极限范围内工艺能力适应程度的指标，换句话说，就是使用工艺窗口的最大百分比，用于简单说明工艺是否满足技术规范的要求，其值基本上是Cp倒数的百分比。PWI越大，工艺稳定性越差，反之亦然。
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温度曲线解析
温度曲线，根据功能一般可划分为四个区：升温区、保温区、再流焊区和冷却区，其中再流焊区为核心区。
温度曲线，一般以预热温度、保温时间、焊接峰值温度和焊接时间来描述，关键参数如下：
· 预热开始温度Tsmin；
· 预热结束温度Tsmax；
· 焊接最低峰值温度Tpmin；
· 焊接最高峰值温度Tpmax；
· 保温时间ts；
· 焊接时间tL；
· 焊接驻留时间Tp；
· 升温速率v1&v2；
· 冷却速率v3。
关键参数的设置原则
01
预热
预热的作用主要有三个：蒸发焊剂中的挥发性成分；减少焊接时PCBA各部位的温度差；助焊剂活化。
预热开始温度（Tsmin），一般没有特别的要求，通常比预热结束温度（Tsmax）低50℃左右；
预热结束温度（Tsmax）为焊膏熔点以下20~30℃，通常200℃左右。
保温时间（ts），一般在2~3min。确保PCBA在进入再流焊阶段前达到热平衡。从经验看，只要不超过5min，一般不会出现焊剂提前失效问题。
02
焊接峰值温度
焊接峰值温度，由于PCB上每种元件封装的结构与尺寸不同，而且分布密度也不均匀，所以测试温度曲线不是一根曲线，而是一组曲线。
温度曲线的设计原则是所有元器件的焊接峰值温度，既不能高于元件的最高耐热温度也不能低于焊接的最低温度要求。通常比焊膏熔点高11~12℃并小于260℃（无铅元器件），在此前提下我们希望焊接的温度越低越好。
较高的温度出现在热容量比较小的元件上（如0402等），较低的温度出现在热容量较大的元件上（如BGA等）。
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焊接时间
焊接时间主要取决于PCB的热特性和元器件的封装，只要能够使所有焊点达到焊接温度以及BGA焊锡球与熔融焊膏熔合均匀并达到热平衡即可。
焊接的时间，对于一个普通的焊点而言3~5s足够；对于一块PCBA来说，需综合考虑所有的焊点；同时，还必须考虑减少PCBA不同部位的温度差以减少热冲击或热变形。因此，PCBA的焊接与单点的焊接有本质的差别，焊接时间会大大延长。
不同温度、时间下的BGA焊点的微观结构
随着温度的升高，无铅焊球中Ag3Sn、Cu6Sn5相会进一步细化，金属间化合物(IMC)会变得持续生长。如果温度过高，也会使BGA焊球塌落过度，影响可靠性。特别是那些带有金属散热壳的BGA。
不同温度、时间下形成的BGA焊点的形态取决于焊料与焊球的混合程度以及混合合金的表面张力，如果混合不均、表面张力不够，就不会形成鼓形的焊点，甚至带有硬过渡的外形。
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升温速率（v1）
升温速率(v1)，主要影响焊膏溶剂的挥发，过高，容易引起焊锡膏飞溅，从而形成锡球。因此一般要求控制在1~2℃/s。
升温速率(v2)，是一个关键参数，对一些特定焊接缺陷有直接的影响，过高容易引发锡珠、立碑、偏斜和芯吸。一般要求尽可能的低，最好不要超过2℃/s。
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冷却速度
IPC/JEDEC-020C标准对业界能接受的冷却速率做了规定，该标准将3-6℃作为冷却速率的范围。但这样的规定实际上存在很大的风险，特别是焊接BGA器件时，如果冷却速率达到4.5℃/s以上时，很可能导致焊点断裂！
一般而言，较厚的塑封BGA需要慢速冷却，甚至需要热风慢冷，因为它是一个典型的双层结构且容易吸潮。实际案例表明，如果冷却速率小于等于2℃/s，就容易发生收缩断裂了。
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特定封装的特别要求
BGA器件，焊接最低峰值温度必须达到二次塌落所需要温度（熔点+11~12℃）；必须有足够的焊接时间，以便BGA封装体达到基本的热平衡，避免BGA在严重变形状态下焊接。下衅焊接时间比较长，这主要因为现在使用的BGA越来越大，必须有足够的时间保证BGA焊点在封装接近热平衡条件下凝固。
0201等微型片式元件，主要的焊接问题是立碑和葡萄球现象。
一个减少立碑现象的措施就是减小熔点以下10℃到熔点之间的升温速率，如无铅焊接工艺条件下，需要适当降低再流焊接温度曲线上200~220℃区间的升温速率。
葡萄球现象是无铅、微焊盘焊接带来的新问题。一般而言，焊盘尺寸小，相应印刷的焊膏也少。焊膏少，其含有的焊剂总量也随之减少，去除氧化物的能力不足，很容易发生葡萄球现象。因此，在温度曲线设置时需还要适当减少预热的总时间，避免焊膏表面焊粉的过度氧化。
密间距器件，如0.4mmQFP容易桥连，要尽量减少热坍塌现象的发生，这就需要减少高温预热阶段的停留时间。
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温度曲线的设计和优化
温度曲线的设计和优化,请参考往期文章怎样制作一个漂亮的测温板?
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温度曲线评价
如果需要对一个测试曲线进行较为客观、准确的评价，需要多方面考虑。
与炉子的设置温度联系起来进行评价。因为设置温度与焊接峰值的温度差决定元件和PCB的变形和焊接应力，这通常比升温速率或冷却速率更好判断。
· 与元件封装联系起来进行评价，特别是BGA的封装结构联系起来评价。因为不同封装的BGA，其热容量大小相差很大，热变形过程也不同。
与工艺联系起来看，比如采用的是有铅工艺还是无铅工艺，是Im-Sn还是HASL，不同的工艺条件，对温度曲线的要求是不同的。
一般而言一个比较好的温度曲线，应该具备：
PCBA上最大热容量处与最小热容量处在预热结束时温度汇交，也就是整板温度达到热平衡；
· 整板上最高峰值温度满足元件耐热要求，最低峰值温度符号焊点形成要求；
BGA封装上的最高温度与最低温度之间不得有大于5℃的温差存在，一般不允许超过7℃；
通过建立温度曲线，首先按照PCBA的热特性对其进行工艺性分类，以便对每类产品确定合适的温度曲线；
基于我们关心的问题- 焊点的形成温度、封装的最高温度以及温度均匀性，应该选择有代表性的封装作为我们的分类条件，能够反映PCBA上最高温度、最低温度以及BGA焊接质量的点作为测试点。
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结尾
理论作指引，实践出真知。本文虽然解析了再流焊温度曲线及其工艺窗口的原理和评价原则。但对于具体产品温度曲线的调节，每个温区的温度该增加或减少几度，链速该增加或减少多少只有通过实操才能掌握，学习理论指引的方法论，同时多实践、多体会、多思考，你就可以成为调节温度曲线的行家里手。
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