传送带速度在回流焊接中的作用
在错综复杂的表面贴装技术 (SMT) 领域，回流焊接工艺是质量和可靠性的基石。该工艺的核心是一个看似简单的变量：传送带速度。该速度是整个操作的节拍器，决定了印刷电路板 (PCB) 在回流焊炉每个温度区域内停留的精确时间。这段时间直接影响着电路板的热曲线——一个关键的时间-温度曲线，它决定了组装最终能否产生坚固可靠的产品，还是会产生大量需要昂贵返工的缺陷产品。
精心校准的温度曲线对于将焊膏从粘稠介质成功转化为牢固的金属键至关重要。它确保焊膏正确加热，熔化为液态（液相线），适当润湿元件引线和PCB焊盘，然后凝固形成耐用、电气性能良好的焊点。传送带速度是控制整个热过程的主要机制。
对热曲线和焊点质量的影响
传送带速度与温度曲线之间的关系直接且影响深远。较低的速度会增加PCB在每个区域的停留时间，使其吸收更多热能并达到更高的峰值温度。相反，较高的速度会减少这种暴露，从而降低电路板的整体温度。实现完美的平衡对于获得正确的液相线以上时间 (TAL)至关重要，TAL 是指焊料合金保持熔融状态的特定时间，以促进适当的润湿和接头形成。
- 速度过慢：当传送带移动速度过慢时，PCB 及其精密组件会长时间承受过高的热量。这可能会造成灾难性的后果，包括损坏热敏集成电路、PCB 基板变色或翘曲，以及在焊点内形成过厚且易碎的金属间化合物 (IMC)。这些厚的 IMC 层会严重损害连接的长期机械可靠性。[来源：KIC Thermal]
- 速度过快：传送带速度过快会带来相反的问题：PCB 没有足够的时间吸收必要的热量。这会导致焊膏无法在足够长的时间内达到所需的熔化温度，从而导致熔化不完全和一系列缺陷。常见问题包括冷焊点（焊点暗淡且脆弱）；润湿性差（焊料无法正确粘合到焊盘和引脚）；以及锡球（小焊球散布在电路板上）。[来源：Cadence PCB Solutions]
平衡生产效率与质量控制
从制造角度来看，更快的传送带速度至关重要，因为它可以直接转化为更高的产量和生产效率。然而，对速度的追求必须与对高质量焊点的严格要求之间取得平衡。在不事先验证和确认最终温度曲线的情况下一味追求最高速度，无异于自找麻烦。这会导致缺陷率飙升，最终造成大量返工、重新测试以及潜在的现场产品故障，从而抵消任何效率提升。
因此，最佳传送带速度并非简单地设定为尽可能快的速度。它是指能够始终如一地产生温度曲线，且恰好落在焊膏制造商为特定PCB组件定义的工艺窗口范围内的最快速度。要达到这一最佳温度曲线，需要对每次新产品的推出以及组件的任何重大变更进行细致的温度曲线测量和严格的工艺验证。
影响最佳传送带速度的因素
确定回流焊炉中的最佳传送带速度是一门精确的科学，而非猜测。它需要基于多个相互关联的变量进行仔细的计算，这些变量定义了每个PCB组件独特的热特性。速度直接控制电路板在每个加热和冷却区域的停留时间，从而决定了整个热曲线。不正确的速度会导致一系列焊接缺陷，从薄弱的冷焊点到永久性的元件损坏。为了获得完美的焊接曲线，制造商必须仔细考虑以下关键因素。
PCB复杂性和热质量
PCB 本身的物理特性是决定所需传送带速度的主要因素。这里的一个关键概念是热质量——电路板吸收和储存热量的能力。热质量较高的电路板，例如较厚的、具有多个内部铜层或具有大型铜接地层的电路板，吸收热量的速度要慢得多。这些特征充当内部散热器，将热能从表面吸走。为了确保这些复杂的电路板在其整个表面均匀地达到目标回流温度，必须降低传送带速度。这可以提供每个加热区域的更长停留时间，使热量完全穿透电路板及其元件。相反，元件密度低的简单薄板具有低得多的热质量，并且可以以更快的速度进行处理，而不会有加热不足的风险[来源：Epec] 。成功实现这种平衡是掌握 PCB 回流温度曲线的基础。
组件类型和密度
装配了各种元件的电路板会带来巨大的热挑战。大型元件，例如球栅阵列 (BGA)、四方扁平封装 (QFP) 或金属屏蔽罩，具有较高的热质量，并充当局部散热器。它们需要更多时间和能量才能达到合适的焊接温度。相比之下，0201 或 01005 电阻器和电容器等小型无源元件几乎瞬间升温。传送带速度必须经过仔细校准，使其足够慢，以允许最大、对热性能要求最高的元件实现完全回流。同时，这种较慢的速度不能过热并损坏较小、对热更敏感的部件。这种微妙的热平衡对于防止各种常见的焊接缺陷至关重要。
焊膏特性
