選擇性波峰焊（PCB插件通孔焊接領(lǐng)域的設(shè)備）

技術(shù)發(fā)展

在現(xiàn)代電子焊接技術(shù)的發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了兩次歷史性的變革：第一次是從通孔焊接技術(shù)向表面貼裝焊接技術(shù)的轉(zhuǎn)變；第二次便是我們正在經(jīng)歷的從有鉛焊接技術(shù)向無(wú)鉛焊接技術(shù)的轉(zhuǎn)變。焊接技術(shù)的演變直接帶來(lái)了兩個(gè)結(jié)果：一是線(xiàn)路板上所需焊接的通孔元器件越來(lái)越少；二是通孔元器件（尤其是大熱容量或細(xì)間距元器件）的焊接難度越來(lái)越大，特別是對(duì)無(wú)鉛和高可靠性要求的產(chǎn)品。再來(lái)看看全球電子組裝行業(yè)目前所面臨的新挑戰(zhàn)：全球競(jìng)爭(zhēng)迫使生產(chǎn)廠(chǎng)商必須在更短時(shí)間里將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，以滿(mǎn)足客戶(hù)不斷變化的要求；產(chǎn)品需求的季節(jié)性變化，要求靈活的生產(chǎn)制造理念；全球競(jìng)爭(zhēng)迫使生產(chǎn)廠(chǎng)商在提升品質(zhì)的前提下降低運(yùn)行成本；無(wú)鉛生產(chǎn)已是大勢(shì)所趨。上述挑戰(zhàn)都自然地反映在生產(chǎn)方式和設(shè)備的選擇上，這也是為什么選擇性波峰焊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)選擇焊）在近年來(lái)比其他焊接方式發(fā)展得都要快的主要原因；當(dāng)然，無(wú)鉛時(shí)代的到來(lái)也是推動(dòng)其發(fā)展的另一個(gè)重要因素。

通孔元器件的焊接主要采用手工焊、波峰焊和選擇焊等幾種焊接技術(shù)，它們的特點(diǎn)各不相同，下面我們進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的介紹：

手工焊接

手工焊接由于具有歷史悠久、成本低、靈活性高等優(yōu)勢(shì)，至今仍被廣泛采用。但是，在可靠性要求高、焊接難度大的一些應(yīng)用中，由于下述原因受到相當(dāng)?shù)闹萍s：

1、烙鐵頭的溫度難以精確控制，這是一個(gè)最根本的問(wèn)題。如果烙鐵頭溫度過(guò)低，容易造成焊接溫度低于工藝窗口的下限而形成冷焊或虛焊；同時(shí)，由于烙鐵的熱回復(fù)性畢竟有限，非常容易導(dǎo)致金屬化通孔內(nèi)透錫不良。烙鐵頭溫度過(guò)高，容易使焊接溫度高于工藝窗口上限而形成過(guò)厚的金屬間化合物層，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)變脆、強(qiáng)度下降，并可能導(dǎo)致焊盤(pán)脫落使線(xiàn)路板報(bào)廢；

2、焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞往往受到操作者的知識(shí)、技能和情緒的影響，很難進(jìn)行控制；

3、勞動(dòng)力較機(jī)器設(shè)備的成本優(yōu)勢(shì)正在逐漸喪失。

設(shè)備歷程

波峰焊設(shè)備發(fā)明至今已有50多年的歷史了，在通孔元器件電路板的制造中具有生產(chǎn)效率高和產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，因此曾經(jīng)是電子產(chǎn)品自動(dòng)化大批量生產(chǎn)中最主要的焊接設(shè)備。但是，在其應(yīng)用中也存在有一定的局限性：

焊接參數(shù)不同。

同一塊線(xiàn)路板上的不同焊點(diǎn)因其特性不同(如熱容量、引腳間距、透錫要求等），其所需的焊接參數(shù)可能大相徑庭。但是，波峰焊的特點(diǎn)是使整塊線(xiàn)路板上的所有焊點(diǎn)在同一設(shè)定參數(shù)下完成焊接，因而不同焊點(diǎn)間需要彼此“將就”，這使得波峰焊較難完全滿(mǎn)足高品質(zhì)線(xiàn)路板的焊接要求；

