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)向無鉛焊接技術(shù)的轉(zhuǎn)變。焊接技術(shù)的演變直接帶來了兩個結(jié)果：一是線路板上所需焊接的通孔元器件越來越少；二是通孔元器件（尤其是大熱容量或細間距元器件）的焊接難度越來越大，特別是對無鉛和高可靠性要求的產(chǎn)品。再來看看全球電子組裝行業(yè)目前所面臨的新挑戰(zhàn)：全球競爭迫使生產(chǎn)廠商必須在更短時間里將產(chǎn)品推向市場，以滿足客戶不斷變化的要求；產(chǎn)品需求的季節(jié)性變化，要求靈活的生產(chǎn)制造理念；全球競爭迫使生產(chǎn)廠商在提升品質(zhì)的前提下降低運行成本；無鉛生產(chǎn)已是大勢所趨。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（以下簡稱選擇焊）在近年來比其他焊接方式發(fā)展得都要快的主要原因；當(dāng)然，無鉛時代的到來也是推動其發(fā)展的另一個重要因素。

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)，它們的特點各不相同，下面我們進行一下簡單的介紹：

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，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，這是一個最根本的問題。如果烙鐵頭溫度過低，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，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。烙鐵頭溫度過高，容易使焊接溫度高于工藝窗口上限而形成過厚的金屬間化合物層，從而導(dǎo)致焊點變脆、強度下降，并可能導(dǎo)致焊盤脫落使線路板報廢；

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

3、勞動力較機器設(shè)備的成本優(yōu)勢正在逐漸喪失。

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，因此曾經(jīng)是電子產(chǎn)品自動化大批量生產(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。

同一塊線路板上的不同焊點因其特性不同(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，波峰焊的特點是使整塊線路板上的所有焊點在同一設(shè)定參數(shù)下完成焊接，因而不同焊點間需要彼此“將就”，這使得波峰焊較難完全滿足高品質(zhì)線路板的焊接要求；

在實際應(yīng)用中比較容易出現(xiàn)問題。

相關(guān)問題

*熱沖擊過大時容易造成整塊線路板變形，從而使線路板頂部的元器件焊點開路

*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而造成冷焊

運行成本較高。

在波峰焊的實際應(yīng)用中，助焊劑的全板噴涂和錫渣的產(chǎn)生都帶來了較高的運行成本；尤其是無鉛焊接時，因為無鉛焊料的價格是有鉛焊料的3倍以上，錫渣產(chǎn)生所帶來的運行成本增加是很驚人的。此外，無鉛焊料不斷熔解焊盤上的銅，時間一長便會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加以解決；

維護與保養(yǎng)麻煩。

生產(chǎn)中殘余的助焊劑會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較為繁復(fù)的設(shè)備維護與保養(yǎng)工作；

線路板設(shè)計不良給生產(chǎn)帶來一定的困難。

有些線路板在焊接時，由于設(shè)計者沒有考慮到生產(chǎn)實際情況，無論我們設(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）。波峰焊后不得不進行補焊，從而降低了產(chǎn)品的長期可靠性。

選擇焊接

由于使用選擇焊進行焊接時，每一個焊點的焊接參數(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)整空間把每個焊點的焊接參數(shù)（助焊劑的噴涂量、焊接時間、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。

選擇焊只是針對所需要焊接的點進行助焊劑的選擇性噴涂，線路板的清潔度因此大大提高，同時離子污染量大大降低。助焊劑中的NA+離子和CL-離子如果殘留在線路板上，時間一長會與空氣中的水分子結(jié)合形成鹽從而腐蝕線路板和焊點，最終造成焊點開路。因此，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式往往需要對焊接完的線路板進行清洗，而選擇焊則從根本上解決了這一問題。

焊接中的升溫和降溫過程都會給線路板帶來熱沖擊，其強度在無鉛焊接中尤為突出。無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，整塊線路板的溫度經(jīng)歷了從室溫到260℃，再冷卻到室溫的過程，這一升一降的兩個溫度變化過程所帶來的熱沖擊會使線路板上不同材質(zhì)的物體因為熱脹冷縮系數(shù)不同而形成剪切應(yīng)力，比如說BGA器件，在承受熱沖擊時便會在焊球的頂部與底部形成剪切應(yīng)力，當(dāng)這個剪切應(yīng)力大到一定程度時便會使BGA形成分層和微裂縫。這樣的缺陷很難檢測（即使借助X光機和AOI），而且焊點在物理連接上仍然導(dǎo)通（也無法通過功能測試檢測），但是當(dāng)產(chǎn)品在實際使用中該焊點受到震動等外來因素影響時，很容易形成開路。選擇焊只是針對特定點的焊接，無論是在點焊和拖焊時都不會對整塊線路板造成熱沖擊，因此也不會在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的各類缺陷。無鉛焊接所需溫度高，焊料可焊性和流動性差，焊料的熔銅性強。

