为了消除铅在处理过程中或废弃后对环境的影响，电子制造业正努力去除电子封装上有害的铅和减少对铅的依赖，环境保护的需要,政府法规的出台和无铅电子封装的市场优势推动了向无铅的转移。在制造工艺中实施无铅组装时，需要考虑很多因素，回流焊接设备与生产高质量无铅产品的能力密切相关。
焊膏实施无铅的第一步是选择焊膏。如今市场上有很多选择，最大的障碍是为当前使用的有铅材料寻找到一个直接的替代品。焊膏和回流炉面临最大的问题是更高的熔点，这使得找到直接的代替品非常困难。至今，最普遍的无铅焊膏中含有合金包括锡，银，铋和锌等元素。
无铅焊膏的选择是许多技术研究的主题。研究提出最有效的焊膏熔点在217° C - 221°C之间。相比传统的低共熔含铅焊膏的183° C熔点，温度显然有了很大的提高。由于元器件的耐温性能，最高峰值温度和最大升温/降温速率缩窄了回流工艺窗口。
温度曲线 由于焊膏规定的温度曲线范围更窄以及考虑到更高工艺温度上对元器件的伤害，为使用无铅材料，我们必须注意不同的温度曲线和机器设定。通常，回流焊接工艺中使用两种回流曲线，他们指的是浸润型和帐篷型温度曲线（图1）。浸润型温度曲线是在工艺过程中使组件板有一段时间能承受恰低于焊料熔点的温度，以达到一致板子温度。帐篷型温度曲线是从组件板进入炉子直至到达设定顶部温度连续不断的升温。理想的温度曲线根据组装中使用的焊膏型号不同而不同。根据焊膏的化学成分，制造商会推荐最佳的温度曲线以求达到最优的性能。具体信息需要与焊膏厂商联络。
由于无铅焊膏合金的高熔点，温度曲线的要求有所改变，因此回流设备的设定也需要进行相应调整。一个通常被忽略的改变是焊膏回流中的“平坦”曲线。由于工艺窗口变窄，要达到峰值温度及TAL而又不能过分加热板子或元器件。这需要更长的回流区间和热量有效转移到产品上的能力。可以使用二个加热区作为回流区来解决这个问题，或者在回流区域中使用峰值前移的方法。使用这种方法，设定倒数第二个加热区的温度高于最后一个加热区的温度,促使热量更快的传递到产品上。接着使用最后一个加热区来保持组装板上温度的一致。
设备需考虑的事项热量转移引入无铅材料要考虑到很多问题。但不能仅仅依据回流炉和更高的工艺温度要求，便认为需要高温的回流炉。更重要的是机器转递热量到组件板上的效率。
Speedline Technologies最新发布的OmniExcel回流系统系列中包括了新的热量传递概念，即将均匀混合的气体混合物包围住产品来增强热量传递能力，进风口处的加热设计允许三个独立的区域吸入空气进行混合。
中央的进风口使用一个表面积超过900平方英寸，鳍片形的加热器单元将热量从加热器传递到空气。这个方法可以减少直接传递热功率以减少能源消耗。与传统回流解决方案相比，这个加热设计已减少了超过50%的能源消耗。
被加热单元加热的气体由风机混合，在压力板后面产生适度的背压力。扩散板后适度的压力产生空气的同心圆，均匀地重叠在制程面上,为产品提供极好的热传递。另一个设计优点是加热区之间的隔离异常好,可以更好的控制产品制程温度曲线。
回流焊接中产品降温如同升温同样重要。延长液态温度以上时间和极端峰值温度会导致产品和元器件的损伤。系统必须按控制冷却参数方案进行设计。在使用氮气系统，冷却媒介如水是带走产品热量的理想选择。冷却水设计系统需要在设计中容易实现。举例来说，冷却水流经的热交换器被垂直放置，使残留的助焊剂随着重力自然排入助焊剂收集瓶中。水连接可以通过快速接头实现而无需工具。回流系统的设计应考虑可以独立操作冷却系统，不用打开加热的炉腔。这样可以更快的设定维护保养的停机时间，减少回到运行温度所需要的能量。
氮气许多年来，氮气在回流环境中的好处被广泛地争论。 随着无铅焊膏的导入， 这再一次成为要素。
氮气在回流环境中用于不同的目的，它可以保护板子表面通过多次回流，防止焊盘和引脚的氧化，使得引脚的浸润性更好，焊点更为光亮。这些在无铅工艺中更为显著。更高的无铅温度加速了氧化。氮气将起保护作用防止氧化。虽然它在无铅工艺中并不是必需的，但氮气的使用增大了工艺窗口，许多无铅回流生产者正在使用它。 氮气可以减少表面的氧化， 使得焊点获得更好的浸润。
