1.再流焊工艺概述

再流焊是伴随微型化电子产品的出现而发展起来的锡焊技术，主要应用于各类表面贴装元器件的焊接。这种焊接技术的焊料是焊锡膏。先在印制电路板的焊盘上涂敷适量和适当形式的焊锡膏，再把SMT元器件贴放到相应的位置；焊锡膏具有一定黏性，使元器件固定；然后让贴装好元器件的印制电路板进入再流焊设备。传送系统带动印制电路板通过设备里各个设定的温度区域，焊锡膏经过干燥、预热、熔化、润湿、冷却，将元器件焊接到印制电路板上。再流焊的核心环节是利用外部热源加热，使焊料熔化而再次流动浸润，完成印制电路板的焊接过程。

再流焊操作方法简单、效率高、质量好、一致性好、节省焊料（仅在元器件的引脚下有很薄的一层焊料），是一种适合自动化生产的电子产品装配技术。再流焊工艺是SMT印制电路板组装技术的主流。再流焊工艺的一般流程如图7−13所示。

图7−13　再流焊工艺的一般流程

2.再流焊工艺的特点与要求

（1）与波峰焊技术相比，再流焊工艺具有以下技术特点。

元器件不直接浸渍在熔融的焊料中，所以元器件受到的热冲击小（由于加热方式不同，有些情况下施加给元器件的热应力也会比较大）；能在前导工序里控制焊料的施加量，减少了虚焊、桥接等焊接缺陷，所以焊接质量好，焊点的一致性好，可靠性高；假如前导工序在印制电路板上施放焊料的位置正确，而贴放元器件的位置有一定偏离，在再流焊过程中，当元器件的全部焊端、引脚及其相应的焊盘同时浸润时，由于熔融焊料表面张力的作用，产生自定位效应（也称“自对中效应”），能够自动校正偏差，把元器件拉回到近似准确的位置；再流焊的焊料是商品化的焊锡膏，能够保证正确的组分，一般不会混入杂质；可以采用局部加热的热源，因此能在同一基板上采用不同的焊接方法进行焊接；工艺简单，返修的工作量很小。

在再流焊工艺过程中，首先要将由铅锡焊料、助焊剂、黏合剂、抗氧化剂组成的糊状焊膏淤敷到印制电路板上，可以使用自动或半自动丝网印制机，如同油墨印刷一样将焊膏漏印到印制电路板上，也可以用手工涂敷。然后，把元器件贴装到印制电路板的焊盘上。将焊膏加热到再流温度，可以在再流焊炉中进行，少量印制电路板也可以用手工热风设备加热焊接。当然，加热的温度必须根据焊膏的熔化温度准确控制（有些无铅焊膏的熔点为223 ℃，则必须加热到这个温度）。

（2）控制与调整。再流焊设备内焊接对象在加热过程中的时间—温度参数关系（常简称为焊接温度曲线），是决定再流焊效果与质量的关键。各类设备的演变与改善，其目的也是更加便于精确调整温度曲线。

再流焊的加热过程可以分成预热、焊接（再流）和冷却3个最基本的温度区域，主要有两种实现方法：一种是沿着传送系统的运行方向，让印制电路板顺序通过隧道式炉内的各个温度区域；另一种是把印制电路板停放在某一固定位置上，在控制系统的作用下，按照各个温度区域的梯度规律调节、控制温度的变化。温度曲线主要反映印制电路板组件的受热状态，再流焊的理想焊接温度曲线如图7−14所示。典型的温度变化过程通常由3个温区组成，分别为预热区、焊接（再流）区与冷却区。预热区：焊接对象从室温逐步加热至150 ℃左右的区域，缩小与再流焊的温差，焊膏中的溶剂被挥发。

图7−14　再流焊的理想焊接温度曲线

焊接（再流）区：温度逐步上升，超过焊膏熔点温度30%～40%，峰值温度达到220～230 ℃的时间短于10 s，焊膏完全熔化并湿润元器件焊端与焊盘。这个范围一般称为工艺窗口。

冷却区：焊接对象迅速降温，形成焊点，完成焊接。

由于元器件的品种、大小与数量不同以及印制电路板尺寸等诸多因素的影响，要想获得理想而一致的曲线并不容易，需要反复调整设备各温区的加热器，才能达到最佳温度曲线。

为调整最佳工艺参数而测定焊接温度曲线，是通过温度测试记录仪进行的，这种测试记录仪，一般由多个热电偶与记录仪组成。5～6个热电偶分别固定在小元件、大器件、BGA芯片内部、印制电路板边缘等位置，连接记录仪，一起随印制电路板进入炉膛，记录时间—温度参数。在炉子的出口处取出后，把参数送入计算机，用专用软件描绘曲线。

