回流焊接工藝

    經典印刷電路板(PCB)的溫度曲線(profile)作圖，涉及將PCB 裝配上的熱電偶連接到數據記錄曲線儀上，并把整個裝配從回流焊接爐中通過。作溫度曲線有兩個主要的目的：1)為給定的PCB 裝配確定正確的工藝設定，2)檢驗工藝的連續性，以保證可重復的結果。通過觀察PCB 在回流焊接爐中經過的實際溫度(溫度曲線)，可以檢驗和/或糾正爐的設定，以達到最終產品的最佳品質。經典的PCB 溫度曲線將保證最終PCB 裝配的最佳的、持續的質量，實際上降低PCB 的報廢率，提高PCB的生產率和合格率，并且改善整體的獲利能力。

一、回流工藝

    在回流工藝過程中，在爐子內的加熱將裝配帶到適當的焊接溫度，而不損傷產品。為了檢驗回流焊接工藝過程，人們使用一個作溫度曲線的設備來確定工藝設定。溫度曲線是每個傳感器在經過加熱過程時的時間與溫度的可視數據集合。通過觀察這條曲線，你可以視覺上準確地看出多少能量施加在產品上，能量施加哪里。溫度曲線允許操作員作適當的改變，以優化回流工藝過程。

    一個典型的溫度曲線包含幾個不同的階段 -初試的升溫(ramp)、保溫(soak)、向回流形成峰值溫度(spike to reflow)、回流(reflow)和產品的冷卻(cooling)。作為一般原則，所希望的溫度坡度是在2~4 °C范圍內，以防止由于加熱或冷卻太快對板和/或元件所造成的損害。

    在產品的加熱期間，許多因素可能影響裝配的品質。最初的升溫是當產品進入爐子時的一個快速的溫度上升。目的是要將錫膏帶到開始焊錫激化所希望的保溫溫度。最理想的保溫溫度是剛好在錫膏材料的熔點之下 -對于共晶焊錫為183 °C，保溫時間在30~90 秒之間。保溫區有兩個用途：1)將板、元件和材料帶到一個均勻的溫度，接近錫膏的熔點，允許較容易地轉變到回流區，2)激化裝配上的助焊劑。在保溫溫度，激化的助焊劑開始清除焊盤與引腳的氧化物的過程，留下焊錫可以附著的清潔表面。向回流形成峰值溫度是另一個轉變，在此期間，裝配的溫度上升到焊錫熔點之上，錫膏變成液態。

    一旦錫膏在熔點之上，裝配進入回流區，通常叫做液態以上時間(TAL time above liquidous)。回流區時爐子內的關鍵階段，因為裝配上的溫度梯度必須最小，TAL 必須保持在錫膏制造商所規定的參數之內。產品的峰值溫度也是在這個階段達到的 -裝配達到爐內的最高溫度。

    必須小心的是，不要超過板上任何溫度敏感元件的最高溫度和加熱速率。例如，一個典型的鉭電容具有的最高溫度為230 °C 。理想地，裝配上所有的點應該同時、同速率達到相同的峰值溫度，以保證所有零件在爐內經歷相同的環境。在回流區之后，產品冷卻，固化焊點，將裝配為后面的工序準備。控制冷卻速度也是關鍵的，冷卻太快可能損壞裝配，冷卻太慢將增加TAL，可能造成脆弱的焊點。

    在回流焊接工藝中使用兩種常見類型的溫度曲線，它們通常叫做保溫型(soak)和帳篷型(tent)溫度曲線。在保溫型曲線中(圖一)，如前面所講到的，裝配在一段時間內經歷相同的溫度。帳篷型溫度曲線(圖二)是一個連續的溫度上升，從裝配進入爐子開始，直到裝配達到所希望的峰值溫度。

    所希望的溫度曲線將基于裝配制造中使用的錫膏類型而不同。取決于錫膏化學組成，制造商將建議最佳的溫度曲線，以達到最高的性能。溫度曲線的信息可以通過聯系錫膏制造商得到。最常見的配方類型包括水溶性(OA)、松香適度激化型(RMA rosin mildly activated)和免洗型(no-clean)錫膏。

二、溫度曲線的機制

經典的PCB 溫度曲線系統元件

一個經典的PCB 溫度曲線系統由以下元件組成：
· 數據收集曲線儀，它從爐子中間經過，從PCB 收集溫度信息。
· 熱電偶，它附著在PCB 上的關鍵元件，然后連接到隨行的曲線儀上。
· 隔熱保護，它保護曲線儀被爐子加熱。
· 軟件程序，它允許收集到的數據以一個格式觀看，迅速確定焊接結果和/或在失控惡劣影響最終PCB產品之前找到失控的趨勢。

