SMT基础知识丨SMT 回流曲线Reflow Profile工艺规范

文摘科技 2024-10-24 23:59 广东

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首先来看下焊接过程的视频：

PCBA制造工艺规范-

SMT Reflow Oven Profile回流焊接规范

PCBA互联密度发展时间轴：

成熟的POP（Package on Package，叠层封装技术/堆叠封装技术）

1 通用要求

无铅回流工序通用要求
回流炉温区数量	回流炉的温区数量要求≥8，优选≥10，水冷≥风冷
回流曲线Reflow Profile测量	1) 推荐采用KIC测温系统或Datapaq测温系统进行回流曲线测量； 2) 原则上，仅允许使用设备厂商推荐和许可之热电偶； 3) 须根据供应商提供的保养操作指引，定期对炉温曲线测试仪检查和维护； 4) 炉温测温系统使用注意事项：热电偶测温系统需用耐高温隔热套保护；热电偶和校正板接触的位置；计算机和测试仪接口软件的及时升级；
炉温曲线测量	量产产品的炉温曲线要求每天测量一次或使用实时监控系统在线监控；试产产品的炉温曲线要求每次上线前进行测量；测温同产品实际加工时托盘、盖板、压块等附加一致(即加工带工装的，测温时也要有)，双轨T、B面分别制作炉温板测温。
氮气回流残氧量要求	1) 使用5号粉及更小粒径锡膏、有P芯片\三明治及单板工艺特殊说明指导书要求的，PCBA必须采用氮气回流； 2) 从锡膏助焊剂参与反应的时间点开始到反应结束回流炉满足残氧量管控范围，最低要求PCBA回流过程在“165℃--峰值温度结束”的连续温度区间内残氧量实测满足2000±1000ppm 。 3) 残氧量分析仪要定期校准。
助焊剂回收系统	1) 在保证被焊件不受污染的情况下，能维持24小时连续工作； 2) 炉膛内的清洁、保养周期应≤2周；

2 回流炉测温板要求

2.1 产品测温板制作要求

热电偶安装位置选择：

大的器件下面、热容量高的器件表面通常是温度最低的位置，如CSP和LGA；
当组件被安装在RF-shields下面时，其温度会更低，成为PCBA上的冷点；
温度最高的位置通常是PCB裸露着的表面，小组件或是组件的表面。
为能够更好的观察产品的profile，测温板至少4-6个位置上安装热电偶。

影响回流曲线的关键因素包括：工装使用、吸热器件(如数据卡产品的USB接地焊端)、器件密度、一体式屏蔽罩等，在终端产品范围内，其它因素对炉温曲线影响较小。

热电偶安装要求：

在组件下面安装热电偶时，最好是先钻一个孔，然后穿过孔安装热电偶；
安装热电偶时，必须保证在非隔热区域线与线之间不能接触，同时尽量避免线接触到孔内的铜层，这样才能得到欲测位置的温度；
热电偶安装到组件上表面时，应使用少量的隔热胶或者隔热带。
热电偶固定方法：推荐采用红胶固定，可选高温合金(>260℃)或PI胶带固定。
POP Profile炉温板制作时必须在POP上下层芯片之间（从顶层芯片向底层芯片侧钻孔），下层芯片与PCB板之间（从芯片背面的PCB侧向芯片侧钻孔）设置测温点热电偶。
POP单板过炉前需保证氮气打开时间不低于20分钟，氮气残氧量范围要求为500-2000ppm；

POP热电偶选择位置示意图

2.2 产品测温板使用要求

炉温板报废标准(测试前对测温板进行点检，点检不合格维修，维修不合格后报废)：

测温板出现PCB分层、起泡、2个及以上边角翘角无法正常过炉、折板、50%以上面积冒黑油等异常现象；
相同参数设置条件下，新制作的和使用一段时间以后的测温板，同一测试点所测得实际温度相差达±5℃的状况。