在實(shí)際應(yīng)用中比較容易出現(xiàn)問(wèn)題。

相關(guān)問(wèn)題

*熱沖擊過(guò)大時(shí)容易造成整塊線(xiàn)路板變形，從而使線(xiàn)路板頂部的元器件焊點(diǎn)開(kāi)路

*雙面混裝電路板上焊好的表貼器件可能出現(xiàn)二次熔化

*焊好的熱敏器件（電容，LED等）容易因溫度過(guò)高而損壞

*為防止上述情況的發(fā)生而使用的工裝夾具容易形成焊接陰影進(jìn)而造成冷焊

運(yùn)行成本較高。

在波峰焊的實(shí)際應(yīng)用中，助焊劑的全板噴涂和錫渣的產(chǎn)生都帶來(lái)了較高的運(yùn)行成本；尤其是無(wú)鉛焊接時(shí)，因?yàn)闊o(wú)鉛焊料的價(jià)格是有鉛焊料的3倍以上，錫渣產(chǎn)生所帶來(lái)的運(yùn)行成本增加是很驚人的。此外，無(wú)鉛焊料不斷熔解焊盤(pán)上的銅，時(shí)間一長(zhǎng)便會(huì)使錫缸中的焊料成分發(fā)生變化，這需要定期添加純錫和昂貴的銀來(lái)加以解決；

維護(hù)與保養(yǎng)麻煩。

生產(chǎn)中殘余的助焊劑會(huì)留在波峰焊的傳送系統(tǒng)中，而且產(chǎn)生的錫渣需要定期清除，這些都給使用者帶來(lái)較為繁復(fù)的設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)工作；

線(xiàn)路板設(shè)計(jì)不良給生產(chǎn)帶來(lái)一定的困難。

有些線(xiàn)路板在焊接時(shí)，由于設(shè)計(jì)者沒(méi)有考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，無(wú)論我們?cè)O(shè)定什么樣的波峰焊參數(shù)和采用各種夾具，焊接效果總是難以讓人完全滿(mǎn)意（例如，某些關(guān)鍵部位總是存在透錫不良或橋連等缺陷）。波峰焊后不得不進(jìn)行補(bǔ)焊，從而降低了產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。

選擇焊接

由于使用選擇焊進(jìn)行焊接時(shí)，每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接參數(shù)都可以“度身定制”，我們不必再“將就”。工程師有足夠的工藝調(diào)整空間把每個(gè)焊點(diǎn)的焊接參數(shù)（助焊劑的噴涂量、焊接時(shí)間、焊接波峰高度等）調(diào)至最佳，缺陷率由此降低，我們甚至有可能做到通孔元器件的零缺陷焊接。

選擇焊只是針對(duì)所需要焊接的點(diǎn)進(jìn)行助焊劑的選擇性噴涂，線(xiàn)路板的清潔度因此大大提高，同時(shí)離子污染量大大降低。助焊劑中的NA+離子和CL-離子如果殘留在線(xiàn)路板上，時(shí)間一長(zhǎng)會(huì)與空氣中的水分子結(jié)合形成鹽從而腐蝕線(xiàn)路板和焊點(diǎn)，最終造成焊點(diǎn)開(kāi)路。因此，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式往往需要對(duì)焊接完的線(xiàn)路板進(jìn)行清洗，而選擇焊則從根本上解決了這一問(wèn)題。

