回流焊的溫度曲線 Reflow Profile

電子產業之所以能夠蓬勃發展,表面貼焊技術(SMT, Surface Mount Technology)的發明及精進佔有極大程度的貢獻。而回焊(Reflow)又是表面貼焊技術中最重要的技術之一。這裡我們就試著來解釋一下回焊的一些技術與溫度設定的問題。

(▲ Soaking type 典型浸潤式回流焊溫度曲線)

(▲ Slumping type 斜升式回流焊溫度曲線)

回流焊的溫度曲線共包括了預熱、吸熱、回焊和冷卻等四個區塊,以下為個人的心得整理,如果有誤也請各位先進不吝指教。







預熱區(Pre-heat zone)

預熱區通常是指由溫度由常溫升高至150°C左右的區域﹐在這個區域﹐溫度緩升以利錫膏中的部分溶劑及水氣能夠及時揮發﹐電子零件(特別是IC零件)緩緩升溫﹐為適應後面的高溫預作準備。但PCB表面的零件大小不一﹐吸熱裎度也不一,為了避免零件內外或不同零件間有溫度不均勻的現象﹐所以預熱區升溫的速度通常控制在1.5°C~3°C/sec之間。預熱區均勻加熱的另一目的,是要使錫膏中的溶劑可以適度的揮發並活化助焊劑,因為大部分助焊劑的活化溫度大約落在150°C上下。

快速升溫有助快速達到助焊劑軟化的溫度,因此助焊劑可以快速地擴散並覆蓋到最大區域的焊點,它可能也會讓一些活化劑融入實際合金的液體中。可是,升溫如果太快﹐由於熱應力的作用﹐可能會導致陶瓷電容的細微裂紋(micro crack)、PCB受熱不均而產生變形(Warpage)、空洞或IC晶片損壞﹐同時錫膏中的溶劑揮發太快﹐也會導致塌陷產生的危險。

較慢的溫度爬升則允許更多的溶劑揮發或氣體逃逸,它也使助焊劑可以更靠近焊點,減少擴散及崩塌的可能。但是升溫太慢也會導致過度氧化而降低助焊劑的活性。

爐子的預熱區一般佔加熱通道長度的1/4—1/3﹐其停留時間計算如下﹕假設環境溫度為25°C﹐若升溫斜率按照3°C/sec計算則(150-25)/3即為42sec﹐如升溫斜率按照1.5°C/sec計算則(150-25)/1.5即為85sec。通常根據組件大小差異程度調整時間以調控升溫斜率在2°C/sec以下為最佳。

另外還有幾種不良現象都與預熱區的升溫有關係,下面一一說明:

1. 塌陷:

這主要是發生在錫膏融化前的膏狀階段,錫膏的黏度會隨著溫度的上升而下降,這是因為溫度的上升使得材料內的分子因熱而震動得更加劇烈所致;另外溫度迅速上升會使得溶劑(Solvent)沒有時間適當地揮發,造成黏度更迅速的下降。正確來說,溫度上升會使溶劑揮發,並增加黏度,但溶劑揮發量與時間及溫度皆成正比,也就是說給一定的溫升,時間較長者,溶劑揮發的量較多。因此升溫慢的錫膏黏度會比升溫快的錫膏黏度來的高,錫膏也就必較不容易產生塌陷。

2. 錫珠:

迅速揮發出來的氣體會連錫膏都一起往外帶,在小間隙的零件下會形成分離的錫膏區塊,回焊時分離的錫膏區塊會融化並從零件底下冒出而形成錫珠。

3. 錫球:

升溫太快時,溶劑氣體會迅速的從錫高中揮發出來並把飛濺錫膏所引起。減緩升溫的速度可以有效控制錫球的產生。但是升溫太慢也會導致過度氧化而降低助焊劑的活性。

4. 燈蕊虹吸現象:

這個現象是焊料在潤濕引腳後,焊料從焊點區域沿引腳向上爬升,以致焊點產生焊料不足或空銲的問題。其可能原因是錫膏在融化階段,零件腳的溫度高於PCB的銲墊溫度所致。可以增加PCB底部溫度或是延長錫膏在的熔點附近的時間來改善,最好可以在焊料潤濕前達到零件腳與焊墊的溫度平衡。一但焊料已經潤濕在焊墊上,焊料的形狀就很難改變,此時也不在受溫升速率的影響。

5. 潤濕不良:

一般的潤濕不良是由於焊接過程中錫粉被過度氧化所引起,可經由減少預熱時錫膏吸收過多的熱量來改善。理想的回焊時間應儘可能的短。如果有其他因素致加熱時間不能縮短,那建議從室溫到錫膏熔點間採線性溫度,這樣回焊時就能減少錫粉氧化的可能性。

6. 虛焊或“枕頭效應”(Head-In-Pillow):