每次测量前，需要炉温测试板进行检验，包括热电偶是否松动，关键器件是否松脱，PCBA是否严重变形/分层等。若热电偶松动、关键器件松动，要及时调整、固定。

原则上，炉温测试板总使用次数为，每测试45次需要报废重新申请再制作。

3 炉温曲线定义和要求

RSS/RTS回流炉温曲线的区别

终端产品无铅回流曲线要求见下表：

无铅回流曲线要求

参数	典型值	推荐值
推荐回流曲线类型	线性回流曲线(RTS)	/
预热温升要求 (＜165°C)	≤2℃/s	/
均温区要求 (165°C到217°C)	60~100 s	70-90s
最低回流峰值温度*	230°C	240±5°C关键组件之间的温度差<10°C
最高回流峰值温度*	250°C	240±5°C关键组件之间的温度差<10°C
液态线(217°C) 以上时间*	45-80s	/
液态线(227°C) 以上时间**	45~90s (峰值温度235~240°C)30~90s (峰值温度240~260°C)	/
从200°C到220°C时间***	30~70s	/
230°C以上时间	25-50s	35-50s
冷却阶段的斜率1(T=最高峰值温度-217°C)	-1.6~-3℃/s	-1.6~-2.5℃/s
冷却阶段的斜率2 (T=217-120°C)	-2~-5℃/s	范围内斜率越大越好
从50°C到217°C时间	150-240s	/
回流炉温区数量	≥8	≥10
注：最大温度斜率的计算应该是最少间隔5s

注：上表中*标记内容：

CEM-1板材的最低回流峰值温度为230℃，最高回流峰值温度为235℃，液相线以上时间为25~50s；建议固定台模块的二次组装的峰值温度不超过235℃。低银锡膏的最高回流峰值温度可放宽到260℃。

**标记内容仅针对低银锡膏；

***标记内容仅针对SAC305锡膏。

典型无铅回流曲线示意图

引用标准JSTD-001所述，预热温度不得降低印制板、元器件或焊接性能，且需实际测量所设最冷焊点和最热焊点的真实温度。
助焊剂/锡膏和元器件供应商对于特定材料通常会有推荐的工艺温度窗口，在条件允许的情况下，在生成温度曲线Profile时必须予以优先考虑。
通常情况下，PCBA上的最热点为chip类片式焊点，最冷点为大BGA或LGA类焊点；
Profile曲线调制中，还需要满足PCBA 上元器件的封装体耐温要求。

参考文献标准如下：

群焊工艺温度曲线指南(回流焊和波峰焊)测温方法按照 IPC-7530标准；
热风再流焊系统特征描述及验证规范 IPC-9853标准；
再流焊炉工艺控制标准 IPC-7801标准；
封装体耐温标准按照 IPC/JEDEC J-STD-020标准；
封装体测温方法按照 JEP 140标准；
适普，铟泰无铅锡膏回流焊炉温参数设定要求；

针对含有POP的产品，无铅回流曲线Profile要求见下表：

参数	规格值
推荐回流曲线类型 RTS>RSS	线性回流曲线 (RTS)
预热温升要求(＜165°C)	≤2℃/s
均温区要求(165°C到217°C)	70~90 s(推荐70~85s)
最低回流峰值温度	240℃
最高回流峰值温度	248℃
从200°C到220°C时间*	30~70s
液态线(217°C)以上时间	45-80s
230°C以上时间	25-50s
冷却阶段的斜率1 (T=最高峰值温度-217°C)	-1.6~-3℃/s
冷却阶段的斜率2 (T=217-120°C)	-2~-5℃/s
回流炉温区数量	≥10

注：上表中*标记内容仅针对通用型SAC305锡膏。

SnPb 焊料合金， SAC305 焊料合金和混合合金温度曲线对比：

曲线内容

SnPb合金曲线

混合/向后兼容曲线

无铅合金（SAC305）/向前兼容曲线

混合SAC合金（SAC305/SAC105)曲线

合金固相线温度

183°C

217°C~220°C

217°C~227°C1

目标合金峰值温度范围

210°C~220°C

228°C~232°C

235°C~245°C

240°C~245°C

绝对最小再流峰值温度

205°C

228°C

230°C

235°C

元器件升温斜率

2°C~4°C每秒

元器件降温斜率

2°C~6°C每秒

保温或预热活化温度

100°C~150°C

150°C~200°C

保温或预热活化时间

60 秒~120 秒

60 秒~150 秒

液相线以上持续时间

60 秒~90 秒

峰值温度持续时间

最多20 秒

最少20 秒

最多20 秒

最少20 秒

所用焊膏

锡铅SnPb

无铅(SAC305)

