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SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)解說與注意事項

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。

▲ Ramp-Soak-Spike(RSS) 典型馬鞍式回流焊溫度曲線	▲ Ramp-To-Spike(RTS) 斜升式回流焊溫度曲線

電路板組裝(PCBA)的回流焊溫度曲線(reflow temperature profile)共包括了預熱(pre-heat)、吸熱(Soak)、回焊(Reflow)和冷卻(Cooling)等四個大區塊，本文為個人的心得整理，如果有誤也請各位先進不吝指教。

另外，隨著技術的發展，錫膏與助焊的配方也一直在進步，建議一定要參考各錫膏原廠所提供的profile要求。

建議相關閱讀：回流焊的爐溫曲線應該使用RSS(馬鞍)型?還是RTS(斜昇)型?

預熱區(Pre-heat zone)

預熱區通常是指PCBA的溫度由常溫/室溫升高至150~170°C左右的區域﹐在這個區域中﹐溫度應該緩升（又稱一次昇溫）以利錫膏中的部分溶劑及水氣能夠及時揮發以免噴濺影響後續的焊接品質，因為大部分助焊劑的活化溫度大約落在150°C上下。

已黏貼在PCB上的電子零件（特別是BGA、IO連接器零件等大型零件）也要緩慢升溫﹐為適應後面的高溫預作準備，此區段升溫速度如果太快，將使得零件的內外溫度差異過大或不同材質CTE差異而造成零件變形，而且PCB上的鋪銅分佈也常因為電路需求而不會設計得很均勻，過快的升溫速率也將惡化板子不同區域的吸熱速率，造成熱應力差異，導致板子扭曲變形等問題。所以預熱區的升溫速度通常會控制在1.5°C～3°C/sec之間，無鉛錫膏有人將升溫斜率調高到5°C/sec。

快速的升溫雖然有助助焊劑快速達到軟化溫度，並使得助焊劑可以快速地擴散並覆蓋到最大區域的焊點，也可以讓一些活化劑融入到實際合金的液體中。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﹐也會導致錫膏塌陷產生的危險。

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

建議相關閱讀：介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識

《小結》這段期間熱應力開始作用，水分也開始被氣化，升溫如果太快，

• 1)將導致爆板分層，
• 2)零件CTE差異過大者將導致零件變形，
• 3)PCB的不同銅箔區域可能出現溫差過大導致變形，
• 4)助焊劑揮發過快導致噴錫。

升溫如果太慢，

• 1)錫膏過度氧化
• 2)助焊劑揮發過多
• 3)錫膏坍塌

回焊爐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快慢有關係，下面一一說明：

1. 塌陷：

錫膏發生塌陷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，溫度上升將使得溶劑揮發，並增加黏度，但溶劑揮發量與時間及溫度皆成正比，也就是說給予一定的溫升，時間較長者，溶劑揮發的量會比較多。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：

當助焊劑迅速揮發成氣體時會迫不及待地往外逃逸，嚴重時會連著錫高一起噴濺往外帶，而在片式零件(small chip components)本體下方的小間隙就會帶出分離的錫膏，回焊時零件下方因為沒有焊墊可以吸引熔融的錫膏，再加上零件本體重量擠壓，於是分離的熔融錫膏就會從零件的本體下方冒出來並在其邊緣上形成小錫珠。

3. 錫球：

錫球其實與錫珠相似，黏在零件及引腳旁邊的稱為錫珠，其他的則稱錫球。升溫太快時，溶劑氣體會迅速的從錫膏中揮發出來並飛濺出錫膏，一旦錫膏沾附在PCB表面就會形成獨立的錫球。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. 焊錫燈芯虹吸效應(Solder Wicking Effect)不良現象：

這個現象是焊料在潤濕引腳後，焊料從焊點區域沿著引腳向上爬升，以致焊點及焊墊產生焊料不足或空焊的問題。其可能原因是錫膏在融化階段，零件腳的溫度高於PCB的焊墊溫度所致。可以透過微增回焊爐的下爐溫來提升PCB底部溫度或是延長錫膏在進入熔點前的時間來得到改善，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。

