开发焊接电子组件的回流焊温度曲线，就像在同一个烤箱、在同一温度下计算出烘烤火鸡、小鸡和虾的时间长度（烘烤曲线），不会使火鸡未烤熟或使虾烤焦了。然而，不同的是，电子产品采用不当的回流温度曲线比未烤熟的火鸡或烤焦的虾及令一些邀请来吃饭的客人失望更重要。
开发良好温度曲线的基本理念是确保所有焊点达到形成良好焊点所需的最低温度，但又不要超过最高温度，以防止损伤无器件或焊点。这可不是一个简单的任务，特别是电路板具有不同尺寸和不同热质量的元器件时：BGAs、插座、细间距元器件、BTC和0402/0201片式元器件，与火鸡未烤熟而虾却烤焦了的实例类似。
好消息是，我们有工具、技术和工艺来应对设定温度曲线的挑战。我计划在本专栏文章和几篇后续专栏文章中提供具体的指南和规则，以便为每种产品开发特有的温度曲线，不会损伤元器件，不会使电路板翘曲，并且尽可能减少与温度曲线相关的缺陷。更具体地说，我将：
- 概述各种类型的加热温度曲线，及开发其的目的、关键要求和挑战。
- 解释不同焊接区域（如预热区、升温区、回流区和冷却区）的重要性及其对焊接质量的影响。
- 讨论如何以及在何处连接热电偶，以达到不同焊接区域所需焊接温度的详细信息。
- 强调液相线以上时间（time above liquidus，简称TAL）和真TAL时间的重要性和二者之间的差异，以及它们对焊点质量的影响，尤其是对枕头式缺陷的影响。
- 为最常用的无铅（SAC和低温）、铅锡和混合合金的加热温度曲线提供具体建议。
- 讨论同一块板上有不同类型封装和合金的相互冲突的要求，并给出一些与温度曲线相关的缺陷示例。
什么是加热温度曲线？
加热温度曲线是当电路板以给定的传送带速度通过焊接炉或焊接系统的不同温度区域时，采用通过高温焊料、铜的连接到焊点上的热电偶，或采用铝带连接到电路板上选定代表性元器件的热电偶，测得的每个完全组装后的印制电路板组件（PCBA）特有的温度与时间曲线图。这句话的内涵很多，但我提到的一些关键点值得注意。
例如，需要使用一个完全组装后的电路板，而不是一个裸板或另一个可能看起来像电路板的板，是一个完全组装后的板，它要与正在分析的产品的热质量接近。使用的热电偶是用高温焊料或铜带或铝带连接的，而不是许多人使用的Kapton带。连接的位置是焊点本身，而不是其他任何地方，除非其他点，例如元器件的主体或裸板本身，对于某些温度敏感元器件或低Tg的PCB非常重要。甚至热电偶线的长度（大约1米）及线径（约为36）也是非常重要的，以免测得不正确的温度。
每种产品都需要一条特有的温度曲线。一条温度曲线不可用于所有产品，即使它们看起来很相似。原因很简单。每个PCBA都有特有的热质量。不同的电路板有不同的热质量，因为它们有不同的层数，接地层和电源层的数量和位置可能不同，它们也必定有不同类型的元器件。即使是同一块板，如果两面都有元器件，也需要两种温度曲线。例如，对于同一种祼电路板，如果一种组件是单面板，即只有一面装有元器件，而另一种组件是双面板，即板顶部和底部都装有元器件，这两种组件就需要不同的温度和传送带速度设置。把单面板想象成小鸡，把较重的双面板想象成火鸡。小鸡和火鸡需要非常不同的加热温度曲线，以防止烤焦或烤不熟。PCBA也是同样的道理。
什么是误导性的温度曲线？
未正确开发的温度曲线就是误导性的温度曲线。例如，使用裸板开发的温度曲线会产生误导性。你必须使用完全组装后的电路板。如果实际电路板和元器件不可用或成本很高，采用拒收的裸电路板和假元器件模拟实际元器件热质量形成温度曲线是一个很好的起点。
使用Kapton带连接热电偶形成的温度曲线会产生错误的温度，特别是因为它们在形成温度曲线过程中容易脱落。必须使用高温焊料或铜带或铝带连接热电偶。连接到PCB表面而不连接到焊点的热电偶也会形成误导性的温度曲线。切记切记，开发加热温度曲线是一个破坏性的操作，但只需要在产品的整个生命周期内执行一次。
开发温度曲线就像使用正确的DFM。只需要做一次（DFM和温度曲线开发）。但是，听到制程工程师抱怨DFM，不花时间（仅仅一个小时）为每种产品开发一条特有的温度曲线，真是令人惊讶。
加热温度曲线的用途和类型
为每种产品开发特有温度曲线的原因是什么？使用正确的温度曲线只有一个目的：减少缺陷和生产可接受的电子组件。是的，导致缺陷的原因有很多，正确的温度曲线并不是解决所有缺陷的灵丹妙药。电子组件中有许多导致缺陷的原因，但是加热温度曲线起主导作用。这是需要注意的最简单的事情，但很多人却不愿花时间开发。开发温度曲线有很多种方法，但开发温度曲线的正确方法只有一种，我在前面已提过。
有2种类型的温度曲线：升温到峰值（RP）和升温到保温再到峰值（RSP）。RSP和RP温度曲线之间的关键区别在于RP温度曲线没有浸润区。RSP温度曲线可以使PCBA的温度更加均匀，并且对于不同元器件的热质量变化较大的PCBA实现均匀温度非常有益。RSP温度曲线也可使焊点，特别是BGA焊点的空洞更少。
