作者：樊融融
出版社：电子工业出版社
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现代电子装联再流焊接技术试读：
前言
随着PCB安装方式由传统的穿孔插入安装（THT）方式迅速向表面安装（SMT）方式转变，再流焊接技术也正在迅速发展成为现代电子设备自动化软钎接（以下均简称焊接）的主流技术之一。
再流焊接技术的本质是：通过加热将覆有焊膏区域内的球形粉粒状钎料熔化、聚集，并利用表面吸附作用和毛细作用将其填充到焊缝中而实现冶金连接的工艺过程。随着SMT的迅猛发展，再流焊接技术正逐渐取代THT时代的波峰焊接技术，进而成为高档电子产品板级组装互连中的关键性技术。尽管SMT的大量普及应用还是20世纪80年代末才开始的事，然而再流焊接设备在电子生产行业的拥有量，已超过了波峰焊接设备的拥有量。例如，2004年日本“阿尔派（株）”下属的从事电子组装、测试的OEM子公司“大仓阿尔派株式会社”配备的再流焊接设备与波峰焊接设备的比率当时就达到了16∶1。国内一些大型电子设备生产公司，其比率也基本上达到了（3～5）∶1的水平。由此可知，再流焊接技术的发展速度是惊人的。
从应用角度看，现代电子组装焊接技术是由焊接设备技术、焊接工艺技术两大领域共同构成的。它们作为整个系统的硬件和软件，是共同决定着电子组装焊接技术发展的两个轮子，只有两大体系相互关联、相互促进，才能同步地推进现代电子组装焊接技术的不断发展和完善。从整体水平评价，目前国内在这两个领域的现状是：前者核心技术水平低，长期运行的可靠性差，缺乏创新性；而后者研究水平也是很粗放的。
本书在深入分析驱动再流焊接技术不断发展和完善的动力的基础上，全面而系统地介绍了再流焊接设备的构成特点、设计要求及未来的发展走向；同时也探讨了其应用工艺技术的研究方向和内容、再流焊接质量控制方法和要求，对应用中可能岀现的各种缺陷的形成机理和抑制对策也做了较全面的分析。
撰写本书的目的，是为国内从事再流焊接设备设计的工程师们在自己的设计工作中，如何最大限度地满足用户的应用要求；为从事再流焊接工艺应用的工程师们提供一个实践指南。
本书的出版，得到了中兴通讯股份有限公司执行副总裁樊庆峰先生的热情支持，在此特表示深深的谢意。
在编写本书过程中也得到了中兴通讯股份有限公司高级顾问马庆魁先生、工艺技术部部长冯力博士、部件生产部部长钱国民先生及工艺专家贾忠中先生的关心和支持。基础工艺科科长刘哲高级工程师及我的技术助手邱华盛、孙磊、钟宏基、曾福林等高级工程师校阅了书稿，在此也向他们表示衷心的感谢。
由于时间仓促，作者水平有限，书中错误难免，敬请广大读者批评指正。
编著者
2009年4月于中兴通讯股份有限公司序
现代电子产品制造是连接现代电子产品设计和市场营销之间的桥梁，任何一种先进的产品设计，均需经过产品制造这一环节，变成设计所赋予的全部功能的产品实体后，再通过市场营销手段转变为社会商品。显然产品制造是一个企业生产实践活动的核心，是企业赢取利润的重要环节。
随着芯片封装技术多功能化和微小型化日新月异地发展，现代电子产品制造技术已与传统电子产品制造技术有了很大的不同，这种不同就在于前者中的板级电子装联部分愈来愈占据主导地位，它成了决定现代电子产品制造质量好坏和制造可靠性高低的基础。
现代电子装联工艺技术，是研究如何以最优化的工艺流程，最适宜的工艺技术手段，力求以最低的成本，最少的人力、物力消耗，以最快的时间来响应市场的需求，向社会提供制造质量好、可靠性高的现代化的电子产品的一门技术。因此可以说：产品的高质量、低成本既是设计出来的，更是制造出来的。
产品制造中的高质量、低成本策略的实施，要以人为本。造就一批既精通现代电子装联技术理论，又有丰富实践经验的现代电子装联工艺工程师群体，是企业工艺文化的核心，是市场竞争的需求，也是企业产品不断发展与创新的需要。
笔者根据现代电子产品生产实际的需要，撰写了这套“现代电子装联工艺技术丛书”，目的是让电子装联工艺工程师们，在面对现代电子产品生产制造过程中的问题时，不仅知道如何去处理，还要知道为什么要这样处理。
期待这套书的出版，能对国内从事现代电子装联工艺工程师们的工作有所助益。
中兴通讯股份有限公司执行副总裁第1章 再流焊接技术概论1.1 定义和特征1.1.1 定义