（3）再流焊的工艺要求。

① 要设置合理的温度曲线。再流焊是SMT生产中的关键工序，假如温度曲线设置不当，会引起焊接不完全、虚焊、元件翘立（“竖碑”现象）、锡珠飞溅等焊接缺陷，影响产品质量。

② SMT印制电路板在设计时就要确定再流焊时在设备中的运行方向（称为“焊接方向”），并应当按照设计的方向进行焊接。一般地，应该保证主要元器件的长轴方向与印制电路板的运行方向垂直。

③ 在焊接过程中，要严格防止传送带振动。

④ 必须对第一块印制电路板的焊接效果进行判断，实行首件检查制。检查焊接是否完全、有无焊膏熔化不充分、有无虚焊或桥接的痕迹、焊点表面是否光亮、焊点形状是否向内凹陷、是否有锡珠飞溅和残留物等现象，还要检查印制电路板的表面颜色是否改变。在批量生产过程中，要定时检查焊接质量，及时对温度曲线进行修正。

3.再流焊炉的主要结构和工作方式

再流焊炉主要由炉体、上下加热源、印制电路板传送装置、空气循环装置、冷却装置、排风装置、温度控制装置以及计算机控制系统组成。

再流焊的核心环节是将预敷的焊料熔融、再流、浸润。再流焊对焊料加热有不同的方法，就热量的传导来说，主要有辐射和对流两种方式；按照加热区域，可以分为对印制电路板整体加热和局部加热两大类：整体加热的方法主要有红外线加热法、气相加热法、热风加热法、热板加热法；局部加热的方法主要有激光加热法、红外线聚焦加热法、热气流加热法。

再流焊炉的结构主体是一个热源受控的隧道式炉膛，涂敷了膏状焊料并贴装了元器件的印制电路板随传动机构直线匀速进入炉膛，顺序通过预热、再流（焊接）和冷却这3个基本温度区域。在预热区内，电路板在100～160 ℃的温度下均匀预热2～3 min，焊膏中的低沸点溶剂和抗氧化剂挥发，化成烟气排出；同时，焊膏中的助焊剂浸润，焊膏软化塌落，覆盖了焊盘和元器件的焊端或引脚，使它们与氧气隔离；并且，印制电路板和元器件得到充分预热，以免它们进入焊接区因温度突然升高而损坏。在焊接区，温度迅速上升，比焊料合金的熔点高20～50 ℃，膏状焊料在热空气中再次熔融，浸润焊接面，时间为30～90 s。当焊接对象从炉膛内的冷却区通过，焊料冷却凝固以后，全部焊点同时完成焊接。

再流焊机的结构与原理

再流焊设备可用于单面、双面、多层印制电路板上SMT元器件的焊接，以及在其他材料的电路基板（如陶瓷基板、金属芯基板）上的再流焊，也可以用于电子器件、组件、芯片的再流焊，还可以对印制电路板进行热风整平、烘干，对电子产品进行烘烤、加热或固化黏合剂。再流焊设备既能够单机操作，也可以连入电子装配生产线配套使用。

再流焊设备还可以用来焊接印制电路板的两面：先在印制电路板的A面漏印焊膏，粘贴SMT元器件后入炉完成焊接；然后在B面漏印焊膏，粘贴元器件后再次入炉焊接。这时，印制电路板的B面朝上，在正常的温度控制下完成焊接；A面朝下，受热温度较低，已经焊好的元器件不会从板上脱落下来。这种工作状态如图7−15所示。

图7−15　再流焊时印制电路板两面的温度不同

4.再流焊设备的种类与加热方法

经过近50年的发展，再流焊设备的种类及加热方法经历了气相法、热板传导、红外辐射、全热风等几种。近年来新开发的激光束逐点式再流焊机，可实现极其精密的焊接，但成本很高。

1）气相再流焊

这是美国西屋公司于1974年首创的焊接方法，曾经在美国的SMT焊接中占有率很高。其工作原理是：加热传热介质氟氯烷系溶剂，使之沸腾产生饱和蒸气；在焊接设备内，介质的饱和蒸气遇到温度低的待焊电路组件，转变成为相同温度下的液体，释放出汽化潜热，使膏状焊料熔融浸润，印制电路板上的所有焊点同时完成焊接。这种焊接方法的介质液体需要较高的沸点（高于铅锡焊料的熔点），有良好的热稳定性，不自燃。美国3M公司配制的介质液体见表7−5。