虛焊的主要原因可能是因為燈蕊虹吸現象或是不潤濕所造成。燈蕊虹吸現象可以參照燈蕊虹吸現象的解決方法。如果是不潤濕的問題,也就是枕頭效應,這種現象是零件腳已經浸入焊料中,但並未形成真正的共金或潤濕,這個問題通常可以利用減少氧化來改善,可以參考潤濕不良的解決方法。

相關閱讀:
BGA枕頭效應(head-in-pillow,HIP)發生的可能原因
BGA虛焊NWO(Non-Wet-Open)形成的原因及可能解決方法

7. 墓碑效應及歪斜:

這是由於零件兩端的潤濕不平均所造成的,類似燈蕊虹吸現象,可以藉由延長錫膏在的熔點附近的時間來改善,或是降低升溫的速率,使零件兩端的溫度在錫膏熔點前達到平衡。另一個要注意的是PCB的焊墊設計,如果有明顯的大小不同、不對稱、或是一方焊墊有接地(ground)又未設計熱阻(thermal relief)焊墊,而另一方焊墊無接地,都容易造成不同的溫度出現在焊墊的兩端,當一方焊墊先融化後,因表面張力的拉扯,會將零件立直(墓碑)及拉斜。

8. 空洞(Voids):

主要是因為助焊劑中的溶劑或是水氣快速氧化,且在焊料固化前未即時逸出所致。

吸熱區 (Soak zone)

一般將這個區域翻譯成「浸潤區」,但經白老師糾正,正確的名稱應該叫「吸熱區」,也稱「活性區」﹐在這段幾近恆溫區的溫度通常維持在150±10°C的區域﹐斜昇式的溫度通常落在150~190°C之間,此時錫膏正處於融化前夕﹐焊膏中的揮發物會進一步被去除﹐活化劑開始啟動﹐並有效的去除焊接表面的氧化物﹐PCB表面溫度受熱風對流的影響﹐讓不同大小、質地不同的零組件溫度能保持均勻溫度﹐板面溫度差△T接近最小值。

(如果PCB上的零件簡單,沒有太多複雜的零件,如BGA或大顆容易或不易吸熱零件,也就是說零件間的溫度可以輕易達到均勻,建議使用「斜昇式曲線」。現代科技進步,有些回焊爐的效率好,可以快速均勻所有零件的溫度,也可以考慮「斜昇式曲線」。「斜昇式曲線」的優點是希望確保錫膏融錫時所有焊點同時融錫,已達到最佳的焊接效果。)

溫度曲線形態接近水平狀﹐它也是評估回焊爐工藝的一個窗口﹐選擇能維持平坦活性溫度曲線的爐子將可提高焊接的效果﹐特別是防止立碑缺陷的產生,因為較不易造成融錫不一的時間差,零件兩端也就比較不會有應力不同的問題。

恆溫區通常在爐子的2﹐3區之間﹐時間維持約為60~120s﹐若時間過長會導致松香過度揮發,並造成錫膏過度氧化的問題﹐在回流焊接時失去活性和保護功能,以致焊接後造成虛焊、焊點殘留物發黑、焊點不光亮等問題。

此區域的溫度如果升溫太快,錫膏中的松香(助焊劑)就會迅速膨脹揮發,正常情況下,松香應該會慢慢從錫膏間的縫隙逸散,當松香揮發的速度過快時,就會發生氣孔、炸錫、錫珠等品質問題。

延伸閱讀:
電阻電容小零件發生空焊及立碑的原因

回焊區(Reflow zone)

回焊區是整段回焊溫度最高的區域﹐通常也叫做「液態保持時間(TAL, time above liquids)」。此時焊料中的錫或鎳與焊墊上的銅由於擴散作用而形成金屬間的化合物Cu5sn6或Ni3Sn4。以OSP的表面處理為例﹐當錫膏融化後﹐會迅速潤濕銅層﹐錫原子與銅原子在其介面上互相滲透,初期Sn-Cu合金的結構為良好的Cu6Sn5﹐其厚度為1-3μ”,為回焊爐子內的關鍵階段,因為裝配上的溫度梯度必須最小,TAL必須保持在錫膏製造商所規定的參數之內。産品的峰值溫度也是在這個階段達成的(裝配達到爐內的最高溫度),時間如果過長就會繼續生成Cu3Sn的不良IMC。ENIG表面處理的板子,初期則會生成Ni3Sn4的IMC,不會有Cu6Sn5

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,一個典型符合無鉛製程的鉭電容具有的最高溫度爲260°C只能持續最多10秒鐘。理想狀況下應該讓裝配上所有的焊點同時、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。