RP温度曲线可能会增加焊点空洞的发生，但可以将BGAs中的枕头式缺陷降到最少，枕头式缺陷是一种严重的缺陷。这是需要切记的。对于产品可靠性，空洞的存在并不是严重问题，但枕头式缺陷是开路，会导致电路板不能正常运行，所以它是不折不扣的缺陷。如果电路板上有BGA，需要担心的是枕头式缺陷而不是空洞。枕头式缺陷有很多原因——用一整篇专栏文章都不足以讨论这个主题，但至少使用正确的温度曲线是最容易处理的。
温度曲线中的各个区
在开发温度曲线时，我们只需要控制两件事：每个区域的传送带速度和温度设置。此外，在任何温度曲线中都有4个区域：预热区、升温区、回流区和冷却区。以下是每个区的简要概述。
- 预热区
预热区的温度可以在30℃至175℃之间。元器件供应商建议升温速率为每秒2℃至4℃，以避免对敏感元器件造成热冲击。这些指南被认为是保守的，因为一些电容器是波峰焊接的，可承受从接近120℃的预热温度到260℃的波峰焊槽温度。高的升温速率增加了生产焊锡球的可能性，因此，尽可能地将其保持在较低的水平，同时考虑电路板上温度敏感元器件的推荐升温速率。
- 升温区
升温区旨在使整个PCBA的温度升高到均匀的温度。升温区的推荐升温速率：Sn-Pb焊料为100℃至180℃，SAC焊料为140℃至220℃。升温区也是焊膏的助焊剂激活区。升温区温度过高导致的后果可能包括焊锡球、焊膏过度氧化导致的焊料飞溅和助焊剂活化能力耗尽（活化能力耗尽后助焊剂无法完成其主要功能，即无法去除氧化的表面）。此外，长升温区的目的是尽量减少空洞，特别是BGA和BTC中的空洞。
如前所述，通常的做法是不使用升温区，而是稳定地将温度从预热区升高到回流峰值温度。当回流温度稳定上升（RP曲线）至峰值温度时，可能会导致空洞增加。
- 回流区
回流区的峰值温度应足够高，以获得良好的润湿性，并形成牢固的冶金结合。但是，温度不应过高，以免导致元器件或PWBA损伤或变色，或者在最坏情况下，导致PCBA分层或烧焦。另一方面，温度过低可能会导致冷焊、颗粒化、焊料未熔化或金属间结合不良。作为一般经验法则，较高的峰值比较低的峰值温度更可取，以防止开路/不润湿。
对于SnPb焊料，建议回流区的峰值温度在210℃至220℃之间（最低绝对值为205℃）；对于无铅焊料合金，建议回流区的峰值温度在235℃至245℃之间（最低绝对值230℃）。总TAL应该为60秒至90秒，但接近60秒。焊料熔融点以上的持续时间（TAL）会损坏温度敏感元器件。这也会导致金属间化合物过度生长，使焊点变脆，降低焊点的抗疲劳性能。
- 冷却区
在冷却区内，各种材料将以不同的速度冷却。BGA封装的冷却速度通常比BGA焊点快，比裸板快得多。这种差异冷却可以在互连中最薄弱的地方，即BGA焊盘下面的层压板上产生机械应变，可能导致焊盘凹陷。
冷却速度越快，晶粒尺寸越小，焊点强度越高，但翘曲和焊盘炕裂的可能性越大。由于SAC焊料和无铅层压板的硬度增加，焊盘炕裂缺陷变得更加普遍。焊盘炕裂不仅取决于冷却速度，还取决于许多其他因素，例如更硬的无铅焊料和更硬的无铅层压板。实际上，在大多数回流焊炉中，打开和关闭冷却风扇是控制冷却速度的唯一选项，除非冷却区有吹入冷空气的选项。
开发温度曲线的挑战
温度曲线的开发过程中存在许多挑战。例如，所有焊点必须达到最低焊接温度（高于液相线15℃至20℃），以允许焊料表面润湿和形成金属间化合物，但同时不能超过最大峰值，以防止损伤。然而，有不同热质量的元器件（插座、BGA、片式元器件等）需要不同的热量。最低焊接温度基本上由最大元器件（如BGA）决定，但最高焊接温度却由较小且对温度敏感的元器件决定。
尽管不同的产品根据其热质量需要不同的热输入量，但所有产品必须在规定的时间周期（加热温度曲线）内达到最低温度（高于液相线的温度），同时又不能超过最高温度（不损坏任何元器件）。这是为每种产品开发特有温度曲线的关键原因。开发良好的温度曲线是一种平衡行为，以确保在较重的元器件中形成金属间化合物，而同时又不会导致较小元器件因过热而退润湿。
后续专栏文章
在后续的专栏文章中，我将介绍本文开头提到的回流焊温度曲线开发中的一些其他要点。
Ray Prasad是Ray Prasad咨询集团的总裁，也是教科书《表面贴装技术：原理与实践》的作者。Prasad还是IPC名人堂（电子行业的最高荣誉）的入选者，在SMT领域拥有数十年的经验，包括他在波音和英特尔担任实施SMT的领导角色，帮助全球的OEM和EMS客户建立强大的SMT基础设施，并开设各种级别的SMT专业课程。可通过邮箱smtsolver@rayprasasd.com与他联系。更多详情请访问www.rayprasad.com。如需阅读往期专栏，可单击此处。
