波峰焊接工藝中治具的設(shè)計(jì)

周慧玲，韓 彬，檀正東，周 旋，史建衛(wèi)

(1.華為技術(shù)有限公司，廣東深圳518129；2.深圳市艾爾摩迪精密科技有限公司，廣東深圳518103；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055)

波峰焊治具又稱(chēng)波峰焊載具，過(guò)爐焊治具，是針對(duì)PCB過(guò)波峰焊時(shí)有些元器件需要保護(hù)或起到輔助定位插件作用所設(shè)計(jì)的一種治具，在波峰焊工藝中有著很廣泛的應(yīng)用。它用來(lái)支撐PCB，保護(hù)及其所攜帶的貼裝元器件，并可以承受較高的焊接溫度，防止PCB變形，并實(shí)現(xiàn)波峰焊的連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)提高焊接品質(zhì)和生產(chǎn)效率有著很大的作用[1]。在波峰焊工藝中，治具的設(shè)計(jì)與制作是很重要的一個(gè)方面。因此，了解并掌握波峰焊治具的相關(guān)知識(shí)很有必要。

1 波峰焊治具的功能

理論上PCB可直接通過(guò)波峰進(jìn)行焊接，而無(wú)需輔助添加治具。但是，波峰焊治具對(duì)于PCB板的焊接有著很重要的作用，可以在很大程度上保證焊接品質(zhì)。

（1）波峰焊的焊接溫度一般可達(dá)到260℃[2]，在此溫度下，一些厚度較薄而尺寸較大的PCB可能變形，發(fā)生彎曲。PCB上有些通孔元器件的焊盤(pán)尺寸很小，對(duì)焊接位置的敏感度很高，一旦PCB發(fā)生變形和彎曲，這些元器件的焊接效果會(huì)受到很大影響，可能出現(xiàn)焊料過(guò)多或不足、橋連、漏焊、虛焊等缺陷。波峰焊治具均采用耐高溫材料制成，在焊接溫度下不易變形，可以保證PCB的平面度，進(jìn)一步保證焊接質(zhì)量。

（2）PCB上有貼裝元器件時(shí)，過(guò)波峰焊時(shí)易受波峰熱量沖擊，焊點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)位，使元器件本體脫落[3]。波峰焊治具可以保護(hù)貼裝元器件，使其安全通過(guò)波峰焊。

（3）對(duì)于一些較小的PCB，單獨(dú)過(guò)波峰焊的效率很低。使用治具可以一次通過(guò)較多的PCB板，提高了生產(chǎn)效率。

（4）對(duì)于PCB上不耐高溫的元器件，或者不能人手觸摸的元器件，均可以用治具保護(hù)起來(lái)。

（5）對(duì)于較薄的PCB板和柔性電路板，治具會(huì)起到重要的支撐作用。

（6）通過(guò)治具可將波峰焊生產(chǎn)線(xiàn)寬標(biāo)準(zhǔn)化，適用于多種PCB，提高生產(chǎn)效率。

綜上所述，正是因?yàn)榫哂腥绱硕嗟闹匾饔?，在很多情況下，波峰焊治具已經(jīng)成為波峰焊生產(chǎn)中不可缺少的部分。

2 波峰焊治具的常用材料

波峰焊治具的常用材料主要有合成石、電木、金屬框及玻纖板[4]等（如圖1所示），下面分別介紹它們的特點(diǎn)。

圖1 不同材料的波峰焊治具

2.1 合成石

合成石是波峰焊治具底板的合成材料，目前市場(chǎng)上的合成石有國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口之分，種類(lèi)繁多，性能差異較大。選擇材料前必須多了解客戶(hù)的生產(chǎn)工藝和參數(shù)。合成石板具有很高的彈塑性和抗沖擊性，而且具有很好的抗腐蝕能力。合成石的導(dǎo)熱性很低，可保證PCB上的熱量均勻分布，且在長(zhǎng)時(shí)間使用后仍能保持其固有尺寸。合成石耐熱溫度一般在300～350℃，短時(shí)間內(nèi)可耐高溫達(dá)385℃，具有很好的耐高溫能力，保證長(zhǎng)時(shí)間不退色，常用來(lái)制作耐高溫器件，成本較高。