回焊的峰值溫度,通常取決於焊料的熔點溫度及組裝零件所能承受的溫度。一般的峰值溫度應該比錫膏的正常熔點溫度要高出約25~30°C,才能順利的完成焊接作業。如果低於此溫度,則極有可能會造成冷焊與潤濕不良的缺點。

冷卻區(Cooling zone)

在回焊區之後,產品冷卻,固化焊點,將為後面裝配的工序準備。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。

一般認為冷卻區應迅速降溫使焊料凝固。迅速冷卻也可以得到較細的合晶結構,提高焊點的強度,使焊點光亮,表面連續並呈彎月面狀,但缺點就是較容易生成孔洞,因為有些氣體來不及逃逸。

相反的,在熔點以上緩慢的冷卻則容易導致過量的介金屬化合物(IMC)產生及較大的合晶顆粒,降低抗疲勞強度。採用比較快的冷卻速率可以有效嚇阻介金屬化合物的生成。

在加速冷卻速度的同時須注意到零件耐衝擊的能力,一般的電容所容許的最大冷卻速率大約是4°C/min。過快的冷卻速率很可能會引起應力影響而產生龜裂(Crack)。也可能引起焊墊與PCB或焊墊與焊點的剝離,這是由於零件、焊料、與焊點各擁有不同的熱膨脹係數及收縮率的結果。一般建議的降溫速度為2~5°C/s之間。


延伸閱讀:

如何由X-Ray來判斷BGA有否空焊
合成石過爐托盤(Reflow carrier)
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訪客留言內容(Comments)

您好:
想請問金屬爬錫後爬錫部份為何會呈現藍色,而不是一般過高溫後呈現的錫色(銀色)呢?

John,
一般來說是氧化物,正常情況下不應該出現。

您好:
想請教目前常有小板模組為郵票貼型式當作元件上件
這種郵票貼上面通常已經有元件及IC
是如何做上件的方式是用後焊的方式嗎
謝謝

Allen;
你說的是類似LGA的封裝,一般使用SMT打件走回焊爐。

工作熊大大您好,
我又遇到一個好無助的情形,因為客戶原本長期用的一顆鉭質電容缺貨缺很大,所以我去調同品牌同規格但不同系列的鉭電給客戶,但發生零件過錫爐後谷包或龜裂的情形,後來跟客戶要爐溫曲線圖才知道客戶爐溫在240-250時共過了35秒,但不管是原來交的鉭電或是替代料的spec都有寫不能超過10秒,但客戶就說用原本交的鉭電生產已經超過一年了,都沒事,不會因為這顆替代料去改爐溫條件,怕會去影響BGA IC,我也只能說遺憾了,我真的很想問真的都沒辦法了嗎?有可能全部零件打完後,最後再依我替代料Spec條件去過錫爐生產嗎?

Andy,
站在EMS的立場看,因為各種零件能力與焊錫的要求,有時候溫度曲線的可調適範圍真的不大,尤其是已經量產的產品,改了溫度曲線後有時候不只電測要通過而已,可能還得做後續的品質驗證,比如說高低溫的環境測試、產品落下測試等,這些都是破壞性實驗,也就是做過後不能在賣給客戶,而且一次都得做好幾台,還得花10天左右的時間。
當然,站在零件供應商的角度看超過240度有35秒,的確是多了點,但一般來說除非零件真的非常特殊,否則一般都會要求零件要可以過三次Reflow,正反面各一次,重工一次。

熊大大你好,我在用回流焊焊接芯片的过程中,遇到了一个问题。回流焊温度按照焊料的推荐温度曲线设置,焊接过后发现锡膏没有熔化,依然是颗粒状。然后我提高回焊区的温度40度后发现锡膏还是没有熔化。请问是什么问题?

陈昊,
你的問題應該詢問錫膏廠商才是。
這裡我僅提供一些經驗參考:
1. 有無使用測溫儀實際去量測電路板上過回焊的溫度?
2. 有無實際量測芯片下面在回焊爐內的溫度?
3. 錫膏是否是新鮮剛拆封的,如果錫膏放在空氣中過久未能即時進入回焊盧是會造成氧化的。

工作熊大大:
您好
最近在找資料看到您的專欄,小弟目前遇到一個問題,客戶端反映一顆16PIN的IC,其中有1PIN 有疑似冷焊問題,由於只有照片,只能從外表確認,一般針對冷焊的改善方式,除了調整輸送帶速度外,是否還有其他改善方式,詢問多人意見,除了調整溫度外,就是錫膏攪拌均勻,但是看到您有說道,一般不建議調整溫度,因為產品還要做可靠性驗證
另外類似這樣問題,遮蔽效應的情況,有可能嗎造成單1PIN吃錫異常嗎?因此特來跟您請教,謝謝 !!

William,
建議你先看一下這篇文章【設計Thermal Relief pad(熱阻焊墊/限熱焊墊)降低焊接不良】。


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