回流焊原理及工艺流程

回流焊工艺原理及全流程深度剖析

在现代电子制造业中，回流焊工艺扮演着不可或缺的重要角色，它是实现微小电气元件与印刷电路板（PCB）稳定连接的关键技术。这一工艺的核心流程是：先将焊膏 —— 一种由粉状焊料和助焊剂混合而成的粘性物质，涂覆在 PCB 的接触垫上，以此临时固定一个甚至数千个微小电气元件，随后将整个组件置于精确控制的加热环境中。在热量的作用下，焊膏会熔融并重新流动，最终冷却形成牢固的永久性焊点。加热的方式多种多样，既可以将组件传送通过回流炉，也能将其置于红外线灯下烘烤，甚至在一些特殊情况下，还可以使用脱焊热风笔对单个焊点进行焊接操作。

一、回流焊的应用场景与工艺优势

采用长型工业对流炉进行回流焊接，是目前将表面贴装技术元件（SMT）焊接到 PCB 上的首选方式。这种回流焊炉的每一段都能根据组件的具体热需求灵活调节温度，从而确保不同类型的元件都能在最适宜的温度环境下完成焊接。值得注意的是，专门用于焊接表面贴装元件的回流焊炉，经过适当处理后也能用于通孔元件的焊接，具体做法是在通孔中填入焊膏，再将元件引线插入焊膏中。不过，在将多引线通孔元件焊接到为表面贴装元件设计的电路板上时，波峰焊仍是更为常用的方法。

当处理同时包含表面贴装元件和电镀通孔（PTH）元件的电路板时，如果能够通过专门修改的锡膏模版实现通孔回流焊，就可以将波峰焊接这一步骤从装配流程中剔除，这在很大程度上有望降低装配成本。然而，与以往常用的铅锡焊膏相比，无铅焊料合金（如 SAC）在应用过程中面临着诸多挑战，例如烘箱温度曲线调整的限制，以及部分通孔元件的特殊要求 —— 这些元件要么需要用焊锡丝进行手工焊接，要么无法承受电路板在回流炉传送过程中所经历的高温。在对流炉中，使用焊膏对通孔元件进行回流焊接的过程，通常被称为侵入式焊接。

二、回流焊的核心原理与关键特性

回流焊工艺的核心目标是使焊膏达到其特定的共晶温度。在这一温度下，特定的焊料合金会发生相变，从固态转变为液态（熔融态）。处于这一温度范围内的熔化合金，会展现出独特的粘附特性。就像水一样，熔融的焊料合金也具有内聚力和附着力。如果助焊剂的量充足，在液态时，熔融焊料合金会呈现出一种名为 “润湿” 的关键特性。

润湿是焊料合金在其共晶温度范围内才会具备的特性，它是形成合格焊点的必要条件。根据国际电子工业联接协会（IPC）的标准，只有符合 “可接受” 或 “目标” 条件的焊点才被视为合格，而 “不合格” 的焊点则被认定为存在缺陷。

回流炉的温度曲线必须与特定电路板组件的特性相匹配，这些特性包括电路板内地平面层的大小和深度、电路板的层数、元件的数量和大小等。一条合理的温度曲线能够确保焊料顺利回流到相邻表面，同时避免因过热而导致电气元件超出其温度承受范围，从而损坏元件。在传统的回流焊工艺中，通常包含四个阶段（也称为 “区域”），每个阶段都有着独特的热曲线，分别是预热区、热浸泡区（通常简称浸泡区）、回流区和冷却区。

三、回流焊各阶段的工艺要求与操作要点

（一）预热区：奠定焊接基础的关键阶段

预热区是回流焊过程的首个阶段，在这一阶段，整个电路板组件会朝着目标浸泡温度逐步升温，且升温过程必须按照特定的温度斜率进行。这一阶段需要综合考虑多个变量，如目标处理时间、锡膏的挥发性以及元件的特性等，其中元件的热敏性是尤为重要的因素。如果温度变化过快，很可能导致元件开裂；但在某些情况下，也可以通过定制温度斜率来缩短加工时间，不过同时要避免因加热过快导致锡膏溶剂飞溅。

预热阶段的主要目标是让整个组件安全、稳定地达到浸泡或预回流温度，同时也是焊膏中挥发性溶剂释放的关键时期。为了确保锡膏溶剂能够顺利排出，并且让组件安全地达到预回流温度，必须以一致、线性的方式对 PCB 进行加热。在回流过程的这一阶段，温度斜率（即温度上升与时间的关系）是一个重要指标，通常以摄氏度 / 秒（°C/s）来衡量。

影响制造商设定目标斜率的变量有很多，包括目标处理时间、锡膏挥发性以及与元件相关的因素等。在大多数情况下，对敏感元件的考量最为关键。正如行业共识所言：“如果温度变化过快，许多元件会开裂。最敏感元件所能承受的最大热变化率就成为最大允许斜率”。然而，如果所使用的元件并非热敏元件，且提高产量是首要目标，那么就可以采用更为激进的温度斜率来缩短加工时间。因此，许多制造商将温度斜率提高到 3.0°C/s 这一常见的最大允许值。相反，如果使用的焊膏含有特别强的溶剂，过快加热组件极易导致工艺失控。随着挥发性溶剂的释放，可能会使焊料从焊盘飞溅到电路板上，造成焊锡球等缺陷。当板子在预热阶段完成升温后，就进入到了浸泡或预回流阶段。