再流焊的工艺流程与加热方法

表7−5　3M公司配制的介质液体

气相法的特点是整体加热，饱和蒸气能到达设备里的每个角落，热传导均匀，可形成与产品形状无关的焊接。气相再流焊能精确控制温度（取决于溶剂沸点），热转化效率高，焊接温度均匀，不会发生过热现象；并且，蒸气中含氧量低，焊接对象不会氧化，能获得高精度、高质量的焊点。气相再流焊的缺点是介质液体及设备的价格高，介质液体是典型的臭氧层损耗物质，在工作时会产生少量有毒的全氟异丁烯（PFIB）气体，因此在应用上受到极大限制。图 7−16是气相再流焊设备的工作原理示意图。溶剂在加热器作用下沸腾产生饱和蒸气，印制电路板从左往右进入炉膛，受热进行焊接。炉子上方与左右都有冷凝管，将蒸气限制在炉膛内。

2）热板传导再流焊(www.daowen.com)

利用热板传导来加热的焊接方法称为热板再流焊。热板再流焊的工作原理如图 7−17所示。

图7−16　气相再流焊的工作原理示意图

图7−17　热板再流焊的工作原理

热板传导再流焊的发热器件为加热板，放置在薄薄的传送带下，传送带由导热性能良好的聚四氟乙烯材料制成。待焊印制电路板放在传送带上，热量先传送到印制电路板上，再传至铅锡焊膏与SMC/SMD元器件，焊膏熔化以后，再通过风冷降温，完成印制电路板焊接。这种再流焊的热板表面温度不能大于300 ℃，早期用于导热性好的高纯度氧化铝基板、陶瓷基板等厚膜电路单面焊接，随后也用于焊接初级SMT产品的单面印制电路板。其优点是结构简单，操作方便；缺点是热效率低，温度不均匀，印制电路板若导热不良或稍厚就无法适应，对普通覆铜箔电路板的焊接效果不好，故很快被取代。

3）红外线辐射再流焊

这种加热方法的主要工作原理是：在设备内部，通电的陶瓷发热板（或石英发热管）辐射出远红外线，印制电路板通过数个温区，接收辐射并转化为热能，达到再流焊所需的温度，焊料浸润，然后冷却，完成焊接。红外线辐射加热法是最早、最广泛使用的SMT焊接方法之一。使用远红外线辐射作为热源的加热炉，称为红外线再流焊炉（IR），其工作原理示意如图 7−18所示。这种设备成本低，适用于低组装密度产品的批量生产，调节温度范围较宽的炉子也能在点胶贴片后固化贴片胶。有远红外线与近红外线两种热源。一般地，前者多用于预热，后者多用于再流加热。整个加热炉可以分成几段温区，分别控制温度。红外线辐射再流焊炉的优点是热效率高，温度变化梯度大，温度曲线容易控制，焊接双面印制电路板时，上、下温度差别大。缺点是印制电路板同一面上的元器件受热不够均匀，温度设定难以兼顾周全，阴影效应较明显：当元器件的颜色深浅、材质存在差异、封装不同时，各焊点所吸收的热量不同；体积大的元器件会对小元器件造成阴影，使之受热不足。

图7−18　红外线辐射再流焊的工作原理示意图

4）热风对流再流焊

单纯热风对流再流焊是利用加热器与风扇，使炉膛内的空气不断加热并强制循环流动，焊接对象在炉内受到炽热气体的加热而实现焊接，其工作原理如图 7−19所示。这种再流焊设备的加热温度均匀但不够稳定；焊接对象容易氧化，印制电路板上、下的温差以及沿炉长方向的温度梯度不容易控制，一般不单独使用。

图7−19　热风对流再流焊

5）激光再流焊

激光再流焊是利用激光束良好的方向性及功率密度高的特点，通过光学系统将CO2或激光束聚集在很小的区域内，在很短的时间内使焊接对象形成一个局部加热区，图 7−20是激光再流焊的工作原理示意图。激光再流焊的加热具有高度局部化的特点，不产生热应力，热冲击小，热敏元器件不易损坏。但是设备投资大，维护成本高。

图7−20　激光再流焊的工作原理示意图

5.新一代再流焊设备及工艺

1）红外线热风再流焊机

20世纪90年代后，元器件进一步小型化，SMT的应用不断扩大。为使不同颜色、不同体积的元器件（如QFP、PLCC和BGA封装的集成电路）能同时完成焊接，必须改善再流焊设备的热传导效率，减少元器件之间的峰值温度差别，在印制电路板通过温度隧道的过程中维持稳定一致的温度曲线，于是设备制造商纷纷开发出新一代再流焊设备，如改进加热器的分布、空气的循环流向以及增加温区划分，使之能进一步精确控制炉内各部位的温度分布，便于温度曲线的理想调节。