再流焊接是通过加热将覆有焊膏区域内的球形粉粒状钎料熔化、聚集，并利用表面吸附作用和毛细作用将其填充到焊缝中而实现冶金连接的工艺过程。
随着PCB安装方法由传统的穿孔插入安装（THT）方式迅速向表面安装（SMT）方式转变，再流焊接法也正迅速发展成为现代电子设备自动化软钎接（以下均简称焊接）的主流技术之一。1.1.2 特征（1）主要工艺流特征
再流焊接法的主要工艺特征是：先将膏状钎料印涂在PCB基板的焊盘区域，再将SMC/SMD搭载在膏状钎料上，并靠膏状钎料的黏性将其定位和固定。再加热使膏状钎料熔化，依靠重熔钎料自身的润湿力和表面张力将SMC/SMD的电极与焊盘熔合在一起，从而完成焊点的连接过程。其主要工艺流程如图1.1所示。图1.1 工艺流程（2）再流焊接的物理过程
当将焊膏置于一个加热的环境中时，焊膏再流分为5个阶段。
① 首先，用于调节所需黏度和印刷性能的溶剂开始蒸发，温度上升必须慢（大约3℃/s），以限制沸腾和飞溅，防止形成小钎料珠。另外，一些元器件对内部应力比较敏感，如果元器件外部温度上升太快，会造成断裂。
② 助焊剂开始激活，化学清洗行为开始，水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染物从即将结合的金属和钎料颗粒上清除，以获得冶金学上所要求的良好焊点的清洁表面。
③ 当温度继续上升时，钎料颗粒首先单独熔化，并通过表面的芯吸过程聚合在一起，以有利于在所有可能的表面上覆盖，并开始形成焊点。
④ 当单个的钎料颗粒全部熔化后聚合在一起形成液态钎料时，表面张力发挥作用开始形成焊脚表面，如果元器件引脚与PCB焊盘的间隙超过0.1mm，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成焊点开路。
⑤ 冷却阶段，如果冷却快，焊点强度会稍微大一点，但不可太快以避免引起元器件内部的温度应力。（3）焊膏的再流行为
再流焊接过程中焊膏的再流行为，对焊接效果有决定性意义。对焊膏的再流行为的描述如下。
① 室温——稳定印刷，粉粒间的助焊剂固住钎料粉粒。
② 大约90℃——胶黏剂迅速丢失，树脂软化变成流体，可塑性树脂熔解。
③ 大约150～170℃——树脂熔化流动；金属表面被洁净，并迅速地再氧化；溶剂丢失现象变得非常明显。
④ 钎料合金熔化——钎料粉结合；钎料合金在已有助焊剂的基体金属表面润湿，钎料以毛细方式进行流动。
⑤ 室温——在冷却期，钎料氧化；树脂残留物固化。（4）再流焊接过程中的温度特性
一种焊膏在再流过程中温度曲线的建立，是在综合考虑了焊膏、PCB和设备等诸因素之后的结果。对不同厂家生产的焊膏、不同的再流设备及不同的组装件，其再流的温度曲线都不是唯一的。尽管其曲线形状各有差异，但通常其温度区域的划分大致如图1.2所示。图1.2 温度特性
① A区（初始温度爬升区）。设置A区的目的是将PCB的温度尽快地从室温提升到预热温度，预热温度通常是略低于钎料的熔点温度。升温阶段的一个重要参数是升温速率，最理想的温度上升速率是2～4℃/s。上升速率太快易对PCB和元器件造成伤害甚至导致助焊剂发生爆喷；上升速度过慢，则溶剂挥发不充分。由于助焊剂中的溶剂都是高沸点物质，不可能快速地蒸发掉。加热速率通常受到元器件制造商推荐值的限制，为防止热应力对元器件的损伤，一般规定最大速率不能超过4℃/s，持续时间应在2min以内。
这一阶段PCB上不同的元器件的升温速率会有所不同，从而导致基板面上温度分布梯度的存在。但在此阶段，温度梯度的存在并无多大妨碍，因为此时所有点的温度均在钎料熔点温度之下。
② B区（温度渗透区或保温区）。设置温度渗透区的目的是：确保整块PCB在进入再流焊的钎料熔化区之前，其上的温度达到均匀一致。如果PCB是单一简单的设计，那么，在再流中热传导率是非常均匀的，此时就可以不需要温度渗透区。但是，通常情况是PCB上其中某一部分比另一部分更热。为了能让温度变得均匀，就不得不让温度保持为一个接近恒定的值，让较冷的部位通过热传导作用与较热的部分温度相同。对于温差小的PCB，可能只需设定一个渗透区；而对于复杂的PCB，则可能需要2个甚至3个渗透区。否则，在进入“钎料熔化区”前的渗透时间将不得不加长。PCB达到钎料合金熔点时所需要的时间，要保证助焊剂溶剂得到足够的蒸发，同时保证树脂和活性剂能够充分发挥作用来清理焊接区域以便去除其上的氧化膜。