SMT 元器件类型

所有的 SMT 类SnPb和无铅元器件，但无铅BGA 焊球除外

所有的SMT 类SnPb 和无铅元器件，包括SAC 无铅BGA 焊球

所有元器件包括BGA 都是无铅，包括含有SAC305 无铅BGA 焊球的

BGA

所有元器件，包括 BGA都是无铅，但是是含有 SAC105无铅BGA 焊球的BGA，而非含有SAC305 的BGA 焊球

采用此峰值温度的理由

无铅表面处理的BGA 器件在205°C熔化没有问题。

所有的SnPb 表面处理都含有90% 的锡；无铅表面处理接近含有100% 的锡，并含有一些其他无铅元素，如铋

需要采用一个折中的温度，使 SnPb 元器件不过度受热，具有217°C~220°C的熔点的无铅SAC BGA 焊球能熔化，塌陷，并完全与SnPb 焊膏熔融。

较低的峰值温度可能会引起SAC BGA 焊球不熔化或只部分熔化，增加HoP、开路发生率以及较差的可靠性。

所有的元器件都是无铅的，可以承受更高的温度。

然而太高的峰值温度可能引起BGA球脱落，开路，退润湿和PWBA 翘曲。

同时为了进行MSL 等级评价，大BGA 器件要在最高 245°C温度下测试。

所有的元器件都是无铅的，可以承受更高的温度熔点为227°C的无铅SAC BGA 可以熔化，塌陷，并完全与SAC305 焊膏熔融。较低的峰值温度可能会引起SAC105 BGA 焊球部分熔化，这会增加HoP，开路发生率以及较差的可靠性。

然而太高的峰值温度可能引起 BAG 球脱落，开路，退润湿和PWBA 翘曲同时为了进行MSL 等级评价，大BGA 要在最高245°C温度下测试。

注1. 当使用熔点为227°C的SAC105 BGA 焊球和熔点为217°C~220°C的SAC305 焊膏时

注2. 关于混合合金/ 向后兼容焊接详见 IPC-7095

注3. PWBA 上的最低温度

注4. 与元器件和 / 或焊膏供应商确认

SAC 合金， SnBi (低温)合金和含树脂的 SnBi 焊膏的曲线对比：

曲线内容	SAC305焊膏温度曲线	SnBi低温焊膏温度曲线	含树脂的SnBi低温焊膏温度曲线
合金固相线温度	217°C~220°C	139°C~140°C	139°C~140°C
目标合金峰值温度范围	235°C~245°C	160°C~200°C	160°C~180°C
绝对最小再流峰值温度	230°C	160°C	160°C
元器件升温斜率	2°C ~4°C每秒	1°C ~3°C 每秒	2°C ~4°C每秒
元器件降温斜率	2°C~6°C每秒	2°C~6°C每秒	2°C~6°C每秒
保温或预热活化温度	150°C~200°C	100°C~120°C
保温或预热活化时间	60 秒~120 秒	30 秒~90 秒	无(防止树脂过早固化)
液相线以上持续时间	60 秒~90 秒	30 秒~90 秒	60 秒~210 秒
峰值温度持续时间	最多20 秒	最多20 秒	变量
后再流树脂固化温度	N/A	N/A	125°C~130°C
后再流树脂固化时间	N/A	N/A	130 秒~240 秒
所用焊膏	无铅(SAC305)焊膏	不含树脂的SnBi(共晶或非共晶)低温焊膏	含树脂的SnBi(共晶或非共晶)低温焊膏
SMT元器件类型	所有元器件，包括无铅BGA，包括有SAC305无铅BGA焊球的BGA。	所有元器件，包括无铅BGA，包括有SAC305无铅BGA焊球的BGA。禁止使用有SnPb 焊料球的BGA。	所有元器件，包括无铅BGA，包括有SAC合金的无铅BGA焊球的BGA。禁止使用有SnPb 焊料球的BGA。

注 1. PWBA 上温度最低的元器件

注 2. 与元器件和 / 或焊膏供应商确认

注 3. 一些含树脂的焊膏需要延长温度曲线中再流阶段的时间来固化树脂；其他的使用温度曲线中的 TAL 阶段固化树脂。

上述推荐的回流曲线适用于大多数锡/银/铜(SAC)的无铅合金，包括SAC305(965Sn/3.0Ag/0.5Cu)。在使用SAC305成份焊锡膏时，可以把它作为建立Reflow Profile回流曲线的一般性指南。根据具体得工序要求其中包括电路板尺寸Size、厚度和密度等，偏离推荐值是可以接受的，而且可能是必需的。