（二）热浸泡区：确保焊接稳定的重要环节

热浸泡区是回流焊的第二阶段，通常持续 60-120 秒。这一阶段的主要目的是进一步去除焊膏中的挥发物，并激活助焊剂，使助焊剂成分在元件引线和焊盘上发生氧化还原反应。在这一阶段，温度的控制至关重要，温度过高会导致焊料飞溅、起球，以及焊膏、连接焊盘和元件终端的氧化；温度过低则可能使助焊剂无法完全激活，影响后续的焊接质量。

在浸泡区结束、进入回流区之前，必须确保整个组件达到热平衡。实践证明，采用合理的浸泡曲线，能够有效减少不同尺寸组件之间的温差，对于大型 PCB 组件，还能减少区域阵列型封装的空洞现象，从而提升焊接的整体质量。

（三）回流区：决定焊点质量的核心阶段

回流区，也被称为 “回流以上时间” 或 “液态以上温度”（TAL），是整个回流焊工艺中温度最高的阶段。在这一阶段，有两个关键参数需要严格控制：峰值温度和液态以上时间。

峰值温度是整个焊接过程中的最高允许温度，通常设定在焊料液态温度以上 20-40℃。这一极限值由组件上对高温容忍度最低的部件（即最容易受热损伤的部件）决定。一个通用的指导原则是，将最脆弱部件所能承受的最高温度减去 5℃，作为工艺的最高温度。严密监控工艺温度，确保其不超过这一极限至关重要，因为过高的温度（超过 260℃）可能会损坏 SMT 元件的内部模具，并促使金属间化合物过度生长；反之，温度不足则可能导致锡膏无法充分回流，影响焊点的形成。

液态以上时间（TAL），即焊料处于液态的时间，其长短直接影响焊接质量。助焊剂需要在这段时间内降低金属交界处的表面张力，以完成冶金结合，使各个焊粉球体融合在一起。如果液态时间超过制造商的规定，可能会导致助焊剂过早激活或消耗殆尽，使得锡膏在形成焊点之前就 “干燥” 失效。而时间过短则会造成助焊剂的清洁作用下降，导致润湿性差、溶剂和助焊剂去除不充分，进而产生各种焊点缺陷。

专家通常建议液态以上时间应尽可能短，大多数焊膏规定的最低时间为 30 秒，这一规定虽无明确的单一理由，但综合来看，一方面是因为 PCB 上可能存在一些未被测量的区域，将最低时间设定为 30 秒可以降低这些未测量区域未回流的风险；另一方面，较长的最小回流时间也能为应对烘箱温度波动提供一定的安全系数。一般来说，润湿时间最好控制在液态以上 60 秒以内，超过这一时间可能会导致金属间化合物过度生长，使接头变脆。同时，电路板和元件在超过液态温度的环境中暴露时间过长也可能受损，大多数元件都明确规定了在超过给定最高温度下的最长暴露时间。而液态以上时间过短，则可能导致溶剂和助焊剂滞留，增加接头出现冷焊、钝焊以及焊料空隙的可能性。

（四）冷却区：保障焊点性能的收尾阶段

冷却区是回流焊的最后一个阶段，其作用是逐步冷却已完成焊接的电路板，并使焊点固化。适当的冷却过程能够有效抑制多余金属间化合物的形成，同时避免组件因剧烈温度变化而遭受热冲击。冷却区的典型温度范围为 30-100°C，通常建议的冷却率为 4°C/s。

四、回流焊的术语解析与工艺控制

“回流” 一词有着特定的含义，它指的是当温度超过某一特定值时，固体焊料合金必然会熔化（而非仅仅软化）；当温度冷却到该值以下时，焊料则停止流动；若再次加热到该温度以上，焊料会再次流动 —— 这也是 “回流” 名称的由来。

现代电路组装技术中所使用的回流焊工艺，通常不允许焊料流动超过一次，而是确保焊膏中含有的颗粒状焊料能够达到并超过其相关焊料的回流温度。

热剖析，即热分析，是指通过测量电路板上的多个点，来确定其在焊接过程中的热偏移情况。在电子制造业中，统计过程控制（SPC）有助于判断焊接过程是否处于受控状态，其依据是根据焊接技术和元件要求所定义的回流参数进行测量。如今，现代软件工具能够实现剖面捕获功能，并借助数学模拟进行自动优化，这极大地缩短了为工艺建立最佳设置所需的时间。

综上所述，回流焊工艺的每个环节都紧密相连、相互影响，任何一个环节出现失误都可能对最终的焊点质量和电路板性能产生不利影响。因此，在实际生产过程中，必须对每个阶段进行严格的控制和监控，以确保焊接质量的稳定性和可靠性。