决定温度渗透次数和位置的主要因素是PCB的设计和再流炉能提供的热对流程度。一般选择温度为70℃、100℃和150℃。通常保温区的温度范围可从120～175℃升至焊膏熔点的区域，此时，焊膏中的挥发物被去除，助焊剂被激活。理想情况是：到保温区结束时，焊盘、钎料球及元器件引脚上的氧化物均被除去，整个PCB的温度达到平衡。保温区的持续时间一般为80～90s，最大不要超过2min。
③ C区（钎料熔化区或再流区）。使PCB达到焊膏中钎料粉末熔点以上的“钎料熔化区”（以下简称“再流区”）是再流焊接温度曲线的心脏区域。PCB上任何没有达到钎料合金熔点的部位都将得不到钎接，而超过熔点太多的部位可能要承受热损伤，还可能引起焊膏残留物烧焦、PCB变色或元器件失去功能。超过钎料熔点温度的目的是使钎料粉粒集合成一个球，润湿被焊金属的表面。润湿是通过快速发生的毛细注入现象来完成的。当然，由于所有金属表面的氧化物和再流焊炉中的氧的妨碍，粉末钎料再流时的聚集和润湿过程是在焊膏中助焊剂的帮助下进行的，温度越高，助焊剂效率就越高，但再氧化速度也越快。
钎料合金的黏度和表面张力随温度的提高而下降，这有利于促进钎料更快地润湿。因此，理想再流焊接是峰值温度与钎料熔融时间的最佳组合。设立的温度曲线目标是要尽力使温度曲线的“再流区”覆盖的体积最小。如有铅钎料Sn37Pb等合金的典型温度峰值范围为210～230℃，钎料熔融时间为30～60s，最长不得超过1.5min。要特别注意的是：在再流焊接中进入“再流区”开始前，应尽可能使PCB上的每一个部位都趋于相同的温度是非常重要的。在再流区时间过短，助焊剂未完全消耗，焊点中会含有杂质，易产生焊点失效等问题；若时间过长，则焊点中会形成过量的金属间化合物而使焊点变脆，对元器件形成热劣化。
④ D区（钎料凝固区或冷却区）。焊膏中的钎料粉末一旦已熔化，并且已润湿了被焊的基体金属表面，应尽可能快地冷却，这样，就可获得光亮、敷形好、接触角小的优良焊点。缓慢冷却将使更多的基体金属溶入钎料，生成粗糙而暗淡的焊点，在极端情况下，还可能溶解所有的基体金属，导致不润湿和不良的结合强度。基于上述因素，冷却速度快些较好，例如5℃/s。然而冷却过快又易形成热应力而损坏元器件，因此冷却速度又不希望超过4℃/s。故必须根据生产现场具体情况，灵活运用，折中处理。1.2 再流焊接的基本工艺过程1.2.1 再流焊接的基本工艺过程与设备配置
概括地说，表面安装组件（以下均简称SMA）再流焊接工艺过程就是先将膏状钎料（以下简称焊膏）涂在PCB基板上，搭载元器件后再加热来熔化焊膏中的钎料而实现冶金连接的过程。根据上述定义，对SMA再流焊接工艺过程的描述与所用设备可表述于如图1.3所示。
分析如图1.3所示工艺过程可知，SMA在安装过程中最关键的工序是焊膏印刷、贴装元器件（SMC/SMD）和再流焊接3个工序。下面分析这三个工序的基本要求。图1.3 SMA安装工艺过程与所用设备1.2.2 关键工序简介（1）焊膏印刷
① 影响焊膏印刷质量的关键因素。
● 焊膏印制机的选择；常用的焊膏印刷机有手动、半自动、全自动3种类型。
● 焊膏印刷条件的掌握。
● 刮刀的速度、压力和角度的正确控制。
● 钢网的清洗处理。
● 钢网离开PCB基板速度的正确运用。
② 焊膏的选定。焊膏选择中应关注的参数是：
● 焊膏成分。
● 焊膏熔点。
● 粉状钎料的粒度。
● 粉状钎料的形状。
● 糊状助焊剂的组成和特性。
● 焊膏的氧化率。
③ 钢网的设计。
● 开口大小：开口与焊盘成一定比例。
● 钢网的种类：金属钢网或尼龙网板及聚酯网板等；
● 钢网厚度：0.1～0.4mm。
● 开口形状：具体如图1.4所示。图1.4 开口形状（2）贴装SMC/SMD
● 贴装机的贴装速度：贴装机按贴装速度可分为低速贴装机（贴装搭载率＜3000只/H）、中速贴装机（3000只/H＜贴装塔载率＜9000只/H）、高速贴装机（9000只/H＜贴装搭载率＜20000只/H）和海量贴装机（搭载率＞20000只/H）。