加热阶段:

0.5~2.0℃/秒的线性升温速度，可以有效地控制助焊剂中挥发物的挥发速度，并可防止由于热坍落而导致的缺陷比如锡珠、锡球或桥接等。还可以防止助焊剂性能的损失，可采用在200°-210℃之间烘烤2分钟的回流曲线来减少BGA和CSP器件的空洞形成。在稍低于熔点温度下短暂烘烤20-30秒可以减少元件立碑。

液相阶段:

为了获得较好的润湿性能，形成高质量的焊点，推荐的回流段的峰值温度一般应高于合金熔点12-43℃度回流时间(TAL)应当为30-90秒。峰值温度与回流时间(TAL)超出推荐值时，可能会导致过多的金属间化合物形成，从而隆低焊接可靠性。

冷却阶段:

为形成良好的晶粒结构，需要采用快速冷却(每秒1-4℃)。缓慢冷却将会形成大的晶粒结构，该结构通常有较差的抗疲劳损坏性能。

群焊参数汇总表：

温度曲线项目	SnPb合金	无铅合金 (SAC、SnCu合金)
合金熔化温度	183°C	217°C (SAC)至 227°C(SnCu)
焊料槽温度	250°C~260°C	255°C~270°C
顶部预热峰值温度	100°C ~120°C	110°C~130°C
助焊剂活化时间	60s~120s	60s~120s
驻留时间(板厚在1.5mm~2.25mm [0.060in~0.090in])	2s~4s	3s~5s
驻留时间 (板厚>2.25mm[0.090in])	4s~8s	5s~10s

选择性波峰焊参数汇总

参数	SnPb合金	无铅合金
合金熔融温度	183°C	217°C (SAC 305)， 227°C (SnCu)
焊料槽温度 (因机器制造商而异)	280°C~310°C	280°C ~310°C
PWBA预热温度 (顶部)	100°C ~120°C	110°C~130°C
元器件冷却速率	自然冷却	自然冷却
停留时间 (板厚1.5mm~2.3mm)	2s~4s	3s~5s
停留时间 (板厚>2.3mm)	4s~8s	5s~10s

无铅合金相线的变化

成分	合金	液相温度	再流温度
SnAg3.5	SnAg锡/	221℃	240℃
SnCu0.7	SnCu锡/	227℃	245℃
SnAg4.7Cu1.7	SnAgCu*	216℃	237℃
SnAg4Cu1	SnAgCu*	218℃	238℃
SnAg3Cu0.5	SnAgCu*	218℃	238℃
SnAg4Cu0.5	SnAgCu锡	218℃	238℃
SnAg3.8Cu0.7	SnAgCu锡	218℃	238℃
SnAg3.2Cu0.5	SnAgCu锡	218℃	238℃
SnAg3.5Cu0.75	SnAgCu*	218℃	238℃

4 回流炉稳定性测试方法

采用专用测试仪或标准校正板对回流炉进行稳定性测试。

测试项目	测试方法/建议标准
轨道平行度偏差	对轨道分别设定20cm的宽度，然后对入口处、温区3、温区6、温区9 和出口处测量轨道平行度(由平行度测量仪直接读出)，测量3次，然后算出最大轨道平行度偏差(即最大平行度减最小平行度)。标准为最大轨道平行度偏差不超过1.2mm.
CPK/CMK 量测	通过对轨道设置回流温度并量测回流峰值温度、恒温时间、回流时间，从而得出CPK，标准为大于1.33. (要求至少有25-32组数据)
PCBA横截面温差分析	回流炉需进行PCBA横截面温差分析，要求最大温差<6℃
注：上述测试测量频率至少为1次/季度

轨道平行度偏差测试治具/仪表示意图

5 回流炉维护保养计划表（作为参考）

6 附：为降低PCB受回流高温弓曲变形现象，需评审回流炉增加中央支撑系统：

一、背景技术：

PCB板设计尺寸过大，贴装电子元件过炉时，PCB板之间的连接筋吸收热量，因热胀冷缩现象和重力作用，连接筋往下凹陷，在回流过程中PCB呈轻微的“V”型，影响电子元件焊接效果，有品质隐患。PCB板呈“V”型，AI插件有跪脚、飞脚现象。