2.2 電木

電木具有較高機(jī)械強(qiáng)度、良好的絕緣性，且耐熱、耐腐蝕，其合成工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，綜合性能較好，但機(jī)械加工性能較差。

2.3 金屬框

用于制作波峰焊治具的金屬材料一般有鈦合金和鋁。鈦合金具有很好的強(qiáng)度和韌性，疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好。某些鈦合金的最高工作溫度為550℃，而且表面在高溫下會(huì)形成致密的氧化膜，不會(huì)被進(jìn)一步氧化，其價(jià)格較為昂貴。鋁板的強(qiáng)度高、韌性好，其密度比鈦合金更輕，機(jī)械加工性能很好。

2.4 玻纖板

玻纖板具有良好平整度，表面光滑，較好的機(jī)械性能和介電性能。在150℃時(shí)仍具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，可耐300℃高溫，并具有很好的耐潮性，適合應(yīng)用于高性能電子絕緣要求的產(chǎn)品。其缺點(diǎn)是在長(zhǎng)期使用后可能出現(xiàn)分層現(xiàn)象，不耐強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，壽命較短。

圖1給出了各種材料的治具圖例，在選擇波峰焊治具的過(guò)程中，要根據(jù)客戶(hù)產(chǎn)品的要求、波峰焊的溫度、助焊劑的腐蝕性，以及PCB上元器件的要求，成本等方面綜合考慮要選用的治具材料。

3 波峰焊治具的制作工藝[5]

3.1 波峰焊治具的制作流程

一般來(lái)說(shuō)，波峰焊治具的制作流程如下：

（1）客戶(hù)提供PCB實(shí)裝板，說(shuō)明治具的生產(chǎn)要求和一些必要的資料；

（2）技術(shù)人員根據(jù)提供的資料和要求，設(shè)計(jì)治具各個(gè)部分的形狀、尺寸，并寫(xiě)出各部分的加工程序，提供完整的裝配圖紙；

（3）加工人員根據(jù)技術(shù)人員所要求進(jìn)行加工，并將各部件進(jìn)行裝配；質(zhì)量檢測(cè)人員對(duì)加工好的治具進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)，將成品提交給客戶(hù)。

在設(shè)計(jì)治具之前，技術(shù)人員要充分了解以下有關(guān)治具的資料：

（1）PCB圖紙和PCBA樣品，客戶(hù)的物料清單以及治具的設(shè)計(jì)規(guī)格；

（2）治具的流向，流向槽的寬度和厚度，壓扣類(lèi)型和安裝方式；

（3）PCBA需要保護(hù)和需要上錫的元件；

（4）治具各個(gè)部分的材料。了解了這些資料之后，技術(shù)人員對(duì)治具進(jìn)行2D或3D設(shè)計(jì)。

當(dāng)客戶(hù)沒(méi)有提供足夠資料時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)治具進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)PCB是單面板時(shí)，處理相對(duì)簡(jiǎn)單一些，需要找出需要保護(hù)的SMD元件，并對(duì)需要上錫的插裝件在相應(yīng)位置進(jìn)行開(kāi)口，同時(shí)注意保護(hù)螺絲孔，縫隙，塑料腳等。如果PCB為雙面板，除了上述這些主要方面，還要知道所有SMD元件的厚度，以便在治具上開(kāi)出相應(yīng)的深度。這需要向客戶(hù)進(jìn)一步了解。如果缺乏足夠的信息，可以按照治具用材料可開(kāi)的最深厚度估計(jì)。

3.2 波峰焊治具的工藝設(shè)計(jì)和加工

圖2為某治具樣品的示意圖，治具結(jié)構(gòu)為底框架+托邊框架，治具四周加有軌道邊。一般來(lái)說(shuō)，治具的底板可采用合成石、玻纖板、鈦合金，邊框可采用電木和鋁板等，軌道邊可采用玻纖板。一般治具還包括壓蓋、壓棒、壓塊和壓扣等固定PCB及其元器件的結(jié)構(gòu)。

圖2 波峰焊治具設(shè)計(jì)示意圖

在對(duì)波峰焊治具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有如下幾點(diǎn)要加以注意：

（1）波峰焊凹槽進(jìn)行寬度和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)，其公差范圍一般是兩邊各放寬0.3 mm，兩邊加起來(lái)0.6 mm，特殊情況則需另行確定，如圖3所示；

