By Phil Zarrow

渐升式温度曲线(Ramp profile)
　　保温区(soak zone)有热机械的(thermomechanical)重要性，它允许装配的较冷部分“赶上”较热部分，达到温度的平衡或在整个板上很低的温度差别。在红外(IR, infrared)回流焊接开始使用以来，这个曲线是常用的。在加热PCB装配中，SMT早期的红外与对流红外炉实际上缺乏热传导能力，特别是与今天的对流为主的(convection-dominant)炉相比较。这样，锡膏制造商们配制它们的几乎松香温和活性(RMA, rosin mildly active)材料，来满足回流前居留时间的要求，尝试减少温度差别(图二)。另一方面，以对流为主要热机制的对流为主的(convection-dominant)炉通常比其前期的炉具有高得多的热传导效率。因此，除非装配的元件实在太多，需要保温来获得所希望的温度差别，否则回流前的保温区是多余的，甚至可能是是有害的，如果温度高于基板玻璃态转化温度(substrate glass-transition)Tg的时间过长。在大多数应用中，渐升式温度曲线(ramp profile)是非常好的(图三)。尽管有人认为锡膏助焊剂配方要求回流前保温(preflow soak)，事实上，这只是为了能够接纳那些老的、现在几乎绝种的、对流/IR炉技术。
　　一项最近的有关锡膏配方的调查显示，大多数RMA、免洗和水溶性材料都将在渐升式温度曲线上达到规定要求1。事实上，许多有机酸(OA, organic acid)水溶性配方地使用的保温时间也要尽可能小 — 由于有大量的异丙醇含量作为溶剂，它们容易很快挥发。
　　在使用渐升式温度曲线(ramp profile)之前，应该咨询锡膏制造商，以确保兼容性。虽然一些非常量大或复杂的PCB装配还将要求回流前的保温，但大多数装配(即，那些主要在线的)将受益于渐升式温度曲线(ramp profile)。事实上，后者应该是如何锡膏评估程序中的部分，不管是免洗，还是水溶性。
　　氮气环境
　　一个焊接的现有问题是有关在回流焊接炉中使用氮气环境的好处。这不是一个新问题 — 至少一半十年前安装的回流炉被指定要有氮气容器。而且，最近与制造商的交谈也显示还有同样的比例存在，尽管使用氮气的关键理由可能现在还未被证实。
　　首先，重要的是理解使回流环境惰性化是怎样影响焊接过程的。焊接中助焊剂的目的是从要焊接的表面，即元件引脚和PCB焊盘，去掉氧化物。当然，热是氧化的催化剂。因为，根据定义，热是不可能从基本的温度回流焊接过程中去掉的，那么氧 — 氧化的另一元素 — 通过惰性的氮气的取代而减少。除了大大地减少，如果没有消除，可焊接表面的进一步氧化，这个工艺也改善熔锡的表面张力。
　　在八十年代中期，免洗焊锡膏成为可行的替代品。理想的配方是外观可接受的(光亮的、稀薄的和无粘性的)、腐蚀与电迁移良性的、和足够薄以致于不影响ICT(in-circuit test)针床的测试探针。残留很低的锡膏助焊剂(固体含量大约为2.1 ~ 2.8%)满足前两个标准，但通常影响ICT。只有固体含量低于2.0%的超低残留材料才可看作与测试探针兼容。可是，低残留的好处伴随着低侵蚀性助焊剂处理的成本代价，需要它所能得到的全部帮助，包括回流期间防止进一步氧化的形成。这个要用氮气加入到回流过程来完成。如果使用超低残留焊锡膏，那么需要氮气环境。可是，近年来，也可买到超低残留的焊锡膏，在室内环境(非氮气)也表现得非常的好。
　　 原来的有机可焊性保护层(OSP, organic solderability preservative)在热环境中有效地消失，对双面装配，要求氮气回流环境来维持第二面的可焊性。现在的OSP也会在有助焊剂和热的时候消失，但第二面的保护剂保持完整，直到印有锡膏，因此回流时不要求惰性气体环境。
　　氮气回流焊接的最古老动机就是前面所提到的改善表面张力的优点，通过减少缺陷而改善焊接合格率即是归功于它。其它的好处包括：较少的锡球形成、更好的熔湿、和更少的开路与锡桥。早期的SMT手册提倡密间距的连接使用氮气，这是基于科学试验得出的结论。可是，这测试是实验室的试验，即，“烧杯试验”与实际生产的关系，没有把使用氮气的成本计算在内。
　　应该记住，在过去十五年，炉的制造商已经花了许多钱在开发(R&D)之中，来完善不漏气的气体容器。虽然当使用诸如对流为主的(convection-dominant)这类紊流空气时，不容易将气体消耗减到最小，但是有些制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消耗，已经达到非常低的氧气水平。这样做，他们已经大大地减低了使用氮气的成本。