● 贴装精度：贴装机的贴装精度通常是指贴装精度、分辨率、重复精度3个含义的总称。
● 贴装机的适应性：适应性是贴装机适应不同贴装要求的能力，它包括能贴装的元器件类型、能容纳的供料器数目和类型及贴装机的可调整性等。（3）再流焊接
再流焊接亦称重熔焊接或回流焊接。根据同时加热范围的不同和差别，SMA的再流焊接法又可分为整体再流焊接法和局部再流焊接法两类，如图1.5所示。图1.5 SMA再流焊接法
① 整体加热再流焊接法。整体加热再流焊接法，又可分为以下几类。
● 远红外线辐射加热再流焊接。红外线是一种电磁波，其波长在0.7～10μm之间，其中大于 2.7μm 的称远红外线。远红外线热量的传递辐射只占 40%，其余 60%是靠对流得到的。
● 远红外加热和近红外加热并用的再流焊接。波长在0.75～2.7μm之间的红外线称为近红外线。近红外线的能量传递形式与远红外线不同，近红外线绝大部分是依靠红外线辐射传递能量的，而对流成分不到 5%。因此采用远红外加热和近红外加热并用的方式可以提高加热效率。通常面源板式辐射体产生的红外线波长为 2.5～5μm，能量传递方式以对流为主，而灯源辐射体产生波长为 1～2.5μm，其能量传递方式以辐射为主。
● 热风对流加热和远红外加热并用的再流焊接。随着SMA组装密度的提高和PLCC广泛的应用，工业上出现了一种把热风对流加热和远红外加热组合在一起的再流焊接系统。它是以远红外辐射对流传热为基础，通过耐热风扇或气体放大器等使炉内热空气循环。由于强力热空气循环导致SMA上方高温区温度下降，低温区温度上升而使炉腔内温度变得均匀，因而目前已成为再流焊接工艺中的主流技术。
● 热风对流加热和中、远红外加热并用的再流焊接。它是综合了中、远红外线（辐射和对流传热大致接近）和热风循环传热等固有特性而综合设计的一种再流焊接方式。
● 热风加热再流焊接。为适应BGA、超窄间距QFP、双面贴装SMA的工艺需要，近年来国外开发成功一种全热风再流焊接设备。它是用鼓风机将被加热的气体从多喷嘴系统喷入炉腔。这种结构确保了工作区宽度范围内温度分布均匀，能分别控制顶面和底面的热气流量和温度，实现在整个长度和宽度范围内温度分布的均匀性。在冷却SMA底面时，同时焊接SMA的顶面，实现了SMA双面再流焊接的目的，避免了已焊面上的焊点再熔化而使元器件掉下来。
● 饱和蒸气再流焊接（VPS）。饱和蒸气再流焊接又称气相再流焊接，与 IR、对流系统相比，蒸气凝集气体具有更好的热交换性能。因而允许在 PCB 上以较大的热容量进行均匀的热转换。
② 局部加热焊接法。
● 激光再流焊接法。近年来军事和空间电子装备中普遍采用了金属芯电路组件和热管式PCB。这些器件及SMA的热容量都比较大，采用红外线、热风、VPS等再流焊接法需增加加热时间，这将构成影响电子装备可靠性变差、连接缺陷增多的因素。因此，采用激光再流焊接法可快速地在待焊区上局部加热使钎料再流即可消除上述缺陷。
● 光射束再流焊接法。如红外光射束等。1.3 再流焊接设备概述1.3.1 对再流焊接设备的基本要求（1）温区
● 有铅再流焊接炉拫据不同产能的需求应具有 2～8 个独立控制区，小批量生产状况，温区数可靠近低端取值，而要求大产能时则应靠近高端取值。
● 无铅再流焊接炉拫据不同产能的需求应具有8～12个独立控制区，小批量生产状况，温区数可靠近低端取值，而要求大产能时则应靠近高端取值。（2）炉内温度的波动量
再流焊接炉连续工作时，应具有快速加热被焊元器件表面的能力以确保炉温稳定，炉温波动应小于±1℃。（3）炉内温度的均匀性
现代封装技术的发展，驱使再流焊接技术不断向微焊接技术逼近。因此，再流焊接炉温度不均匀性应小于或等于2℃，才能满足微焊点的焊接质量要求。（4）安装场地要求
再流焊接炉安装时应避开再流焊接炉的出、入口正对门窗或风源，以保证炉温稳定。（5）炉子排气量的选择
再流焊接炉排风能力的选择，应在不影响正常的焊接工艺过程的前提下，充分考虑抵御外部恶劣气候环境的影响能力。（6）防静电要求
● 再流炉应有完善的静电泄放能力，不会形成静电积累。
● 为防止设备运行时产生静电对元器件的损坏，设备的防静电接地不能和电网的地线混用。1.3.2 再流焊接法的演变及其特点
