大家知道，锡铅焊膏（Sn63Pb37）的熔点温度为 183℃，如果要形成一个合格的焊点，就必须在焊接时 有0.5～3.5um厚度的金属间化合物（IMC）生成。形成 IMC的温度为熔点以上10～15℃，对于锡铅焊接而言，也 就是195～200℃，而PCB上电子元器件的{zg}承受温度一 般为240℃。因此，对于锡铅焊接，理想的焊接工艺窗口为 195～240℃。

在无铅工艺中，由于无铅焊膏的熔点发生了改变， 给焊接工艺带来了很大的变化。目前常用的无铅焊膏为 Sn96Ag0.5Cu3.5（SAC305），熔点为217～221℃。合 格的无铅焊接也必须形成0.5～3.5um厚度的IMC，IMC的形成温度也必须在熔点温度之上10～ 1 5 ℃ ， 对于无铅焊接而言也就是 230～235℃。由于无铅焊接电子元器 件的{zg}承受温度并不会发生变化，因此，理想的无铅焊 接工艺窗口为230～240℃。

工艺窗口的大幅缩小给保证焊接质量带来了很大的 挑战，也对无铅焊接设备的稳定性和可靠性提出了更高的 要求。由于回流焊设备本身存在着横向温差，加之电子元 器件由于热容量上的差异在加热过程中也会产生温差，因 此，在无铅回流焊工艺控制中可以调整的焊接温度工艺窗 口变得更小，这是今天无铅回流焊的真正难点所在。

具体的锡铅与无铅回流焊工艺窗口比较如图1所示。

无铅回流焊的难度促使很多电子制造商在转入无铅生 产后考虑更新回流焊炉，那么选择无铅回流焊炉究竟需要考 虑哪些新的因素？日趋成熟的无铅工艺又对回流焊炉提出了 哪些新的要求呢？本文将从以下几个方面来加以分析。

对设备性能的要求

更小的横向温差
由于无铅焊接工艺窗口很小，因此，回流炉内的横向 温差控制就变得非常重要，而横向温差一般受以下四个因 素的影响：

? 热风传送方式
目前主流的无铅回流焊炉均采取{bfb}全热风的加热方 式。虽然在回流焊炉的发展进程中也出现过红外加热的方 式，但由于红外加热存在不同颜色元器件的红外吸收反射率 不同，以及由于相邻元器件遮挡而产生“阴影效应”，而由 此产生的温差可能使无铅焊接存在跳出工艺窗口的风险，因 此，红外加热技术在无铅回流焊炉中已被逐渐淘汰。

在无铅焊接中，需要重视热传递效率，特别对于大热 容量的元器件，如果不能得到充分的热传递，就会导致升温 速度明显落后于小热容量元器件，进而导致横向温差加大。 图2和图3给出了两种不同的热风传送方式。

图2中的热风是从加热板的孔中吹出，热风的流动没有 明确的方向，因此热传递效果不佳。

图3是采用了定向多点喷嘴的热风传送方式，使热风的 流动集中且有明确的方向性，热传递效率比图2的传送方式 增加了15%左右。热传递效率的增加对减少不同热容量元 器件的横向温差会起到较大的作用。

图3的设计不仅使热风的流动具有明确的方向性，还可 以减少侧向风对线路板焊接的干扰，在{zd0}限度地减少线 路板上0201等微小元件被吹跑的同时，还降低了不同温区之间的相互干扰。

? 链速的控制
链速的快慢也会影响线路板的横向温差。常规情况 下，降低链速会让大热容量的元器件有更多的升温时间， 从而使横向温差减小。但是，炉温曲线的设置更多地取决 于焊膏的要求，所以无限制地降低链速在实际生产中是不 现实的。

? 风速与风量的控制
我们做过这样一个实验，保持回流焊炉内的其他条件 设置不变，只将炉内的风扇转速降低30%，线路板上的温 度便会下降10℃左右（图4）。由此可见，风速与风量的控 制对炉温的控制是非常重要的。