在对流、辐射和传导这3种热传导机制中，只有前两者容易控制。红外线辐射加热的效率高，而强制对流可以使加热更均匀。先进的再流焊技术结合了热风对流与红外线辐射两者的优点，用波长稳定的红外线（波长约为8 μm）发生器作为主要热源，利用对流的均衡加热特性以减少元器件与印制电路板之间的温度差别。

改进型的红外线热风再流焊是按一定热量比例和空间分布的，同时混合红外线辐射和热风循环对流加热的方式，也称之为热风对流红外线辐射再流焊。目前多数大批量SMT生产中的再流焊炉都是采用这种大容量循环强制对流加热的工作方式，在炉体内，热空气不停地流动，均匀加热，有极高的热传递效率，并不依靠红外线直接辐射加温。这种方法的特点是，各温区独立调节热量，减小热风对流，而且还可以在印制电路板下面采取制冷措施，从而保证加热温度均匀、稳定，使印制电路板表面和元器件之间的温差小，温度曲线容易控制。红外线热风再流焊设备的生产能力高，操作成本低。

现在，随着温度控制技术的进步，高档的强制对流热风再流焊设备的温度隧道更多地细分了不同的温度区域，如把预热区细分为升温区、保温区和快速升温区等。在国内设备条件好的企业里，已经能够见到10个以上温区的再流焊设备。当然，再流焊接炉的强制对流加热方式和加热器形式，也在不断改进，使传导对流热量给印制电路板的效率更高，加热更均匀。图 7−21是红外线热风再流焊设备实物。

2）简易红外线再流焊机

简易红外线再流焊机内部只有一个温区的小加热炉，能够焊接的印制电路板最大面积为400 mm × 400 mm（小型设备的有效焊接面积会小一些）。炉内的加热器和风扇受计算机控制，温度随时间变化，印制电路板在炉内处于静止状态，连续经历预热、再流和冷却的温度过程，完成焊接。这种简易设备的价格比隧道炉膛式红外线热风再流焊设备的价格低很多，适用于生产批量不大的小型企业。

3）充氮气的再流焊炉

为适用无铅环保工艺，一些高性能的再流焊设备带有加充氮气和快速冷却的装置。惰性气体可以减少焊接过程中的氧化，采用氮气保护的焊接工艺已有很长的时间，常用于加工要求较高的产品。采用氮气保护，可以使用活性较低的焊膏，这有利于减少焊接残留物和免清洗；氮气可以加大焊料的表面张力，使企业选择超细间距器件的余地更大；在氮气环境中，印制电路板上的焊盘与线路的可焊性得到较好的保护，快速冷却可以增加焊点表面单位光亮。采用氮气保护的问题主要是氮气的成本、管理与回收。所以，焊膏制造厂家也在研究改进焊膏的化学成分，以便再流焊工艺中不必再使用氮气保护。

图7−21　红外线热风再流焊设备

4）通孔再流焊工艺

通孔再流焊（也称插入式或带引针式再流焊）工艺在一些生产线上也得到应用，它可以省去波峰焊工序，尤其在焊接SMT与THT混装的印制电路板时会用到它。这样做的好处是可以利用现有的再流焊设备来焊接通孔式的接插件。通孔式接插件相比表面贴装式接插件，其焊点的机械强度更好。同时，在较大面积的印制电路板上，由于平整度问题，表面贴装式接插件的引脚不容易焊接得都很牢固。通孔再流焊在严格的工艺控制下，焊接质量能够得到保证，存在的不足是焊膏用量大，随之造成的助焊剂残留物也会增多。另外，有些通孔接插件的塑料结构难以承受再流焊的高温。

5）无铅再流焊工艺

在无铅焊接时代，使用无铅锡膏使再流焊的焊接温度提高、工艺窗口变窄，除了要求再流焊炉的技术性能进一步提高外，还必须通过自动温度曲线预测工具结合实时温度管理系统，进行连续的工艺过程监测，精确控制通过再流焊炉的温度传导。

6.各种再流焊设备及工艺性能比较

1）各种再流焊工艺主要加热方法的优、缺点

各种再流焊工艺主要加热方法的优、缺点见表7−6。

表7−6　各种再流焊工艺主要加热方法的优、缺点

2）SMT焊接设备与工艺性能比较

用波峰焊与再流焊设备焊接SMT印制电路板的有关工艺要求、焊接设备结构及各种加热焊接方法等内容，已经在前面进行介绍，这里结合SMT印制电路板的组装方式做进一步比较。表7−7比较了各种设备焊接SMT印制电路板的性能。最近十多年来，我国电子制造业进入生产设备高速更新阶段，显然，新型的红外线热风再流焊在计算机的控制下强制对流加热，可以对各温区的温度进行更精细的调节，获得更好的焊接质量，已经被广泛购置。

表7−7　各种设备焊接SMT印制电路板的性能比较