所用焊膏的规格是不可协商的，也是整个温度曲线的基础。制造商的技术数据表提供了精确的工艺窗口，概述了预热、保温、回流和冷却阶段所需的时间和温度范围。例如，与传统的锡铅焊膏（约 210-220°C）相比，现代无铅焊膏（如 SAC305 合金）需要的峰值温度明显更高（通常为 235-245°C）。此外，焊膏中的助焊剂活化剂需要在特定温度下保持特定时间才能有效清除焊接表面的氧化物，确保适当的润湿。传送带速度是主要的调节杠杆，可确保 PCB 在通过焊炉的过程中严格遵守这些化学和热要求，这使其成为整个回流焊接工艺的基石 [来源：Kester]。
回流焊炉配置
最后，回流焊炉本身的设计和功能也起着至关重要的作用。可用加热区的数量和长度直接影响工艺灵活性和潜在产量。具有更多加热区（例如 8-12 个加热区）的回流焊炉可以实现更平缓、可控且精确的升温。这种卓越的控制水平使得更容易为复杂、高质量的组件开发成功的温度曲线，并且与加热区较少（例如 3-5 个加热区）的回流焊炉相比，甚至可以实现略高的传送带速度。同样，更长的总加热隧道长度可以实现更快的传送带速度，同时仍能实现正常回流所需的温度保持时间。深入了解回流焊炉的工作原理是优化其设置以实现最高效率和质量的关键。
如何校准和调整传送带速度
实现完美的焊点是精确热管理的体现，而传送带速度是控制焊点的主要工具。PCB组件穿过回流焊炉的速度决定了其在每个不同温度区域的停留时间，直接影响最终焊点的质量。对这一关键变量的微调并非一次性事件；它涉及一个系统的过程，包括初始温度曲线的开发、持续的实时监控以及基于数据的深入分析，以保持焊点的长期一致性和质量。
开发热剖面
正确设置传送带速度的基石是热曲线。该曲线是一个时间-温度曲线，描绘了特定PCB组件的理想热历程，旨在满足焊膏制造商的规格要求，同时考虑到电路板及其组件独特的热质量。[来源：楚欣SMT]
为了确定正确的速度，需要将温度曲线仪（一种配备热电偶的专用数据记录设备）连接到测试电路板的关键点。然后将这块装有仪器的电路板放入烤箱。收集到的数据可以准确反映电路板随时间变化的温度变化，包括它在预热区、保温区、回流区和冷却区停留的时间。工程师随后会分析这些数据并调整传送带速度——降低速度以增加停留时间和吸热量，或加快速度以降低停留时间和吸热量。这个迭代过程会持续进行，直到电路板的实际温度曲线完全符合规格要求，尤其要注意诸如升温速率和“液相线以上时间”（TAL，即有效焊接发生的窗口）等关键参数。[来源：KIC Thermal]
实时过程监控
一旦建立并验证了基准速度，就可以通过实时过程监控来保持大规模生产过程中的一致性。现代 SMT 生产线配备了先进的传感器和软件，可以持续监控生产环境。这些系统会持续跟踪传送带速度，并实时监控每个炉区的温度。任何偏离既定参数的情况都会触发警报，提醒操作员在出现大量缺陷之前进行干预。
更先进的系统，通常称为自动或实时温度曲线系统，可以为每块经过烘箱的PCB创建虚拟温度曲线。该技术使用嵌入式烘箱传感器和复杂的算法来预测每块电路板的热性能，无需外部温度曲线仪。如果系统检测到烘箱内温度出现细微波动，它可以建议甚至自动微调传送带速度，以确保每块电路板都能获得相同的热处理效果。这体现了统计过程控制 (SPC)的核心原则，即从被动解决问题转变为主动稳定工艺流程[来源：半导体工程]。
数据分析以获得一致的结果
实时监控收集的海量数据对于长期质量控制而言是一笔宝贵的财富。这些信息被记录并分析，以识别可能预示即将发生工艺问题并导致焊料空洞或冷焊等缺陷的趋势、偏差或模式。 [来源：初信SMT]通过应用数据分析技术，工程团队可以从被动的“修复”方法转变为主动的预防性维护和优化策略。
例如，如果分析显示，在多次生产运行中，轮廓偏差逐渐增大，则可能表明需要对烘箱进行维护，例如清洁鼓风机，或重新校准系统。这种数据驱动的方法来调整传送带速度和其他工艺参数，可确保生产保持稳定，并始终保持较高的良率，最终最大限度地减少昂贵的返工和废品。[来源：SourceToday]
传送带速度不正确引起的常见问题
设置并保持正确的传送带速度是确保 PCB 组件质量和长期可靠性的最关键参数之一。电路板通过回流焊炉的速度直接决定了其热特性——即其在特定时间段内经历的温度。即使与最佳速度有微小的偏差，也可能导致一系列制造缺陷，严重损害焊点的完整性，并可能损坏昂贵的元器件。
传送带速度过快引起的问题