为了实现对风速与风量的控制，需要注意两点：

1. 风扇的转速应实行变频控制，以减小电压波动对它 的影响；

2. 尽量减少设备的抽排风量，因为抽排风的中央负载 往往是不稳定的，容易对炉内热风的流动造成影响。

? 设备的稳定性
即使我们获得了一个{zj0}的炉温曲线设置，但要实 现它，还是需要用设备的稳定性，重复性和一致性来给予 保证；特别是无铅生产，炉温曲线如果由于设备原因稍有漂移，很容易跳出工艺窗口导致冷焊或元器件的损坏。所 以，越来越多的产品制造商开始对设备提出稳定性测试的 要求。

能够使用氮气
无铅时代的到来使回流焊是否充氮变成了一个热门的 讨论话题。

由于无铅焊料的流动性、可焊性、浸润性都不及锡铅 焊料，尤其是当电路板焊盘镀层采用OSP工艺（有机保护 膜的裸铜板）时，焊盘容易氧化，常常造成焊点的润湿角 太大和焊盘露铜等现象的发生。

为了提高焊接质量，我们有时需要在回流焊时使用氮 气。氮气是一种惰性保护气体，可以保护电路板焊盘在焊 接中不被氧化 ，对提高无铅焊料的可焊性起到明显的改善 效果（见图5）。

尽管不少电子产品制造商出于运行成本考虑目前暂时 没有使用氮气，但是，随着对无铅焊接质量要求的不断提 高，氮气的使用会越来越普遍；所以，比较好的抉择是在购置设备时留有充氮接口，以满足未来充氮生产的要求。

有效的冷却装置和助焊剂管理系统
无铅生产的高焊接温度对设备的冷却功能提出了更 高的要求，而可控的较快冷却速度可以使无铅焊点结构更 致密，并对提高焊点的机械强度有助益，特别是在通信背 板等大热容量的线路板焊接时，如果我们仅仅使用风冷方 式，线路板在冷却时很难达到3～5℃/秒的冷却要求，而冷 却斜率达不到要求将使焊点结构松散，直接影响到产品的 可靠性。因此，在无铅生产时，建议考虑采用双循环水冷 装置，同时设备对冷却斜率应可以按要求设置并xx可控。 无铅焊膏中往往加有较多的助焊剂，助焊剂残留物容 易堆积在回流焊炉内部，影响到设备的热传递性能，有时 甚至会掉到线路板上造成污染。

在生产过程中将助焊剂残留排出有两种方式：

? 抽排风
抽排风是排出助焊剂残留物最简单的方式，但是，我 们在前文中已提到，过大的抽排风会影响到炉腔内热风气 流的稳定性；此外，增加抽排风量会直接导致能耗（包括 用电和用氮量）的上升。

? 多级助焊剂管理系统
助焊剂管理系统一般包括过滤装置和冷凝装置（见图 6和图7）。过滤装置将助焊剂残留物中的固体颗粒部分进 行有效分离过滤，而冷凝装置则是在热交换器中将气态的助焊剂残留物冷凝成液态，{zh1}汇集在收集盘中集中处理。

对设备材料和构造的新要求

无铅高温对设备材料的要求
无铅生产使设备必须承受更高的温度，如果设备用材 出现问题，那么就会产生炉腔翘曲、轨道变形、密封性能 变差等一系列问题，最终影响到生产的顺利进行。因此， 无铅回流焊炉所使用的轨道应该经过硬化等特殊处理，而 且板金接缝处应经过X光扫描确认没有裂缝和气泡，以免长时间使用后出现损坏和泄漏。

有效防止炉腔翘曲和轨道变形
无铅回流焊炉的炉腔应使用整块板金加工而成，如果使 用小块板金拼接的话，在无铅高温下很容易发生炉腔翘曲。 在高温和低温情况下的轨道平行度测试是非常必要 的，如果由于用材和设计导致轨道在高温情况下发生变 形，那么卡板和掉板情况的发生将无法避免。

