摘 要：本文对现有强制热风对流焊炉性能的缺陷，以及造成炉道内加热温度不一致性进行了分析。提出一种全新的设计概念---水平强制热风对流焊设备。

关键词：热风对流，水平对流焊炉

1．  引 言

强制热风对流是SMT再流焊工艺的最佳选择，其具有一些与物理性质密切相关的红外及其他方法不同的特点，又因无铅焊料的加速推广应用，使得强制热风对流焊接工艺更引起人们关注。比如，安装在PCB上的各种器件有不同的辐射率，使得红外加热技术在许多场合不能使用。众知，红外（IR）辐射能量是直线传播，当一个体积小，薄型的器件紧靠大尺寸，高的器件就会有荫影，产生不均匀辐射。然而现有的强制热风对流焊炉仍存在许多明显的加热温度不一致性。

2.           现有强制热风对流炉性能的加热温度不一致性

l        加热温度的不一致性。强制热风对流炉与红外加热炉相比，具有一个明显的优点是减少印制板平面的加热温度差。即使是对流炉，炉道炉壁的自然冷却作用，炉道中央的温度要比周围的炉壁高。由此工艺工程师在设置再流工艺参数时，不得不考虑要有足够的热量再流印制板边沿安装的器件，导致接近中央部位温度敏感器件的损坏或过热。

  对流再流焊炉通常采用一组加热器对印制板的顶面热风加热，另 一组加热器对印制板的底面热风加热。印制板两面任何的温度差别都会给材料引入应力，造成弯曲变形或分层。

l        热风流量的不一致。常规再流焊炉炉道内，热风流与印制板相接触后继续向焊炉的炉壁方向移动。冷却的热风流被一个压力箱收集重新加热，又重复使用吹到印制板上。（图 1） 这样吹到印制板中央部位的热风流量明显低于PCB周边任何一点。因为印制板周边不仅接受到直接的热风流，而且被冷却热风流流向也经过PCB周边部位最终被压力箱收集。

图 1

 

 

图 1    对流焊炉炉道/热风流回流收集系统，热风流与印制板接触后继续流向焊炉的炉壁被冷却收集，重新加热返回到炉道内，这种现象导致多种不一致性；

a．       在PCB面某一点接触的热风流量与另一纵向点是不同的，使得焊膏有机溶剂挥发速率不同，造成焊剂组分的活性及脱水条件的差别。

b．      PCB的周边暴露在高热风流量但低温度的环境中，这样进一步扩大PCB中央高温热区与周边低温冷区的温度差别。

c．       大多数再流焊炉采用一种称之为喷嘴系统传送热风流。然而在直对每个喷嘴口下面的部位与两喷嘴口之间的热风流量明显不同。

l        热风速度的差别。一则，强制热风速度的增加，加速了热量传送到PCB上贴装器件的速度。另一则，过大的风速会造成器件移位或脱离原准确贴装位置。所以热风的速度一定要使得直对热风喷嘴口下面的器件不会造成移位（也就是讲，热量传送的有效区域不能直接受到喷嘴口的指向影响）。在PCB周边位置接受到较大的风速，因为此部位的热风流是由直接的热风流及从邻近位置传送的热风流两者的混合风流。在一个固定的PCB断面热风流量增大，则其热风速也必然增大。

l        压力的差别。 由于热风流量与风速的差别，使得PCB安装面的压力不同。因速度问题的存在，在每个热风喷嘴的热风传送区的中央产生一个高压区。也就是离PCB中央最远的部位压力最大，而邻近部位则较低，这是由于在一个固定的PCB断面热风流量，及热风速大两者所致。

l        热风方向的差别在许多对流焊炉设计中，这是固有的缺陷。举例，使用两个相同的器件，其一放置在PCB安装面及焊炉纵向中央位置，另一个放置在PCB安装面的边沿位置。前贴装器件直接对准热风喷嘴，热风流的角度是与PCB安装面成正交的矢量,但安装在PCB边沿位置的器件,除了直接对准热风喷嘴的热风流外,还有一部分来自相邻方向的热风，最后得到的热风流矢量是小于直角的锐角。因为与其封装体接触的热风流方向不同，两个相同的器件组所得到热量速率是不同的。这种问题在球引脚器件底部与印制板间的支承空间，热风流的流向分布变得更为突出。例如BGA器件的再流焊工艺，在封装体的底部引脚与印制板间的热风流量少于印制板安装面的引脚器件。

总之，在业界无异议地认为强制热风对流是SMT再流焊接的最好选择。许多专家也赞成应对此项技术作出有价值的改进，包括提高焊炉内PCB安装面热风流温度，速度，流量，均匀性及一致性的系统能力。

3. 水平热风对流焊炉

一种新的强制热风对流技术称之为水平热风对流焊炉，显示具有进一步减少或消除上面所述的种种差异的能力。减少或消除这些问题就有可能为工艺工程师们提供一些有效方法，扩大工艺窗口及改进焊接质量，对于无铅焊料的应用是有积极意义的。

图 2 水平对流焊炉，每个加热区的热风在封闭区范围内循环，减少温度及速度等参数差异。

 

水平对流焊炉的设计是根据由常规强制对流概念分离出来的两个原则设计的（图2）。

a.                在每个加热区内的热风流严格在封闭区内循环，这种设计包括加热器，风扇板，惰性气体供气系统及排气装置等所有另部件。

b.               热风流在焊炉的PCB板顶面或底面环流形成一个环形热风流或环绕PCB的热风流，也就是热风流沿焊炉纵向的水平轴传送。

印制板的顶面与底面从外朝中央接受热风流，补偿了中央热点与外部冷点的温度差。由于加热区的上部与下部的热风连续循环，温度的均匀性得到保证，PCB受的应力也极小。上下加热区相同比例的截面得到一致均匀的热风流量及压力。热风流与PCB板安装面平行方向传送热量，炉道内热风流向是一致的。（图3）热风流平行传送另一个优点是热风流能渗透到器件封装底部的支承空间，增强了BGA，J形引脚器件的可焊性。

图 3 常规对流焊炉与水平对流焊炉的比较，水平热风流流向与PCB安装面平行得到均匀加热。

 

水平对流焊炉另一个优点是焊炉的供气系统在减少惰性气体流量时,炉内气氛可得到低ppm氧分量。这因为惰性气体作用的空间仅仅是加热区的范围。相对之下，在常规对流焊炉设计中，加热区，上下热风回流收集系统，也必须充惰性气体清洗。水平对流焊炉系统不需要常规对流焊炉的热风回流收集系统及重新反馈输送装置，结构简单，更可靠，成本也低。

4.      焊剂管理系统

传统对流焊炉需要一个焊剂管理装置，当焊剂在PCB表面被挥发后，系统内充满这些挥发物的蒸气，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如热风回流收集系统来收集焊剂冷凝物。无法制止焊剂冷凝，系统内的焊剂滴液问题应建立严格的管理及清洗程序，需要使用焊剂管理系统与高价的冷凝器聚集焊剂蒸气，液化并将其输入接收装置内。

但水平对流焊炉系统，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。这样减少了管理及清洗，整个系统的结构与操作成本降低。