当传送带移动过快时，PCB没有足够的时间吸收烤箱各个区域所需的热能。这种热量不足是导致几种常见焊接缺陷的主要原因：
- 冷焊点：预热区和保温区时间不足，会阻碍焊膏中的助焊剂有效活化，焊料合金也无法达到最佳熔点。这会导致焊点润湿性差，焊点脆弱、不可靠。这些冷焊点通常外观暗淡、发白或呈颗粒状，结构不牢固。
- 立碑效应：这种缺陷主要影响小型双端无源元件，例如电阻器和电容器。快速加热会导致元件焊盘之间的温度不平衡。如果一个焊盘上的焊料先于另一个焊盘熔化并润湿，熔融焊料的表面张力会将该端向上拉，导致元件垂直竖立，类似于立碑效应。
- 焊球：快速的传输时间可能导致焊膏中的挥发性溶剂在预热阶段没有足够的时间完全蒸发。当电路板快速进入高温峰值回流区时，这些滞留的挥发性溶剂可能会发生爆炸性气体逸出。这种微小的爆炸会导致熔融焊锡的微小球体飞溅到电路板上，从而导致短路。
传送带速度太慢引起的问题
相反，传送带速度过慢也会造成同等甚至更大的损害。这种情况会使 PCB 及其组件长时间暴露在过热环境中，导致热降解：
- 组件损坏：敏感电子组件，尤其是微控制器、存储芯片和某些塑料，对温度有严格的限制。如果它们长时间处于高温区域，可能会造成永久性损坏。这可能会导致立即出现功能故障，或者更严重的是，造成潜在缺陷，导致产品在其生命周期的后期发生不可预测的故障。
- 金属间化合物 (IMC) 过度生长：虽然薄而均匀的 IMC 层（通常是铜锡化合物）对于牢固的焊点至关重要，但长时间暴露在高温下会导致该层过厚并变脆。过厚的 IMC 层会损害焊点的机械强度和抗疲劳性，使其在热循环或物理应力下容易开裂和失效。[来源：Qualitek]。
- 电路板变色和分层：过热会损坏 PCB 层压基板本身。这通常表现为电路板材料变黄或变褐（变色）。在严重的情况下，它会导致翘曲甚至分层，构成电路板的玻璃纤维和树脂层开始分离，从而损坏组件。
实现最佳传送带速度的最佳实践
为了避免这些普遍存在且代价高昂的问题，必须根据每个独特 PCB 组件的具体要求建立并严格保持正确的传送带速度。
- 制定并遵循回流温度曲线：合适的传送带速度的基础是科学制定的温度曲线。使用专业的温度曲线测量设备测量电路板在回流炉中移动时的温度。系统地调整传送带速度和各个区域的温度，直到最终的温度曲线符合焊膏制造商的规格。更多详细信息，请参阅关于掌握 PCB 回流温度曲线以及如何使用温度曲线解决缺陷的综合指南。
- 确保速度同步：在全自动 SMT 生产线中，所有传送带（从上料机到回流焊炉再到下料机）的速度必须完美同步，以确保工作流程顺畅无阻。速度不匹配会导致瓶颈、电路板碰撞以及生产中断。了解更多关于如何调整速度以实现高效工作流程的信息。
- 定期校准和维护：不要想当然地认为控制设置是准确的。定期使用校准过的转速表，验证传送带的实际速度与其显示设置是否一致。电机和皮带的机械磨损会随着时间的推移导致差异。定期进行预防性维护，包括检查皮带张力是否合适以及检查滚筒磨损情况，可以防止卡纸和速度波动等常见问题。
- 优先考虑操作员培训：确保所有机器操作员了解传送带速度对最终产品整体质量的关键作用。他们应接受培训，以正确装载电路板、监控过程中是否存在任何偏差迹象，并了解处理升级问题的正确程序。适当的培训使操作员能够成为防止普遍缺陷的第一道防线。
来源
- Cadence PCB 解决方案 – 回流焊接温度曲线的重要性
- Chuxin SMT – 调整 PCB 传送带的速度同步，实现高效的工作流程
- 初心SMT – 回流焊炉冷却区综合指南
- Chuxin SMT – 深入了解回流焊接工艺
- Chuxin SMT – 回流焊炉如何工作？完整指南
- 初心SMT – 如何减少回流焊工艺中的空洞：技巧和解决方案
- 初心SMT – 掌握PCB回流温度曲线
- 初心SMT – PCB传送带堵塞：问题、解决方案和预防技巧
- 初信SMT – 回流焊炉温度曲线：焊接缺陷解决方案
- 初心SMT – 解决回流焊中的冷焊点：专家提示
- Epec – PCB回流焊接工艺和技术
- Kester – SMT 组装回流焊温度曲线
- KIC Thermal – 正确的热分析
- KIC Thermal – 热分布及其公差；工艺窗口
- Qualitek – 金属间化合物过度生长
- 半导体工程 – 通过统计过程控制提高芯片可靠性
- SourceToday – SPC 在电子制造中的作用