再流焊接法的出现就其历史而言，并不短于波峰焊接法，其演变大致可分为如下几个阶段。（1）电阻炉加热再流焊接法
电阻炉是再流焊接法在发展初期所常用的一种加热工具，整个被焊装配件在电阻炉中被整体加热到钎接温度。把热量引入被焊工件的速度是非常重要的参数，此外，被焊工件应当在助焊剂活化温度下及焊点接头形成温度下保持足够长的时间。另外，还要特别注意，焊点在冷却过程中不允许被焊零部件相互移动，以避免形成扰动焊点。这就要求使被焊件通过加热炉的传输带运动要极为平滑，不能有任何的振动和抖动，而且钎接过程完成后，使焊点冷却的那一段运动距离要足够长，以使焊点有足够的时间冷却到钎料的固相线温度。
电阻炉再流焊接方式，炉内温度分布均匀性差，热效率低，温度控制精度较差。因此，现在采用纯电阻炉进行再流焊接已经极为罕见。（2）远红外线加热再流焊接法
远红外线是具有3～10μm波长的电磁波。通常PCB、助焊剂、元器件等的封装材料都是由原子化学结合的分子层构成，这些高分子物质因分子伸缩、变换角度而不断振动。当这些分子的振动频率与频率相近的远红外线电磁波接触时，这些分子就会产生共鸣，振动就变得更激烈。频繁振动发热，热能在短时间内能够迅速均等地传到整个物体。因此物体不需从外部进行高温加热，也会充分变热。图1.6给出了采用面状远红外加热器的再流焊接炉的断面结构。图1.6 面状远红外线加热再流焊接炉断面结构
远红外线加热再流焊接的优点是：被焊件产生的热应力小，热效率比电阻炉高，因而可以节省能源。由于这种设备体积一般都比较小，所以安装占地也小。其缺点是：由于红外线照射，被照射的同一物体表面呈均匀的受热状态，像金属那样导热好的物体，温度上升会稍慢些，而且被同时照射的各个物体，因其表面色泽的反光程度及材质不同，彼此间因吸收热量的不同而导致温度差，个别物体因过量吸收热能而可能出现过热现象……。这一切在应用中都是应该关注的因素。
由于远红外线加热再流焊接炉，对于像PLCC、BGA这一类封装的器件，其引脚通常都是隐藏在器件本体的底面，远红外线不能照射到，存在遮蔽效应；而对于较大的PCB从其中心到边缘位置可能产生很大的温度差异，同时易受元器件位置分布的影响，故不适合于要求较高的PCB的组装焊接。（3）强制热风对流加热再流焊接法
强制热风对流再流焊接是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环，从而实现对被焊件加热的一种再流焊接方法。该类设备自20世纪90年代开始兴起，由于采用此种加热方式的PCB基板和元器件的温度接近给定的加热区的气体温度，因而克服了红外再流焊接的温差和遮蔽效应，目前应用较广。
在强制热风对流再流焊接设备中，循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体能作用于PCB的任一区域，气流必须具有足够快的速度。这在一定程度上易造成薄型PCB基板的抖动和元器件的移位。此外，采用此种加热方式就热交换方式而言，效率较低，耗电也较多。图1.7给出了非远红外线加热器的纯热风再流焊接炉的基本结构。图1.7 非远红外线加热器纯热风再流焊接炉结构示意图
图1.8为上、下完全对称，可以对PCB的两面同时进行再流焊接的热风再流焊接炉的基本结构。图1.8 上、下对称热风再流焊接炉的基本结构
这种方式的热风再流炉具有下述特征。
① 加热器寿命长，不易被助焊剂污染而导致性能劣化，因而维修性能好。
② 温度控制的对象是位于PCB基板上、下的热空气温度，所以基板和元器件比较安全。
③ 不存在远红外线加热时助焊剂的过热现象，因而气孔少，润湿性能好，焊接效果得到改善。
④ 不存在元器件因外表色泽的差异，受元器件表面反射的影响小，所以元器件间温差小。
⑤ 特别适合像PLCC之类的从底部引线的器件、线圈等，可进行立体化再流焊接。
缺点是：
① 影响风速分布的整流网结构复杂。
② 热传输性比远红外线差，因而生产效率不如远红外线加热方式高。
③ 由于热传输性小，因而受元器件体积大小的影响，各元器件间升温速度的差异变大。因此，作为大的像QFP器件焊接的可能温度相对体积小的DIP及片状元件来说，就可能接近最大极限温度。