技術(shù)要點

*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行到指定位置后，僅對線路板上需要焊接的區(qū)域進行助焊劑噴涂（可點噴和線噴），不同區(qū)域的噴涂量可根據(jù)程序進行調(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，同時也避免了對線路板上非焊接區(qū)域的污染。

因為是選擇性噴涂，所以對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)動方式），同時助焊劑噴頭也應(yīng)具備自動校準功能。

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。因為整板預(yù)熱可以有效地防止線路板的不同位置受熱不均而造成線路板的變形。

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，過高和過低的溫度對助焊劑的活化都是不利的。此外，線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。

試驗表明，充分的預(yù)熱還可以縮短焊接時間和降低焊接溫度；而且這樣一來，焊盤與基板的剝離、對線路板的熱沖擊，以及熔銅的風(fēng)險也降低了，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、機械/電磁泵、焊接噴嘴、氮氣保護裝置和傳動裝置等構(gòu)成。由于機械/電磁泵的作用，錫缸中的焊料會從獨立的焊接噴嘴中不斷涌出，形成一個穩(wěn)定的動態(tài)錫波；氮氣保護裝置可以有效防止由于錫渣產(chǎn)生而堵塞焊接噴嘴；而傳動裝置則保證了錫缸或線路板的精確移動以實現(xiàn)逐點焊接。

1.氮氣的使用。氮氣的使用可以將無鉛焊料的可焊性提高4倍，這對全面提高無鉛焊接的質(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。對于大熱容量和多層線路板，浸焊是很難達到透錫要求的。選擇焊則不同，焊接噴嘴中沖出來的是動態(tài)的錫波，它的動態(tài)強度會直接影響到通孔內(nèi)的垂直透錫度；特別是進行無鉛焊接時，因為其潤濕性差，更需要動態(tài)強勁的錫波。此外，流動強勁的波峰上不容易殘留氧化物，這對提高焊接質(zhì)量也會有幫助。

3.焊接參數(shù)的設(shè)定。

針對不同的焊點，焊接模塊應(yīng)能對焊接時間、波峰頭高度和焊接位置進行個性化設(shè)置，這將使操作工程師有足夠的空間來進行工藝調(diào)整，從而使每個焊點的焊接效果達到最佳。有的選擇焊設(shè)備甚至還能通過控制焊點的形狀來達到防止橋連的效果。

*線路板傳送系統(tǒng)

選擇焊對線路板傳送系統(tǒng)的關(guān)鍵要求是精度。為了達到精度要求，傳送系統(tǒng)應(yīng)滿足以下兩點：

1.軌道材料防變形，穩(wěn)定耐用；

2.在通過助焊劑噴涂模塊和焊接模塊的軌道上加裝定位裝置。

選擇焊所帶來的低運行成本

選擇焊的低運行成本是其迅速受到制造廠商歡迎的重要原因。

產(chǎn)品優(yōu)勢

前面已提到過，現(xiàn)在的線路板通孔元器件的焊接往往有可能只占整體線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：

: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

:大幅度減少氮氣使用量

:沒有工裝夾具費用的發(fā)生

產(chǎn)品劣勢

1、購買成本偏高

一個原因選擇性波峰焊實現(xiàn)的功能比一般的波峰焊復(fù)雜，所以機器結(jié)構(gòu)就會比較復(fù)雜，制造成本比較高。另一個原因就是現(xiàn)在主流的選擇性波峰焊還是進口產(chǎn)品，國產(chǎn)化剛開始，市場的需求逐步增加，市場的競爭逐漸加強。

2、效率低

選擇性波峰焊在焊點質(zhì)量控制上的優(yōu)勢很顯著，但同時它和傳統(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，因為一個噴嘴同時只可能焊接一個焊點，雖然現(xiàn)在有的機器，通過加多噴嘴的數(shù)量來提高產(chǎn)量，但在產(chǎn)量上還是選擇性波峰焊一個重要的不足