　　随着连接的密度增加，过程窗口变小。在这个交接口，在有CSP(chip scale package)和倒装芯片(flip chip)的应用中使用氮气是很好的保证。
　　双面回流焊接
　　人们早就认识到的SMT的一个优点是，元件可以贴装在基板的两面。可是，问题马上出现了：怎样将前面回流焊接的元件保持在反过来的一面上完好无损，如果第二面也要回流焊接？人们已经采取了无数的方法来解决这个困难：
· 一个方法是有胶将元件粘在板上，这个方法只用于波峰焊接无源元件(passive component)、小型引脚的晶体管(SOT)和小型引脚集成电路(SOIC)。可是，这个方法涉及增加步骤和设备来滴胶和固化胶。
· 另一个方法是为装配的顶面和底面使用两种不同的焊锡合金，第二面的锡膏的熔点较低。
· 第三个方法是企图在炉内装配板的顶面和底面之间产生一个温度差。可是，由于温度差，基板Z轴方向产生的应力可能对PCB结构，包括通路孔和内层，有损耗作用。在有些应用中，虽然这种应力可能是有名无实的，但还是需要小心处理。
· 事实上，有更实际的解决办法。人们不要低估熔化金属的粘性能力 — 它远比锡膏的粘性强。 记住这一点，元件绑解的表面积越大，保持它掉落的力就越大。
为了决定哪些元件可用作底面贴附与随后的“回流”，导出了一个比率，评估元件质量与引脚/元件焊盘接触面积之间的关系2：
元件重量(克)

焊盘配合的总面积(平方英寸)
　　这里，第二面的每平方英寸克必须小于或等于30。
　　侵入式焊接(Intrusive Soldering)
　　波峰焊接是一个昂贵的工艺，因为伴随着越来越多的对其废气排放的研究 — 这也是工业为什么要减少波峰焊接需求的一个理由。另一个理由是随着表面贴装元件(SMD)的使用，放用回流焊接传统通孔元件(特别是连接器)的兴趣越来越多。取消波峰焊接不仅经济上和制造上有好处，而且消除了一个处理中心，通过减少周期时间和占地面积使得装配线更流畅。从工艺观点来看，PCB减少一次加热过程，这一点对潜在的温度损害和金属间增长是很重要的。
　　侵入式焊接(即通孔回流through-hole reflow、单中心回流焊接single-center reflow soldering、引脚插入锡膏pin-in-paste，等)是一个表面贴装和通孔元件都在回流焊接系统中焊接的工艺。采用该工艺可减少波峰和手工焊接。这不是一个“插入式(drop-in)”的工艺 #151; 因为沉积的焊锡用来连接SMD和传统两种元件，控制锡量是必须的。
　　有人用模板(stencil)来将锡膏印刷到孔内。这里，小心是很重要的，以保证插入的通孔元件引脚不会带走太多的锡膏。其它的使用者将焊锡预成型结合到工业中，来提供足够的锡量给插入的元件。可是，这是一个昂贵的选择，并且不太适合于自动过程。一个更先进的方法是调节围绕电镀通孔周围的焊盘直径与几何形状。最主要的问题是多少锡量才达到“足够的”通孔连接(以及“最佳的”锡膏沉积方法)，该工艺还处在试验阶段。
　　侵入式焊接(Intrusive soldering)也要求回流系统比平常多的加热能力。工艺中增加的通孔元件数量对回流系统的热传送效率的要求更高。许多混合技术装配的复杂表面几何形状要求一个很高的热传送系数，以可接受的温度差来充分地回流装配。虽然大多数对流为主的炉可胜任这个任务，在某些装配上的某些元件的热敏感性可能阻碍其通过回流焊系统。这个情况可能在使用较高熔点的无铅焊锡时，变得更富挑战性。可是，对大多数应用，侵入式焊接具有很大的吸引力，理所当然应该得到考虑。
　　结论
　　虽然本文重点在量的回流焊接上面，但相同的原则与惯例对其它的(选择性的)回流工艺，包括激光，都是可应用的。虽然回流焊接是一个高要求的工艺，但它不是“火箭科技” — 必须控制但非常可受的。适当的设备与材料选择，以及理解主要的热、化学和冶金的工艺，将向高合格率的焊接工艺迈出一大步。
References
1. ITM Inc. solder paste charaterization project for KIC Thermal Profiling, 1999.
2. Joe Belmonte and Phil Zarrow, “Single Center Reflow of Through-hole Components,” .
Phil Zarrow, may be contacted at ITM Consulting, P.O. Box 921, Durham, NH 03824; (603) 868-1754; Fax: (603) 868-3623; E-mail: ITMConsulting@aol.com; Web site: http://www.itm-smt.com/.