避免扰动焊点
以往的Sn63Pb37锡铅焊料是一种共晶合金，其熔点及 凝固点温度是相同的，均为183℃。而SnAgCu无铅焊点不是 共晶合金，其熔点范围为217～221℃，温度低于217℃时为 固态，温度高于221℃为液态，当温度处在217℃至221℃之 间时，合金呈现出一种不稳定状态。在焊点处在这种状态 时，设备的机械振动很容易使焊点形态发生改变，造成扰动 焊点，这在电子产品可接受条件IPC－A－610D标准中是一 种不能接受的缺陷。因此，无铅回流焊设备的传送系统应该 具备良好的免震动结构设计，以避免扰动焊点的产生。

对降低运营成本的要求

炉腔的密封性 炉腔的翘曲和设备的泄漏都会直接造成用电及用氮量 的直线上升，所以，设备的密封性对生产成本的控制至关 重要。试验证明，哪怕只有4.5mm直径的漏气孔（如螺丝 孔大小），就可能使氮气消耗量从每小时15立方米增加到40立方米。

设备的热绝缘性能
触摸回流焊炉的设备表面（回流区对应的位置）应不 觉得烫手（表面温度低于60℃），否则，说明回流焊炉的 热绝缘性能不佳，大量的电能转变为热能散失，造成了无 谓的能源浪费。如果是在夏天，散失在车间内的热能会导 致车间温度升高，我们不得不将这些热能再用空调装置排 放到室外，导致双倍的能源浪费。

抽排风
如果设备没有好的助焊剂管理系统，助焊剂的排出全 靠抽排风完成，那么设备在抽出助焊剂残留的同时也排出 了热量和氮气，从而直接造成能耗的上升。

维护成本
回流焊炉在大批量连续生产中具有极高的生产效率 (每 小时可以生产几百块手机电路板)，如果设备的维护间隔 短、工作量大、时间长，必然会占用较多的生产时间，使 生产效率低下。为了降低维护成本，无铅回流焊设备应尽 量采用模块化设计，为维护和维修提供方便（图8）。

目前，国内外很多先进的电子产品制造商为进一步 降低设备维护对生产效率造成的影响，提出了一个全新的 设备维护理念——“同步维护”；即在回流焊炉满负荷工 作时，利用设备的自动维护切换系统，使回流焊炉的保养 与维护能与生产xx同步进行。这样的设计xx摒弃了原 来“停机维护”的理念，使SMT整线的生产效率获得了进一步的提升。

对工艺实施提出的要求
高品质的设备只有通过专业的使用才能产生效益。目 前广大生产厂家在无铅焊接的生产过程中所遇到的很多问 题已不仅仅来自于设备本身，而是需要通过工艺的调整来 解决。

炉温曲线的设置
由于无铅焊接工艺窗口非常小，而我们又必须保证所 有焊点在回流区同时处在工艺窗口之内，因此，无铅回流曲线往往会设置一个“平顶”（见图9）。

如果线路板上的元器件热容量差异不大且对热冲击比 较敏感，则比较适合采用“线性”炉温曲线。（见图10） 炉温曲线的设置与调整取决于设备、元器件、焊膏等多 种因素，设置方式不是千篇一律的，必须通过实验来调整。

炉温曲线模拟软件
那么，有没有一些方法能够帮助我们快速准确地设置 炉温曲线呢？笔者建议工程师使用炉温曲线模拟生成软件。 通常情况下，只要我们把线路板和元器件的参数，进 板间隔，链速，温度设置和设备选择输入软件，软件便会模拟出这样条件下的炉温曲线，工程师可以据此进行离线调 整，直至获得满意的炉温曲线。这样做可以大大节省工程 师反复调整曲线的时间，对于多品种、小批量的生产企业来 讲，这样做的效果尤其显著。

回流焊设备的未来发展
不同电子产品对回流焊设备的要求是不同的，线路板 生产与半导体生产对回流焊设备的要求也是不一样的。 随着电子产品终端用户个性化要求的不断提高，少品 种大批量的生产开始慢慢减少，不同产品对设备要求的差异 性开始日趋显现，未来回流焊设备的区别将不仅体现在温区 的多少和氮气的选择上，其市场将不断被细分，这是回流焊 设备未来可以预见的发展方向。