焊接中的升溫和降溫過(guò)程都會(huì)給線(xiàn)路板帶來(lái)熱沖擊，其強(qiáng)度在無(wú)鉛焊接中尤為突出。無(wú)鉛波峰焊的波峰溫度一般為260℃左右，比有鉛波峰焊高10～15℃。在焊接時(shí)，整塊線(xiàn)路板的溫度經(jīng)歷了從室溫到260℃，再冷卻到室溫的過(guò)程，這一升一降的兩個(gè)溫度變化過(guò)程所帶來(lái)的熱沖擊會(huì)使線(xiàn)路板上不同材質(zhì)的物體因?yàn)闊崦浝淇s系數(shù)不同而形成剪切應(yīng)力，比如說(shuō)BGA器件，在承受熱沖擊時(shí)便會(huì)在焊球的頂部與底部形成剪切應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)剪切應(yīng)力大到一定程度時(shí)便會(huì)使BGA形成分層和微裂縫。這樣的缺陷很難檢測(cè)（即使借助X光機(jī)和AOI），而且焊點(diǎn)在物理連接上仍然導(dǎo)通（也無(wú)法通過(guò)功能測(cè)試檢測(cè)），但是當(dāng)產(chǎn)品在實(shí)際使用中該焊點(diǎn)受到震動(dòng)等外來(lái)因素影響時(shí)，很容易形成開(kāi)路。選擇焊只是針對(duì)特定點(diǎn)的焊接，無(wú)論是在點(diǎn)焊和拖焊時(shí)都不會(huì)對(duì)整塊線(xiàn)路板造成熱沖擊，因此也不會(huì)在BGA等表面貼裝器件上形成明顯的剪切應(yīng)力，從而避免了熱沖擊所帶來(lái)的各類(lèi)缺陷。無(wú)鉛焊接所需溫度高，焊料可焊性和流動(dòng)性差，焊料的熔銅性強(qiáng)。

技術(shù)要點(diǎn)

*助焊劑噴涂系統(tǒng)

選擇焊采用選擇性助焊劑噴涂系統(tǒng)，即助焊劑噴頭根據(jù)事先編制好的程序指令運(yùn)行到指定位置后，僅對(duì)線(xiàn)路板上需要焊接的區(qū)域進(jìn)行助焊劑噴涂（可點(diǎn)噴和線(xiàn)噴），不同區(qū)域的噴涂量可根據(jù)程序進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于是選擇性噴涂，不僅助焊劑用量比波峰焊有很大的節(jié)省，同時(shí)也避免了對(duì)線(xiàn)路板上非焊接區(qū)域的污染。

因?yàn)槭沁x擇性噴涂，所以對(duì)助焊劑噴頭控制的精度要求非常高（包括助焊劑噴頭的驅(qū)動(dòng)方式），同時(shí)助焊劑噴頭也應(yīng)具備自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

此外，助焊劑噴涂系統(tǒng)中，在材料的選擇上必須能要考慮到非VOC助焊劑(即水溶性助焊劑)的強(qiáng)腐蝕性，因此，凡有可能接觸到助焊劑的地方，零部件都必須能抗腐蝕。

*預(yù)熱模塊

預(yù)熱模塊的關(guān)鍵在于安全，可靠。

首先，整板預(yù)熱是其中的關(guān)鍵。因?yàn)檎孱A(yù)熱可以有效地防止線(xiàn)路板的不同位置受熱不均而造成線(xiàn)路板的變形。

其次，預(yù)熱的安全可控非常重要。預(yù)熱的主要作用是活化助焊劑，由于助焊劑的活化是在一定溫度范圍下完成的，過(guò)高和過(guò)低的溫度對(duì)助焊劑的活化都是不利的。此外，線(xiàn)路板上的熱敏器件也要求預(yù)熱的溫度可控，不然熱敏器件將很有可能被損壞。

試驗(yàn)表明，充分的預(yù)熱還可以縮短焊接時(shí)間和降低焊接溫度；而且這樣一來(lái)，焊盤(pán)與基板的剝離、對(duì)線(xiàn)路板的熱沖擊，以及熔銅的風(fēng)險(xiǎn)也降低了，焊接的可靠性自然大大增加。

*焊接模塊

焊接模塊通常由錫缸、機(jī)械/電磁泵、焊接噴嘴、氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置和傳動(dòng)裝置等構(gòu)成。由于機(jī)械/電磁泵的作用，錫缸中的焊料會(huì)從獨(dú)立的焊接噴嘴中不斷涌出，形成一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)錫波；氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置可以有效防止由于錫渣產(chǎn)生而堵塞焊接噴嘴；而傳動(dòng)裝置則保證了錫缸或線(xiàn)路板的精確移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)焊接。