美国BTU国际公司在 IRS系列再流焊接系统中所采用的高效能循环热传导设计中，由于不用风扇而采用BTU的专利技术——气体放大器，如图1.9示，使气体消耗降到最低。VIP系列气体放大器由BTU推出，用于中、小规模的SMT焊接生产，它采用气体放大器与风扇相结合的设计。图1.9 气体放大器剖面示意图
Speed Line集团开发了一种独特的Nitro Cool系统，它使用气流放大风刀来产生高速的气流充当热交换介质。循环气流通过风刀而不是通过热交换器，以此来减少被阻塞的概率。在风刀上集成有自动清洁装置，使得气量在被阻塞物减弱之前，就将助焊剂沉积物清除干净。因此，当其他设备的热交换器和鼓风机逐渐被助焊剂污染时，这套系统可以提供一个恒定不变的冷却速度。Nitro Cool系统还可以引导集中助焊剂管理系统里冷却的冷气流，以进一步增强冷却的性能与效率。（4）远红外线—热风再流焊接法
再流焊接就是将数以万计的元器件焊接在PCB基板上。若在一块PCB上同时存在质量不同、大小不等的元器件，就会形成温度的不均匀性，热容量、面积及辐射率的巨大差异也会导致温差。前面阐述以辐射为主的再流焊接炉能够达到较低的温差。自然对流再流焊接炉实际上是以辐射为主的再流焊接系统，而强制对流再流焊接炉才是真正意义上的以对流为主的系统。炉体内有一定比例的辐射能既可明显提高生产效率，增加生产柔性，同时还可减小氮气的消耗（对充氮机而言）。在一定的加热温度下，无论热风的强弱，其所达到的最高温度值均相同。强制对流导热率高的主要优点是：在一定温度下，相同时间内所产生的对流交换热量与总交换热量均较大，可使炉内温度迅速达到峰值温度，以缩短钎料的液态时间。在加热过程中，加入一定的辐射能还可解决较低温度下PCB表面的温度均匀性问题。以最小成本达到最高产量的最佳方案是：采用较低的加热温度，选用占相当比例的辐射能与高对流导热率相结合的加热方式。这一点对氮气保护再流炉更为重要，这就导致了远红外线—强制热风循环加热再流焊接方式的应运而生。图1.10给出了采用远红外线加热器和强制热风循环的再流焊接炉的基本结构。图1.10 使用远红外线加热器的强制热风循环的再流焊接炉结构示意图
用远红外线—热风进行再流焊接的优点是：
① 炉内温度分布的均匀性容易实现。
② 热传导性能好，适用于大批量生产运行。
③ 由于远红外线能对基板、元器件内部同时进行加热，所以由元器件封装大小的不同而引起的元器件间的温差小。
我们以Solsys-Reflow的加热结构来说明其工作原理，Solsys-Reflow的横截面结构如图1.11示。图1.11 Solsys-Reflow炉截面
炉内结构说明：
① 上、下都安装远红外线管状加热器，为了实现形成PCB基板温度＞导线温度＞元器件本体温度的温度差异，故采用了从底座下面加热。
② 从上部加热器小孔吹向PCB基板的空气是层流，把层流空气吹到PCB基板平面后，产生紊流效果，可以使藏在PLCC等本体下的导线部分也受到加热空气的加热，如图1.12所示。图1.12 PLCC的加热过程
图1.12加热方式的特点是：
● 远红外线能给PCB基板、元器件引线、元器件本体施以温差。
● 用远红外线给空气加热，空气循环量少，同一炉内能迅速地交换热量，不必使空气过度循环。
● 空气循环量少，循环容积也小，所以温度上升快。
● 远红外线电磁波具有自净作用，助焊剂不会污染炉内腔，远红外线的电磁波能分解助焊剂内的树脂成分，因而不会污染加热器、螺旋桨叶。
红外线—强制热风循环再流焊接是一种将热风对流加热和远红外线加热组合在一起的加热方式。它集中了红外再流焊接法和强制热风对流再流焊接法两者的长处，即它既充分利用了远红外线穿透力强、热效率高、节电的特点，有效地克服了远红外线再流焊接的温差和遮蔽效应，又弥补了热风再流焊接对气体流速要求过快而带来的影响。扬长避短地加以组合，因此是目前较为理想的复合式加热方式。（5）气相再流焊接