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5. 潤濕不良：

除了焊墊或零件引腳氧化外，回焊中的的潤濕不良還可能由焊接過程中錫粉被過度氧化所導致。可以藉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。如果有其他因素導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 或 Head-on-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。當燈蕊虹吸現象發生時，已融熔的焊錫將會往溫度比較高的位置移動，造成虛焊。如果是不潤濕的問題，也就是枕頭效應，這種現象是BGA錫球已經浸入焊料中，但並未形成真正的介金屬共化物(IMC)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。
請注意：HIP的形成的主要原因為PCB或BGA載板在回焊區之前變形，而不潤濕及氧化一般佔比不大。

相關閱讀：
BGA枕頭效應(head-in-pillow,HIP)發生的可能原因
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7. 墓碑效應及歪斜：

墓碑是由於零件兩端的焊點潤濕不平均所造成的，也就是零件兩端受力不均，類似虹吸現象，可以藉由延長錫膏在熔點前的時間，或是降低升溫的速率來改善，目的在使零件兩端的溫度在錫膏熔點前達到一致可以同時融化。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，而另一端的焊墊無接地，就容易造成不同的溫度出現在零件的兩端焊墊，當一方焊墊上的溫度先達到融錫溫度將錫膏融化後，因表面張力的拉扯，就會將零件立直(墓碑)及拉斜。
建議延伸閱讀：電阻電容小零件發生空焊及立碑(墓碑效應)的原因

8. 空洞(Voids)：

主要是因為助焊劑中的溶劑或是水被快速加熱後氣化，且在焊料固化前未即時逸出包覆在內所致。

吸熱區 (Soak zone)

一般將這個溫區被翻譯成「浸潤區」，但經白老師糾正，正確的名稱應該叫「吸熱區」，也有人稱之為「恆溫區」或「活性區」﹐一般RSS區線的這段幾近恆溫的溫度通常會維持在150±10°C左右，如果是SAC305無鉛錫膏溫度則大約維持在170°C+/-10°C。SAC305斜昇式(RTS)的溫度通常落在150～210°C之間。此溫區處於錫膏融化的前夕﹐錫膏中的揮發物也會被進一步去除﹐活化劑已經啟動﹐並有效的去除焊接表面的氧化物﹐此溫區的主要目的在使得不同大小、不同質地的零組件溫度能在進去回焊區前達到一致的溫度﹐讓板面溫度差△T接近最小值。如果把回焊區比喻為山頭，吸熱區就是在大戰前集結大軍，然後一舉攻下山頭。

（如果PCB上只有簡單沒有太多複雜的零件，比如沒有大顆BGA或其他大顆不易吸熱零件，也就是說零件間的溫度可以輕易達到一致，則建議採用「斜昇式曲線(RTS)」。拜現代科技進步之賜，如果回焊爐的效率夠好，可以快速地讓PCBA上所有零件的溫度均勻的話，也可以考慮採用「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。）

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此溫區的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。

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「液相化以上時間(TAL, Time Above Liquidus)」，也就是錫膏變成液態後的時間，你也可以簡單地把它理解為是液態保持時間或液態時間。當板子進入回焊區，焊料中的錫會與焊墊上的銅(Cu)或鎳(Ni)起到「化學反應」而形成金屬間的化合物Cu₅Sn₆或Ni₃Sn₄（事實上錫與銅或錫與金之間的擴散作用早就開始，但不明顯，直到焊錫變成錫液後才加劇）。以OSP(有機保護膜)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介金屬化合物(IMC)，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。

IMC的厚度在1-5μm都可以接受，但IMC太厚也不好，一般建議可以控制在1-3μm為最佳。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IMC將會變厚變脆、銅基地板子也可能繼續生成Cu₃Sn的不良IMC。ENIG表面處理的板子，初期則會生成Ni₃Sn₄的IMC，但也會生成極少的Cu₆Sn₅化合物。

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必須小心的是，溫度不可超過PCB板上任何溫度敏感元件的最高溫度和加熱速率承受能力。例如，一個典型符合無鉛製程的鉭電容具有的最高溫度在260°C時最多只能持續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25~35°C，熔點越高的錫膏，這個溫度差要越高（當然還得考慮時間因素，因為錫膏要從固態轉變成液態，還牽扯到「熔化熱」），這樣才能順利的完成焊接作業。溫度如果太低或時間太短，則極有可能會讓錫膏無法完全液態化而造成冷焊與潤濕不良的缺點。而回焊區(TAL)的時間一般建議錫鉛錫膏在30~60s之間，SAC305錫膏在60~90s之間。時間太短，錫膏可能無法完全潤濕，時間太長，零件可能損壞。

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/sec。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。

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SMT回焊前為何要先量測溫度曲線

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