圖3 波峰焊凹槽的長(zhǎng)寬公差設(shè)計(jì)

（2）壓扣一般分布在PCB的四個(gè)角，用于固定PCB，壓扣壓住PCB邊至少3 mm±0.5 mm，并保證所有壓扣的周?chē)? mm內(nèi)無(wú)SMD元件。壓扣分為普通單邊壓扣和普通雙邊壓扣兩種。其形狀和在治具中的安放位置分別如圖4和圖5所示；

圖4 波峰焊治具壓扣設(shè)計(jì)

圖5 壓扣在治具中的安放位置

（3）當(dāng)PCB上有較大的元器件時(shí)，需要設(shè)計(jì)壓塊或壓條以防其浮高。壓塊針對(duì)單個(gè)較大元器件，其結(jié)構(gòu)與普通單邊壓扣類(lèi)似；壓條針對(duì)兩個(gè)或多個(gè)較大元器件。壓條和壓塊材質(zhì)須能夠滿(mǎn)足防靜電要求和耐高溫要求，并具有防呆和定位設(shè)計(jì)，尺寸保證與元器件有一定量的過(guò)盈。壓塊和壓條分別如圖6和圖7所示；

圖6 壓塊在治具中安放位置

圖7 治具中壓條與其所作用的元器件圖示

（4）治具存在開(kāi)蓋設(shè)計(jì)時(shí)，為防止PCB安放方向錯(cuò)誤，需考慮防呆，這可以通過(guò)兩端卡位形狀或者尺寸不一致來(lái)區(qū)分。必要時(shí)壓蓋上需開(kāi)窗以便于觀察下部壓棒和壓塊的情況。蓋板上的卡扣位置選擇必須便于插件，輕巧便于取放；

（5）給插裝器件開(kāi)孔時(shí)，焊盤(pán)到治具邊緣的距離最小應(yīng)為5mm，具有一定的退錫空間；

（6）一般情況下，治具的長(zhǎng)與寬分別等于PCB的長(zhǎng)與寬加上60 mm載具邊的寬度，治具整體寬度必須≤350 mm。當(dāng)PCB寬度小于140 mm時(shí)，可以考慮在同一治具同時(shí)放置2塊PCB焊接；

（7）工藝邊離邊緣8 mm，另外兩邊貼近邊緣地方可加裝10 mm寬，10 mm高的電木條，以增加治具強(qiáng)度，減少變形；

（8）過(guò)爐方向的箭頭應(yīng)標(biāo)示于頂部中間，對(duì)于同一類(lèi)型治具而有多種過(guò)爐方式時(shí)，則應(yīng)標(biāo)示于治具中央；

（9）標(biāo)示內(nèi)容至少包括治具名稱(chēng)、制作日期等，字體為宋體，字高一般為8 mm，其位置統(tǒng)一放在治具左下角；

(10)壓蓋方向箭頭和刻字盡量位于中間位置，內(nèi)容至少包括治具名稱(chēng)和制作日期，宋體，字高8 mm。

治具加工的過(guò)程中，針對(duì)不同的工序和治具材料，選用的刀具也不同。在清面和雕刻工序中，玻纖板、合成石、鈦合金均可選用3 mm銑刀，其中玻纖板和合成石選用的轉(zhuǎn)速為18 000～20 000 r/min，鈦合金為10 000～12 000 r/min；在鉆孔工序中要依孔徑配合比選擇鉆頭，合成石和玻纖板的鉆速可選20 000 r/min，鈦合金為15 000 r/min；在倒角工序中，玻纖板和合成石的鉆速約為18000～20000r/min；鈦合金約為10 000～12 000 r/min；上錫面底板選用120°倒角刀，其余部分選用90°或150°倒角刀。

3.3 波峰焊治具的組裝[6]

波峰焊治具的各部分加工出來(lái)后，則需按照一定方式將它們組裝起來(lái)，以便于生產(chǎn)使用。由于PCB板及其所攜帶的元器件規(guī)格各異，配合它們的治具也因需求而具有繁多的樣式和尺寸。

