1.4 再流焊接炉的设计参数

1.4.1 热转换效率

无铅钎料合金再流工艺需要使用高温的再流焊接炉，不过并非始终如此，最重要的是再流焊接设备的热量转换到组件的效率要高。

有些再流焊接系统釆用匀质混合气体来封闭产品增强热转换效率。特殊的热风气流传热设计采用3个独立的区段进风口实现加热工艺要求的混合气流。中央进风口安装一个精密的棒状加热元器件，可从加热器有效地将热量转换到产品。这种方法可减少加热器的热功率，降低其功率损耗。这种设计要比传统再流焊接的功率消耗降低到50%以上。

加热元器件加热的热风气流，经风扇单元混合，在压力板背面产生一个平稳的背压力。这个平稳背压力在加热工艺面产生一系列平叠同心圆的气流，也称为热风涡流，将热量传递给产品。这种设计的另一个优点是加热区的区段分隔，能更好地控制产品的再流焊接的温度曲线。

在再流焊接工艺过程中，产品的冷却与加热同样重要。液相温度以上的保持时间过长或峰值温度过高，都可能造成产品与元器件的过热损坏。再流焊接系统设计必须具有可控冷却参数的功能。在氮气再流焊接炉中，为消除产品上的热量，冷却气流优先选用水作为冷却介质，冷却水系统必须使用方便，例如，水流经的热交换系统应垂直安装，助焊剂残余物能在重力作用下自然进入助焊剂收集罐内。在各连接点水介质无需工具即可自行流动。

1.4.2 供氮系统

再流焊接工艺过程使用氮气，可保护PCB上焊盘与元器件引脚经多次再流加热时不被氧化，同时使得引脚能有更好的虹吸作用，使焊点表面呈显金属光泽。

氮气无铅再流焊接工艺的这些结果是最明显的，无铅合金再流焊接的偏高温度是加速产品氧化的催化剂。氮气有助于保护产品的再次氧化。虽然无铅合金再流焊接也并非一定需要充氮，但炉内的氮气能扩大再流工艺窗口，减少表面氧化及改善焊点的润湿性。

在考虑再流焊接系统时，无论选择空气还是惰性气体系统，制造商应充分考虑空气气流的平衡、提高热转换效率设计……。在再流焊接系统设计中，应用闭环风扇控制和可变速风扇的组合，增强了焊接炉的性能，减少耗氮量。然而氮气再流焊接工艺也有一定的不足，如设备的初期投资、氮气的成本、助焊剂挥发物截留造成设备的额外维护等。

1.4.3 助焊剂挥发物的管理

传统对流焊炉需要一个助焊剂管理装置，当助焊剂在PCB表面挥发后，系统内充满这些挥发物的蒸气，它们在温度较低的冷表面冷凝。现有的对流焊炉一般在系统的较冷部分设置了热风再流收集系统来收集助焊剂冷凝物。对于系统内的助焊剂滴液问题应建立严格的管理及清洗程序，需要使用助焊剂管理系统与冷凝器聚集助焊剂蒸气，液化并将其输入接收装置。但水平对流焊炉系统，助焊剂蒸气严格在加热区的范围内循环，蒸气不与冷却表面接触，不会产生冷凝物。

另一个重要参数是助焊剂挥发物的管理。再流焊接炉应配置专用的洁净系统来洁净充满助焊剂的挥发气体，回送清洁气体到再流工作区，如新开发的再流焊接炉配有一个两级过滤/分离系统与自清洗相结合的系统，以减少设备的维护。第一级在一个密封容器内装有网状过滤器，充满助焊剂的气体进入容器，助焊剂蒸发膨胀，压力增加形成液体微滴，当液体微滴体积足够大时，就从气流中分离出来。蒸发气体的余下部分通过过滤器，将大的、重的粒子从蒸发气体中滤出。这些粒子由被截留的金属、松香、松脂组成，黏附在过滤器的外表面。第一级的目的是消除形成高黏度胶黏物及系统下道工序难以清除的残余物。

过滤器的清洗是通过电动机定期旋转来实现的，当这些粒子的离心力大于其黏着力时，将它们黏附到过滤器上的一些粒子被向外抛到容器壁上。由于这些粒子还没有冷却，当再流炉气体通过时系统仍然保持一定的温度。这样使得附在壁上的液体在重力作用下，向下滑落到容器底部的排岀口。

第二级是装有不锈钢球盘的容器，经过第一级后的蒸气内含有的乙醇、溶剂等微小、质量轻的微滴经受膨胀，增加了微滴的尺寸。蒸气通过不锈钢球盘时，溶剂等微小、质量轻的微滴再一次经受膨胀，又一次增加了微滴的尺寸。蒸气通过不锈钢球盘时与钢球多次碰撞，蒸气内包含的液体将扩散到钢球表面。这些液体具有较好的润湿性，所以在与钢球碰撞时，发生均匀的成核现象，钢球表面被液体薄膜覆盖。一旦钢球被液体完全覆盖，蒸气内的粒子便与液体薄膜撞击。这些类似实体的均质成核的产生及微滴的累积，形成助焊剂液体流入助焊剂收集口。