二、技术问题：

此专利技术是在原回流炉轨道中间增加一条直线导轨，在回流炉上增加导轨移动杆，将支撑链条放入导轨和回流炉马达杆上的齿轮内，与回流炉链条同步前进，使用摇柄可随意调节支撑装置的位置，适用于不同尺寸的PCB。

三、本案的详细阐述：

过往阶段：PCB板过炉变形，影响电子元件焊接效果PCB平整度不够、形变、支撑强度不足、过Reflow后带来焊接品质问题. 假焊、立碑、连锡、芯片枕头效应HIP (Head-In-Pillow)等。（如整流MOS二极管、50pin排插、FPC过炉偏位，0.4Pitch 256脚QFP等）, 有品质隐患。PCB板呈“V”型，AI插件有跪脚、飞脚现象。

现在阶段：增加支撑装置后，PCB板过炉变形改善OK，异型元件偏位不良得到很好的改善。AI因PCB板变形出现跪脚、飞脚现象完全杜绝。

四、新项目的技术手段产生了什么技术效果：

使用新技术后，PCB无变形现象，过回流炉时，大型板中央有支撑Pin链条支撑，异型元件偏位不良得到很好的改善。AI因PCB板变形出现跪脚、飞脚现象完全杜绝。

五、本案需要保护的要点：

每月在齿轮活动部位打高温链条油保养和维护。

六、附图：

改善前

改善后

另附：Profile SOP及相关内容Sample

工作要素（双手作业）

1、检测频率:每开机及每班检测一次(两班检测时间差不可超过12H)，换线检测一次,出现故障检修OK，调整参数,设备保养后需检测,炉温测试OK后通知产线方可过炉;

2、检测时回流焊需保持正常运行状态，并在有负载的状态下进行测试;

3 测温板每使用一次，在《测温板使用次数统计表》记录一次，记录超过25次需要报废;（有条件时，优化为在测温板上镭雕二维码，测试前扫MES记录）

4、回流程序名称：XXX-XXX-XXX1

5、选取所需机种型号的对应PCB板。选取正确的测试点位。进行过回焊炉测试，查看曲线图是否达到标准，炉温板测温点零件是否有脱落现象进行测温板的备案记录，并投入使用;

注意事项

1、防止PCB掉落或链条卡板，轨道宽度调整约等于PCB宽度+1MM;

2、测试仪流出再流焊机后温度较高，注意戴好手套，防止烫伤;

3、当炉温曲线测试不合格时应参照炉温参数标准重新设定参数并立即反馈给当班工程师处理；所有测试点固定后，不可露出测试头，不可接触周边焊盘，测试线金属裸露部分不可交叉连接;

4、每块板子最多过炉次数不可超过4次，否则需报废处理;

5、高温胶把热电偶测试线整齐固定在测温板上，热电偶测试线不能乱堆叠

6、.为提高测试的精度，在保证探头固定的前提下，红胶的用量越少越好

7、如有客户有特殊要求，则按客户要求测试;

潜在失效起因

线扭曲的话，测量值不稳定。也容易断线，一旦断了的话就就不能用于测量;

控制要点

热电偶线要整齐的固定在测温板上;

测温板的要求

a、测温板测试点（BGA＞QFN＞QFP＞SOIC＞TR＞CHIP）分别在机板上，下，左，右，中选择6个测试点测试;

b、相同类型的产品可以通用测温板，但应根据带有BGA或QFP的产品来设定回流曲线确保产品的回流品质;

c、测温板每使用一次，在《测温板使用次料统计表》记录一次，记录超过25次需要报废;

d、热电偶测试线不能胡乱堆叠为提高测试的精度，在保证探头固定的前提下，红胶的用量越少越好;

e、所有测试点固定后，不可露出测试头，测试线金属裸露部分不可交叉连接;

温度设置

相同型号设备的设置温度与实际测试的温度也会存在差异，各设备机种要根据产品特性设置好温度，并经工艺工程师确认好后，方可将设定好的温度记入《回流焊温度设置参数规范表》中，供下次生产时参考。

完结——以下无正文

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SMT基础知识丨SMT 回流曲线Reflow Profile工艺规范

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