回流焊热解析
理论：各元件升温速度不同
概述
回流焊后，只有大屏蔽罩下面的焊料没熔透（未熔融）。提高炉温就行了吗？
提高温度的话，小元件可能反而过热。回流炉中整块板吹的是同样的热风，但元件的热容与表面积之比决定了升温速度。片式元件几秒就跟上热风温度，热容大的屏蔽罩和连接器却要几十秒甚至几分钟。所以问题不是“炉温”，而是“元件之间的温差”。用各元件的时间常数估算，就知道改什么能缩小差距。
各元件的时间常数
$m$ 为元件质量，$c$ 为比热，$h$ 为热风换热系数，$A$ 为受热表面积。元件温度以时间常数 $\tau$ 的滞后追随热风温度。实际上热量还会通过电路板传递，但要估计元件之间的差异，这个简单模型就够了。
液相线以上时间
无铅焊料（SAC305）熔点约217 ℃。焊料要充分润湿接合，液相线以上时间（TAL）一般需要几十秒到一分半左右；同时不能超过元件耐热温度（多为260 ℃左右）。把所有元件都控制在这个上下范围内，就是温度曲线设计。
无铅化后变窄的“窗口”
以前的锡铅焊料熔点为183 ℃，与元件耐热温度之间有60 K以上的余量。2006年欧盟RoHS指令实施、限制使用铅之后，熔点约217 ℃的无铅焊料成为主流，余量缩小到30～40 K左右。在混有热容差异很大元件的电路板上，把所有元件纳入这个窄窗口变得困难，炉内温度测量和用热分析设计温度曲线变得重要。
算例：假想温度曲线
热风温度：0～90秒从25升到180 ℃，保持180 ℃到180秒（均热），到240秒升到250 ℃，保持到280秒，然后冷却。元件时间常数为假想值。
| 元件 | 时间常数 | 峰值温度 | 217 ℃以上时间 |
|---|---|---|---|
| 小片式元件 | 8 s | 249.9 ℃ | 77 s |
| QFP | 25 s | 244.8 ℃ | 71 s |
| 大BGA | 60 s | 225.5 ℃ | 40 s |
| 重屏蔽罩/连接器 | 120 s | 192.5 ℃ | 0 s |
重元件连焊料熔点都达不到。
对，元件之间相差57 K。我们来比较两种对策。
对策比较
| 变更 | 小元件峰值 | BGA 217 ℃以上 | 重元件峰值 | 元件间温差 |
|---|---|---|---|---|
| 原条件 | 249.9 ℃ | 40 s | 192.5 ℃ | 57 K |
| 峰值提高到260 ℃ | 259.9 ℃ | 55 s | 197.4 ℃ | 63 K |
| 峰值保持延长30秒 | 250.0 ℃ | 76 s | 204.5 ℃ | 46 K |
提高峰值温度，小元件逼近260 ℃耐热极限，重元件却只升高5 K，差距反而扩大。延长保持时间，小元件已达热风温度不会再升，只有滞后的元件追上来。要缩小元件温差，“延长”比“提高”有效。若重元件仍达不到熔点，就需要延长预热（均热）使温度一致、增加底部加热或调整元件布局等对策。
分析与测量
步骤
- 找出板上热容最大和最小的元件，估计其时间常数。
- 在装有热电偶的样板上测量实际温度曲线，校准换热系数和时间常数。
- 用整板热分析（板内导热、元件遮挡、传送带速度）预测温度分布。
- 选择让所有元件都在TAL和耐热温度范围内的温度曲线。
“同样元件，位置不同结果不同”
同一个BGA放在板上两处，只有一处出现空洞或润湿不良——那个位置旁边有高的连接器挡住热风，处在“阴影”中。元件的时间常数不仅取决于元件本身，还取决于周围元件和板内铜量：铜多的电源层正上方，电路板会吸走热量，升温慢。这类布局造成的差异，用单个元件的简单模型看不出来，需要整板热分析和实测确认。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只提高峰值 | 小元件过热，差距扩大 | 延长高温时间 |
| 只测一个点 | 漏掉未熔融或过热 | 测量最大和最小元件 |
| 忽略元件遮挡 | 按位置出现不良 | 包含布局分析 |
| 忽略板内铜量 | 漏掉难升温的位置 | 计入叠层结构 |
| 不确认元件耐热温度 | 元件损坏 | 按最弱元件确定上限 |
我想自己计算元件的温度变化。