当考虑回流设备时，兼顾空气或惰性气体配置设计是非常好的选择。加热区平衡稳定的空气气流减少了炉子中的紊流降低氮气消耗量。时间应该花在热量传递设计和制造商考虑的气流平衡稳定概念上。闭环风机控制和可变速风机技术同时用于回流系统设计既可增强性能又可减少氮气消耗量。
然而，使用氮气也有不利的一面。它包括机器的初始购置成本，氮气成本及因收集机器内挥发助焊剂而产生的回流设备额外维护费用。回流系统和氮气的使用，需要考虑高效的系统设计。
助焊剂挥发管理另一个需要考虑的因素是助焊剂挥发管理。炉子应可以在炉腔外净化饱含助焊剂的气体，再将干净的气体重新送回炉腔。
有一个例子是最近开发的正在申请专利的二级过滤/分离系统，该系统结合自清洗功能以减少维护。第一级利用箱中的网状过滤器。助焊剂气体进入箱体，开始膨胀，从气态变成小液滴，一旦增大的一定程度，它将脱离空气气流。气体的残留物经过过滤器，分离出大的且重的颗粒。这些粒子主要包含收集的金属，松香和树脂，它们附着在过滤器的外部。这部分排除了高粘性及难清洗往下流淌残留物在机器内的形成。
通过机器附带的马达定期的转动实现过滤器的清洗功能。离心力克服了粒子在过滤器上的黏附力，将其向外抛甩到箱体壁上。因为这个系统没有冷却功能，整个系统由于热的炉腔气体经过而保持热度。这使附在箱体壁上的重液体“跑”入箱体底部的收集瓶。
第二级在箱体里铺满不锈钢球。那些主要含有酒精和溶剂，包含在经过第一级的气体中的既小又轻的粒子，再次开始膨胀成液滴状。气体经过底部与钢球发生大量碰撞。因为气体中包含液体， 它将蔓延到钢球的表面，这些球被开始浸润。因此，在颗粒与球的最初碰撞上，产生不同质的晶核现象，在球上覆以液膜。一旦球完全被液膜覆盖，气体内的颗粒与这些液膜继续碰撞。因为这些就象物质，形成同质晶核，液珠形成液滴，流入助焊剂收集瓶，非常易于清理。
能源效率关于电子制造中的能源消耗，回流炉是最受关注设备之一。这很容易理解，因为把热加载到产品上是工艺过程的特征，再使用能量进行降温。在为有铅及无铅工艺提供适当的回流曲线的回流设备的设计中必须要考虑高效的热传递技术。但基于能源消耗的考虑，变得甚至更为重要。
同其他流传下来，经测试的回流产品相比，通过改善热量传递能力及在更新的设备设计上改进气流，热效率和减少能量消耗有了巨大的进步。原先的回流系统的测试中，在待机状态下运行有铅曲线平均每小时耗电21KW。与最近推出的回流系统相比，由于采用新系统设计，能量消耗从原来的每小时21KW降到每小时12.2KW。相似的曲线性能下节省了41%能量。
传输系统考虑 因产品技术和生产要求的提高，回流炉传输系统也需改进和提高，不同的传输方法和选项可供选择以满足这些要求。最基本的是网带传输系统。
轨道传输系统是运送电子组件板通过回流系统的最普遍的方法。由于无铅工艺中更高运行温度，需要关注的是保持轨道强度的能力。暴露的轨道支撑轴和小轨道结构可能在更高的运行温度和大规格组件板下承受更重负担。成熟的轨道设计允许热膨胀且保持轨道系统平行，减少PCB掉落或卡塞的几率。设计中融合有多种角度的轨道挤压构造，能在热膨胀过程中减少轨道弯曲。
由于无铅回流中更高的工艺温度，电子组件可能更倾向于板变形和出现掉板问题。较高的回流温度更接近层压板的转变温度，加上较多元器件将导致工艺线下更多的问题。
板中心支承(CBS)传输系统可以解决问题。在无铅回流高温度及克服板变形和掉板问题上，CBS能提供更好的产品支撑。因制造商正转向无铅工艺，这个选项也会变得更为普遍。
在给无铅回流焊接下结论之前，认真查看炉子的全部特性是非常重要的。当考虑转换成无铅材料，要决定材料和温度曲线需求。一旦作出选择，寻求回流炉制造商的帮助，为您的产品设定需要的曲线。结合一些调查准备工作，通过帐篷形温度曲线或峰值前移曲线便可初步完成。再参考元器件数量和布局,就可以得到真正有效的温度曲线。回流系统选项同样也是需要认真考虑。氮气工艺环境，冷却及传送系统及整体系统运行成本需要与回流炉供应商进行商酌。
录入时间:2007-09-28 来源：smt技术天地 作者:smta
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