1.4.4 能源效率

再流焊接炉与电子制造存在着密切的关系，再流焊接工艺过程的实质是将热量传递给产品，焊接后又需要消除产品上的热量。因此，必须考虑有效的热转换，在选择适合有铅或无铅焊接的正确工艺时，充分考虑功率消耗显得更加重要。

通过对热转换效率与新型再流焊接系统热风气流的改进，再流焊接炉的热效率与功率消耗已获得很大的进步。在无负载条件下，使用Legacy再流系统测试仪测试有铅焊接温度曲线时，每小时平均消耗功率为21kW；使用新型再流焊接系统，在相同条件下，每小时消耗功率从21kW降到12kW，消耗功率减少了41%。

1.4.5 传送系统

轨链式传送系统是传送PCBA通过再流焊接系统最常用的方法。在无铅焊接更高的工艺温度环境下，传送系统必须保持一定的机械强度，传送系统的支撑轴承与小型结构件应能经受住长时间的高温操作与大批量组件焊装所能承受的负载。

轨链式传送系统的设计必须满足热膨胀的要求，以保持导轨系统的平行性，减少PCBA在传送过程中的下沉与咬死。导轨形状设计和加工应有加强肋，以减少在热膨胀过程中导轨的弯曲变形。

无铅焊接的高温条件，可能造成组件更多翘曲和下沉变形的可能。由于再流峰值温度接近于PCB叠层和元器件的极限承受温度，设置中心支撑传送系统（CBS）显得非常必要。CBS系统在高温再流过程中，提供对PCB平面更好的支撑，以阻止PCB翘曲与下沉等问题的发生。

1.4.6 无铅再流焊接温度曲线

由于无铅钎料具有高熔点，这对温度曲线的要求将会有一点改变，因此在再流设备的设置上也需要有一些变化。一个基本的改变，就是在再流期间需要一个更为平坦的温度曲线变化。由于更小的工艺窗口、峰值温度和高于液化温度的时间（TAL）的要求必须达到，同时不能使组件或元器件过热，一个长的再流区域和对产品的高效率热传导是必需的。

针对再流需要使用两个温区或者在再流温区采用相反峰值爬升的方法，这一问题的解决方法是，使倒数第二个加热区相对最后一个加热区维持一个更高的温度，从而更快地将热量传导到板子上。最后一个温区则用来在组件上维持一个一致的温度。

1.4.7 热传导

对无铅而言高温再流炉是必需的，但更重要的是设备将能量传导到组件上的效率要高。

一些再流系统通过使用将产品“包裹”在均匀混合的加热气体中的方法，来增强热传导的能力。上述介绍的一个带加热的进风口设计可允许对3个独立进风区域的气体加热和混合。中央进风口采用了带鳍状物的柱形加热单元，将热量由加热器传递到气体中。这种方法可以减少加热器的瓦特数，即减少了能量的消耗。这种加热设计相对传统的再流解决方案，最大可减少50%的能源消耗。

被加热后的气体，通过送风单元进行混合，并且在压力板后面产生一个适度的负压。这一适度的压力可以产生一个均匀覆盖的同心圆气流，这一气流能将热量传递到产品所要求的工艺平面上。

冷却产品在再流焊接中和加热一样重要。过长的液态时间和极端的峰值温度会导致产品和元器件的损坏。因此，系统必须被设计成带有可编程设定控制的冷却参数。

1.4.8 炉温调控能力

由于无铅焊膏中钎料的熔点比传统的Sn37Pb钎料合金熔点（183℃）高出很多。所以再流焊接工艺的最高峰值温度、最大升温速度及降温速度紧缩了再流焊接的工艺窗口。无铅焊膏应使用与Sn37Pb钎料合金焊膏不同的再流焊接工艺和再流焊接设备设计。常用的再流温度曲线有两种，即保温型与帐篷型再流温度曲线，如图1.30所示。

保温型再流温度曲线是PCBA在钎料合金液相温度以下保持一段时间，使得PCBA达到均匀温度；而帐篷型再流温度曲线是从PCBA进入再流炉入口开始，连续升温直到组件达到所需要的峰值温度为止。

在无铅焊接中需要有较长的再流区域与有效的热转换，可通过使用两个再流焊区来实现，或在一个再流区内釆用反向再流来实现。使用这种方案时，前一个加热区段的维持工艺温度高于后续区段，这使得热量很快传递给产品，在后续区段保证组件能达到均匀的温度。