气相再流焊接（Vapor Phase Soldering，VPS）也称饱和蒸气再流焊接，是由威斯坦电气公司（Westen Electric）研制出来的，它是利用高沸点、热稳定性好、抗氧化的氟系列碳氢化合物作为传热介质，将液态氟碳氢化合物加热到沸腾状态，并在系统设计时采取措施，使得比空气重的沸腾蒸气保持在设备内。当系统达到平衡时，蒸气的温度等于液体的沸点温度，而且在加入被焊PCB组件之前一直保持该温度；当把被焊的PCB组件加入后，其所有表面立刻充当了冷凝片的作用；当蒸气在组件表面上转变为液体时，放出其蒸发潜热；当该热传导率过程停止时，组件温度升高到液体的沸点温度，因为组件的所有表面均参与了传热过程，而且传热方式相似，所以可以在相当短的时间内加热被焊组件，从而达到很高的经济性；被焊组件一旦达到了钎接温度，就可以慢慢地把被焊组件从蒸气中抽出，焊膏中球状钎料微粒重熔后析出的助焊剂残留物，经过蒸气液化后的清洗作用，能同时达到对被焊组件的净化目的和要求。
该焊接方法研制出来的最初几年，由于处理液价格高昂且货源短缺，未能充分利用。直到1977年3M公司研制出“Frorient FC-70”处理液，综合技术公司（Hybrid Technologycorp）利用此成果向工业部门正式推出了商用机型，其结构模型如图1.13所示。图1.13 气相再流焊接设备示意图
图1.13中用加热线圈对FC-70及其他液体加热使其蒸发，使容器中充满饱和蒸气（FC-70的沸点为215℃）。此容器的上部装有冷凝用的螺旋管线圈，以阻止蒸气跑掉。假如把PCB组装件插入到FC-70液体和冷凝线圈之间，由于PCBA的相对温度低，蒸气就会凝聚，放出汽化潜热并传递给PCBA而完成钎接过程。助焊剂的残留物也从PCBA表面被冲洗掉，并经过滤器滤出，FC-70可以一直重复使用。由于FC-70较贵，为防止它跑到大气中，故用沸点低的二次气体（氟利昂JF，沸点为47.5℃）覆盖在一次气体的上面，像盖子一样将FC-70蒸气封在下面，以防止一次气体蒸发掉。
如图1.14所示是能适用工业大生产运作的自动传送方式的气相再流焊接设备结构示意图。图1.14 自动传送方式的气相再流焊接设备结构示意图（6）激光再流焊接
激光束为我们提供了另一种适用于表面焊接的辐射加热方法。激光可以在比较短的时间内把被焊表面加热到润湿温度。采用这种加热方式时，遇到的主要困难是：如何在正确的焊接操作顺序和最短时间加热两个被焊零件的条件下，把激光束对准特定的目标区。
激光在PCB焊接中的典型应用是采用波长在10μm以内的激光束（不可见光）进行焊接，该激光束由专门用于软钎焊的 50W 二氧化碳激光器产生。为了把激光束精确地定位于焊接区，通常都是采用数控方式。激光再流焊接速度可达3个焊点/s。1.3.3 再流焊接炉的炉型结构
常见的再流焊接炉总体结构主要分为加热区、冷却区、气体控制系统（炉内气体循环装置和废气排放装置）及PCB传送4大主体部分，当然，随着加热方式的不同，其组成结构也会有所不同。下面将分别对其做出介绍。（1）加热区
① 热风加热再流焊接炉。
a.总体结构。热风再流焊接炉总体结构主要分为加热区、冷却区、炉内气体循环装置、废气排放装置及PCB传送5大主体部分，如图1.15所示。图1.15 热风再流焊接炉总体结构示意图
b.加热区结构。热风再流焊接炉炉体内每一个加热区的结构都大致相似，如图1.16所示。图1.16 热风加热区的结构
在上、下加热区各有一个电动机驱动叶轮高速旋转，产生空气或氮气的吹力。气体经加热丝或其他材料加热后，从多孔板里吹到PCB上。有的再流炉的电动机转速是可编程调节的，如VITRONICS的电动机转速可为1000～3000r/min，而有的再流炉的电动机转速是厂家出厂时已固定的，如BTU的再流炉出厂时已设定为最高转速约为3000r/min。电动机转速越大，风力越大，热交换能力越强。通过测量气体吹出的风压，可以监控电动机的运转是否正常。由于再流过程中焊膏中助焊剂的挥发，可能凝结在叶轮上，降低风的效率，导致温度再流曲线发生变化。因此有必要定期检查和清洁叶轮。
炉体分为上、下两个密封箱体，中间为传送带。部分炉体的长度主要根据加热区和冷却区的多少而不同，目前的再流炉的加热区有4～12个。根据产能要求的不同，有铅再流焊接炉可选4～8个加热区，无铅再流焊接炉可选8～12个加热区，其中再流区有1～3个。每个温区的温度可编程设定，一般可设定温度范围从室温到275℃（视厂家而定），再流焊接炉另一个重要的区别在于它是否具备充氮气焊接的能力，或是只能在空气环境下焊接。冷却区有1～2个。用户一般可根据自己的用途来选择炉体的长短和炉子的气体环境要求。典型的纯热风加热再流炉的外观如图1.17所示。图1.17 纯热风加热再流炉的外观