1.氮?dú)獾氖褂?。氮?dú)獾氖褂每梢詫o(wú)鉛焊料的可焊性提高4倍，這對(duì)全面提高無(wú)鉛焊接的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的。

2.選擇焊與浸焊的根本區(qū)別。浸焊是將線(xiàn)路板浸在錫缸中依靠焊料的表面張力自然爬升完成焊接。對(duì)于大熱容量和多層線(xiàn)路板，浸焊是很難達(dá)到透錫要求的。選擇焊則不同，焊接噴嘴中沖出來(lái)的是動(dòng)態(tài)的錫波，它的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度會(huì)直接影響到通孔內(nèi)的垂直透錫度；特別是進(jìn)行無(wú)鉛焊接時(shí)，因?yàn)槠錆?rùn)濕性差，更需要?jiǎng)討B(tài)強(qiáng)勁的錫波。此外，流動(dòng)強(qiáng)勁的波峰上不容易殘留氧化物，這對(duì)提高焊接質(zhì)量也會(huì)有幫助。

3.焊接參數(shù)的設(shè)定。

針對(duì)不同的焊點(diǎn)，焊接模塊應(yīng)能對(duì)焊接時(shí)間、波峰頭高度和焊接位置進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，這將使操作工程師有足夠的空間來(lái)進(jìn)行工藝調(diào)整，從而使每個(gè)焊點(diǎn)的焊接效果達(dá)到最佳。有的選擇焊設(shè)備甚至還能通過(guò)控制焊點(diǎn)的形狀來(lái)達(dá)到防止橋連的效果。

*線(xiàn)路板傳送系統(tǒng)

選擇焊對(duì)線(xiàn)路板傳送系統(tǒng)的關(guān)鍵要求是精度。為了達(dá)到精度要求，傳送系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)：

1.軌道材料防變形，穩(wěn)定耐用；

2.在通過(guò)助焊劑噴涂模塊和焊接模塊的軌道上加裝定位裝置。

選擇焊所帶來(lái)的低運(yùn)行成本

選擇焊的低運(yùn)行成本是其迅速受到制造廠(chǎng)商歡迎的重要原因。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

前面已提到過(guò)，現(xiàn)在的線(xiàn)路板通孔元器件的焊接往往有可能只占整體線(xiàn)路板焊接的很小一部分，在這樣的情況下，選擇焊具有以下的成本優(yōu)勢(shì)：

:較小的設(shè)備占地面積

:較少的能源消耗

:大量的助焊劑節(jié)省

:大幅度減少錫渣產(chǎn)生

:大幅度減少氮?dú)馐褂昧?/p>

:沒(méi)有工裝夾具費(fèi)用的發(fā)生

產(chǎn)品劣勢(shì)

1、購(gòu)買(mǎi)成本偏高

一個(gè)原因選擇性波峰焊實(shí)現(xiàn)的功能比一般的波峰焊復(fù)雜，所以機(jī)器結(jié)構(gòu)就會(huì)比較復(fù)雜，制造成本比較高。另一個(gè)原因就是現(xiàn)在主流的選擇性波峰焊還是進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)化剛開(kāi)始，市場(chǎng)的需求逐步增加，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)逐漸加強(qiáng)。

2、效率低

選擇性波峰焊在焊點(diǎn)質(zhì)量控制上的優(yōu)勢(shì)很顯著，但同時(shí)它和傳統(tǒng)的波峰焊相比在產(chǎn)量上面的不足也表現(xiàn)的非常明顯，因?yàn)橐粋€(gè)噴嘴同時(shí)只可能焊接一個(gè)焊點(diǎn)，雖然現(xiàn)在有的機(jī)器，通過(guò)加多噴嘴的數(shù)量來(lái)提高產(chǎn)量，但在產(chǎn)量上還是選擇性波峰焊一個(gè)重要的不足