三、熱電偶(Thermalcouples)

    在電子工業中最常使用的是K 型熱電偶。有各種技術將熱電偶附著于PCB 的元件上。使用的方法決定于正在處理的PCB 類型，以及使用者的偏愛。

四、熱電偶附著

    高溫焊錫，它提供很強的連接到PCB 。這個方法通常用于可以為作曲線和檢驗工藝而犧牲一塊專門的參考板的運作。應該注意的是保證最小的錫量，以避免影響曲線。

    膠劑，可用來將熱電偶固定在PCB 上。膠劑的使用通常得到熱電偶對裝配的剛性物理連接。缺點包括膠劑可能在加熱過程中失效的可能性、作完曲線后取下時在裝配上留下殘留物。還有，應該注意使用最小的膠量，因為增加熱質量可能影響溫度曲線的結果。

    開普頓(Kapton)或鋁膠帶，它最容易使用，但是最不可靠的固定方法。使用膠帶作溫度曲線經常顯示很參差不齊的曲線，因為熱電偶連接點在加熱期間從接觸表面提起。容易使用和不留下影響裝配的殘留物，使得開普頓或鋁膠帶成為一個受歡迎的方法。

    壓力型熱電偶，夾持在線路板的邊緣，使用彈力將熱電偶連接點牢固地接觸固定到正在作溫度曲線的裝配上。壓力探頭快速、容易地使用，對PCB 沒有破壞性。

五、熱電偶的放置

    因為一個裝配的外邊緣和角上比中心加熱更快，較大熱質量的元件比較小熱質量的元件加熱滿，所以至少推薦使用四個熱電偶的放置位置。一個熱電偶放在裝配的邊緣或角上，一個在小元件上，另一個在板的中心，第四個在較大質量的元件上。另外還可以增加熱電偶在板上其它感興趣的零件上，或者溫度沖擊或溫度損傷最危險的元件上。

六、讀出與評估溫度曲線數據

    錫膏制造商一般對其錫膏配方專門有推薦的溫度曲線。應該使用制造商的推薦來確定一個特定工藝的最佳曲線，與實際的裝配結果進行比較。然后可能采取步驟來改變機器設定，以達到特殊裝配的最佳結果(圖三)。

    對于PCB 裝配制造商，現在有新的工具，它使得為錫膏和回流爐的特定結合設計目標曲線來得容易。一旦設計好以后，這個目標曲線可以由機器操作員機遇這個專門的PCB 裝配簡單地調用，自動地在回流焊接爐上運行。

七、何時作溫度曲線

    當開始一個新的裝配時，作溫度曲線是特別有用的。必須決定爐的設定，為高品質的結果優化工藝。作為一個診斷工具，曲線儀在幫助確定合格率差和/或返工高的過程中是無價的。

    作溫度曲線可以發現不適當的爐子設定，或者保證對于裝配這些設定是適當的。許多公司或工廠在標準參考板上作溫度曲線，或者每天使用機器的品質管理曲線儀。一些工廠在每個班次的開始作溫度曲線，以檢驗爐子的運行，在問題發生前避免潛在的問題。這些溫度曲線可以作為一個硬拷貝或通過電子格式存儲起來，并且可用作ISO 計劃的一部分，或者用來進行對整個時間上機器性能的統計過程控制(SPC statistical process control)的操作。

    用于作溫度曲線的裝配應該小心處理。該裝配可能由于處理不當或者重復暴露在回流溫度之下而降級。作曲線的板可能隨時間過去而脫層，熱電偶的附著可能松動，這一點應該預計到，并且在每一次運行產生損害之前應該檢查作曲線的設備。關鍵是要保證測量設備能夠得到精確的結果。

八、經典PCB 溫度曲線與機器的品質管理曲線

    雖然溫度曲線的最普遍類型涉及使用一個運行的曲線儀和熱電偶，來監測PCB 元件的溫度，作溫度曲線也用來保證回流焊接爐以最佳的設定連續地工作運行。現有各種內置的機器溫度曲線儀，提供對關鍵回流爐參數的日常檢測，包括空氣溫度、熱流與傳送帶速度。這些儀器也提供機會，在失控因素影響最終PCB裝配質量之前，迅速找到任何失控趨勢。

九、總結

    做溫度曲線是PCB 裝配中的一個關鍵元素，它用來決定過程機器的設定和確認工藝的連續性。沒有可測量的結果，對回流工藝的控制是有限的。咨詢一下錫膏供應商，查看一下元件規格，為一個特定的工藝確定最佳的曲線參數。通過實施經典PCB 溫度曲線和機器的品質管理溫度曲線的一個正常的制度，PCB 的報廢率將會降低，而質量與產量都會改善。結果，總的運作成本將減低。