② 红外线加热再流炉。
a.总体结构。红外线加热再流炉主要由加热区、冷却区、红外线加热器、废气排放装置及PCB传送等部分组成，如图1.18所示。图1.18 红外线再流焊接炉总体结构示意图
b.加热区结构。作为红外线加热器的热源，加热区是在棒状和板状的红外发热体中埋入普通的加热器构成的。红外线加热器的技术特性，请参阅第3章，此处不再重复。
③ 红外线和热风复合加热再流炉。
a.总体结构。红外线和热风复合加热再流炉的总体结构如图1.19、图1.20所示。图1.19 红外线和热风复合加热再流炉总体结构示意图（一）图1.20 红外线和热风复合加热再流炉总体结构示意图（二）
在工业中运行的红外线和热风复合加热再流炉的外观如图1.21所示。图1.21 红外线和热风复合加热再流炉的外观
b.加热区结构。红外线和热风复合加热区热源的配置和传热形式如图1.22所示。此处的远红外线加热方式可区别为主动式或被动式，对其详细的介绍可参阅本书的第3章。图1.22 红外线和热风复合加热区热源的配置和传热示意图
④ 加热区温度控制。再流炉的每一个加热区的温度控制都是独立的闭环控制系统。温度控制器通过PID控制把温度保持在设定值。温度传感器采用的热电偶通常都是装在多孔板的下面，感应气流的温度，如图1.23所示。图1.23 加热区温度控制框图
如果加热区的温度出现异常，例如不升温或升温缓慢，一般需要检查固态继电器是否正常，检查加热区的加热器是否老化需要更新（一般使用多年的再流炉容易出现这个问题）；若出现温度显示错误，一般是热电偶线已损坏。（2）冷却区结构
PCB经过再流焊接后，必须立即进行冷却，才能得到很好的焊接效果。因此在再流焊接炉的最后都配置有冷却区。冷却区的结构是一个水循环的热交换器。冷却风扇把热气吹到循环水换热器，经过降温后的冷气再吹到PCBA上。热交换器内的热量经循环水带走，循环水经降温后再送回换热器，如图1.24所示。
由于在冷却系统中，助焊剂容易凝结，因此必须定期检查和清除助焊剂过滤器上的助焊剂，否则热循环效率的下降会削弱冷却系统的效率，使冷却变差，导致产品的焊接质量下降。过热焊接的PCBA的长期稳定性会下降。
虽然不同厂家的再流炉的冷却区的结构不尽相同，但其基本的原理是一样的。冷却区一般有单面冷却和双面冷却两种结构。单面冷却是指只在传送带的上面装有冷却系统，而双面冷却则是在传送带上、下两面都配置有冷却系统。图1.25和图1.26是BTU再流焊接炉中所釆用的冷却器的结构。由图中可以看出冷却区由热交换器和冷却风扇组成。一般而言，用单面冷却就可以满足普通PCBA的冷却需要。图1.24 水循环热交换器工作原理图1.25 冷却区的单面冷却结构图1.26 冷却区的双面冷却结构
图1.27和图1.28分别给出了BTU的普通及无铅再流焊接炉的外形结构。（3）气体控制系统
气体控制系统包括两个方面，一个是再流焊接需要气体的加入，另一个是炉内废气的排放。气体注入分为两种：一种是氮气（N），2另一种是压缩空气。氮气炉一般密封极严，以防止炉外的氧气进入炉体。氧气含量是氮气炉的关键，它的大小影响到元器件焊接质量。通过将炉体采样气体口连接氧气含量测试仪可以精确测量炉区内氧气含量。一般好的炉内的氧含量低于50ppm。当不需要使用氮气时，炉内应注入压缩空气保持炉内的气体需要。炉内废气（包括助焊剂的挥发物、再流焊接产生的废烟）应不断地排出炉外以维护炉内的正常气体环境和保护操作工的健康。炉体的排气管应与整个工厂的排气装置相连。图1.27 BTU普通热风再流焊接炉外形结构图图1.28 BTU无铅热风再流焊接炉外形结构图（4）PCB传送带结构
再流炉的传送装置一般有两类，一类是网式传送带，另一类是轨道式传送带。根据产品需要用户可自己选择。一般的再流炉同时带有这两类传送带，以方便用户使用。传送带的转速是可编程的。由于带速直接影响再流焊接的温度曲线，因此带速的稳定性是至关重要的。再流焊接炉的带速控制也是闭环控制系统，如图1.29所示，通过控制传送带的驱动电动机的转速来控制带速。
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