不同PCB板材的回流焊温度曲线差异

在PCBA加工与SMT贴片工艺中，回流焊是一个关键环节，其温度曲线的设置对焊接质量有着至关重要的影响。而不同的PCB板材因其材料特性不同，在回流焊时所需的温度曲线也会存在差异，以下是详细介绍。

一、常见PCB板材类型

FR - 4 板材
- FR - 4 是一种常见的环氧玻璃纤维板，具有良好的机械性能、电气性能和耐热性。它由玻璃纤维布与环氧树脂复合而成，玻璃化转变温度（Tg）通常在 130 - 150℃左右。在回流焊过程中，其温度曲线一般分为预热区、保温区、回流区和冷却区。
- 预热区的温度上升速率一般控制在 1 - 3℃/s，目的是使 PCB 板材和元器件逐渐升温，减少热冲击。温度范围在 50 - 150℃，此阶段主要是去除 PCB 表面的水分和挥发性物质，同时使助焊剂活性成分开始发挥作用。
- 区保温的温度一般在 150 - 180℃，停留时间约为 60 - 120s。这个阶段主要是使 PCB 板材和元器件的温度趋于均匀，助焊剂进一步活化，去除氧化膜等杂质，为后续的焊接做准备。
- 回流区的峰值温度一般在 210 - 230℃，回流时间约为 30 - 60s。在这个阶段，焊膏中的锡膏达到熔点并形成焊点，完成元器件与 PCB 的电气连接。由于 FR - 4 板材的热容量较大，在回流区需要足够的热量来保证焊膏的充分化熔和润湿。
- 冷却区的降温速率一般控制在 3 - 6℃/s，使焊点能够快速冷却固化，形成良好的焊点形状和性能。如果冷却速度过慢，可能会导致焊点出现氧化、虚焊等问题；冷却速度过快，则可能引起元器件的热应力损坏。
CEM - 1 板材
- CEM - 1 是一种复合基材，主要由纸质玻璃布与环氧树脂复合而成。与 FR - 4 相比，其机械强度和耐热性稍低，玻璃化转变温度（Tg）一般在 120 - 140℃左右。
- 其回流焊温度曲线的预热区温度上升速率可适当降低至 0.5 - 2℃/s，因为 CEM - 1 板材的热传导性相对较差，过快的升温速率可能导致板材内部应力集中。预热温度范围在 40 - 130℃，保温时间可延长至 90 - 150s，以确保板材和元器件充分预热，使助焊剂更好地发挥作用。
- 回流区的峰值温度一般在 200 - 220℃，回流时间约为 40 - 80s。由于 CEM - 1 板材的耐热性较低，在设置回流温度时要避免过高温度对板材造成损坏。同时，其热容量相对 FR - 4 较小，在回流区的升温速度可以适当加快，但要确保焊膏能够充分熔化和润湿。
- 冷却区的降温速率控制在 2 - 5℃/s，与 FR - 4 相比，可适当降低降温速率，以减少因快速冷却对 CEM - 1 板材产生的热应力。
铝基板
- 铝基板是一种以铝合金作为基材的 PCB，具有良好的导热性和散热性。其导热系数通常可达 80 - 200W/m・K，远高于 FR - 4 和 CEM - 1 板材。这种特性使得铝基板在回流焊过程中对热量的传导和分布与普通板材有很大不同。
- 预热区的温度上升速率一般在 2 - 4℃/s，温度范围在 60 - 160℃。由于铝基板的导热性好，在预热阶段可以较快地升温，使整个板材均匀受热。同时，铝基板的热容量较大，需要足够的热量来提升其温度。
- 保温区的温度在 160 - 190℃，停留时间约为 30 - 90s。在这个阶段，主要是使铝基板和元器件的温度达到平衡，助焊剂充分活化，去除氧化膜等杂质。由于铝基板的散热快，保温时间相对较短，以防止热量过度散失导致温度不足。
- 回流区的峰值温度一般在 220 - 250℃，回流时间约为 20 - 50s。较高的峰值温度是由于铝基板需要足够的热量来确保焊膏熔化并形成良好的焊点，同时其良好的导热性也使得热量能够快速传递到焊点部位。但由于铝基板的导热性，过高的温度也可能导致热量传递到不应被加热的区域，引起元器件损坏等问题。
- 冷却区的降温速率控制在 4 - 8℃/s，较快的冷却速度有利于形成致密的焊点组织，提高焊点的机械强度和可靠性。同时，铝基板的散热性能可以辅助快速冷却过程。

二、不同PCB板材回流焊温度曲线差异原因分析

材料的热性能差异
- 热导率不同：FR - 4 和 CEM - 1 的热导率较低，热量在板材内部的传导相对较慢。在回流焊过程中，需要较长的预热和保温时间来使整个板材和元器件达到合适的焊接温度。而铝基板热导率高，热量能够快速传导，因此预热和保温时间相对较短，但在回流区需要更高的峰值温度来确保焊点充分熔化。
- 玻璃化转变温度（Tg）不同：Tg 是材料从玻璃态转变为高弹态的温度。FR - 4 和 CEM - 1 的 Tg 较低，在接近 Tg 时，材料的机械性能和尺寸稳定性会发生变化。在设置回流焊温度曲线时，要避免长时间处于 Tg 附近温度，以免导致板材变形等问题。
材料的耐热性差异
- FR - 4 板材具有较好的耐热性，能够承受较高的回流焊温度，峰值温度可以设置在较高范围。而 CEM - 1 板材耐热性稍差，过高的温度可能导致板材分层、起泡等质量问题，因此其回流焊温度峰值相对较低。
材料的热容量差异
- FR - 4 和铝基板的热容量较大，需要更多的热量来提升其温度。在回流焊预热和回流区，需要设置合适的升温速率和热量输入，以确保焊膏能够充分熔化并形成良好的焊点。而 CEM - 1 板材热容量相对较小，在相同的热量输入下，温度上升速度较快，因此在预热和回流区的温度设置和时间控制上需要更谨慎，避免温度过高。

三、回流焊温度曲线差异对PCBA加工和SMT贴片的影响

对焊接质量的影响
- 不同的回流焊温度曲线直接影响焊膏的熔化、润湿和冷却过程。如果温度曲线设置不当，可能会导致虚焊、桥连、冷焊等焊接缺陷。例如，对于 FR - 4 板材，如果预热不足，焊膏中的溶剂挥发不充分，在回流区可能会产生爆珠现象，导致焊接不牢固。对于铝基板，如果峰值温度过低，焊膏不能充分熔化，无法形成良好的焊点；而峰值温度过高，则可能损坏铝基板上的元器件。
对元器件的影响
- 元器件有不同的耐热性和热敏感度。在回流焊过程中，不同 PCB 板材的温度曲线会使得元器件受到不同程度的热冲击。例如，在 FR - 4 板材加工中，较长的保温时间和较高的回流温度可能对耐热性较差的元器件造成损坏。而对于铝基板，其良好的导热性可能导致热量快速传递到元器件引脚，如果温度曲线控制不当，也会对元器件的可靠性产生影响。
对生产效率的影响
- 温度曲线的设置会影响回流焊的生产节拍。较长的预热和保温时间会降低生产效率，而过快的升温速率可能导致焊接质量下降，增加返工率。例如，CEM - 1 板材由于其预热和保温时间较长，在批量生产时可能需要优化温度曲线，以在保证焊接质量的前提下提高生产效率。