下面介紹波峰焊治具在組裝過(guò)程中的一般要點(diǎn)：

（1）當(dāng)治具底板需要銑凹槽安裝PCB板時(shí)，凹槽深度一般為1.5～2.5 mm。

1）如果PCB板厚度大于凹槽深度，需要通過(guò)上提壓扣壓緊PCB板；

2） 如果PCB板厚度小于凹槽深度，那么壓扣位置處的底板需要銑出一定的深度，以配合PCB板。

（2）波峰焊治具中，非功能所需的銳角都需倒角R1或0.5 mm×45°，便于取用，壓板上的壓塊和壓帽中心盡量對(duì)準(zhǔn)元器件中心；

（3）底板需從上往下鎖螺絲時(shí)需加工成合適的盲孔，不宜加工成通孔，同一批次的治具其螺絲需型號(hào)一致；

（4）卡扣的數(shù)量和彈簧的彈力須配合良好，并且在能保證將PCB板壓平的情況下，盡量減少其用量。

4 波峰焊治具的檢測(cè)與保管

4.1 波峰焊治具的檢測(cè)

PCB板上的通孔插裝元器件的焊盤(pán)尺寸有很多都在1 mm以下，對(duì)PCB板水平度和上錫高度等都有著很?chē)?yán)格的要求。波峰焊治具在使用的過(guò)程中會(huì)受到波峰的熱影響，其本身的溫度會(huì)長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷加熱和降溫的熱循環(huán)過(guò)程，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，有可能導(dǎo)致治具的微小變形和彎曲。同時(shí)，在存放和取用的過(guò)程中，治具也可能受到不正當(dāng)?shù)耐饬_擊，如碰撞，跌落等，這都能造成治具尺寸上的變化，并可能最終導(dǎo)致元器件在上錫過(guò)程中發(fā)生一定的焊接質(zhì)量問(wèn)題。因此，在治具使用一段時(shí)間后，需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的內(nèi)容如下：

（1）利用游標(biāo)卡尺測(cè)量治具各個(gè)部件的厚度，不應(yīng)超過(guò)或低于規(guī)定尺寸的0.2 mm；

（2）利用游標(biāo)卡尺測(cè)量治具的外觀尺寸，誤差應(yīng)小于0.3 mm；

（3）利用游標(biāo)卡尺檢測(cè)治具的邊緣寬度和支肋寬度，不得小于規(guī)定尺寸；

（4）利用角度測(cè)量?jī)x和游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)?nèi)框邊緣和外框邊緣的角度，應(yīng)符合尺寸要求；

（5）將PCB安放到治具中，檢測(cè)治具的各個(gè)部件是否影響PCB元器件的上錫，并檢查支撐板的強(qiáng)度是否足夠。檢查PCB的取放是否便利，適合。

（6）觀察治具的基板是否彎曲變形，壓扣、壓條、螺絲等部件是否松動(dòng)。

4.2 波峰焊治具的保管

對(duì)于使用中的波峰焊治具，為提高治具的使用壽命，保證焊接質(zhì)量，要注意以下幾點(diǎn)事項(xiàng)：

（1）在治具接觸到波峰之前，要通過(guò)預(yù)熱單元對(duì)其預(yù)熱，避免直接接觸溫度較高的熱沖擊；

（2）在取用治具的過(guò)程中，要輕拿輕放，避免治具受到不當(dāng)?shù)耐饬p傷；

（3）避免治具接觸強(qiáng)酸強(qiáng)堿，建議使用中性焊劑；避免用酒精或者其他有機(jī)溶劑擦拭治具，建議使用皂化劑，清洗時(shí)可放入超聲波清洗儀中清洗；

（4）多個(gè)治具在通過(guò)波峰時(shí)要保證之間間隔一定的距離，防止發(fā)生碰撞；

（5）使用無(wú)鉛釬料焊錫時(shí)，要使用與之相匹配的無(wú)鉛波峰焊治具；

（6）對(duì)于一些較為精密的治具，在車(chē)間內(nèi)部運(yùn)輸時(shí)，建議使用防震車(chē)；

（7）對(duì)于PCB板上的緊固螺絲，壓扣、壓塊、壓條等固定結(jié)構(gòu)，要定期進(jìn)行檢查，防止出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象；

（8）波峰焊治具的存放一般采用豎直存放方式，當(dāng)水平存放時(shí)，下層的治具會(huì)因?yàn)槌惺苓^(guò)多的重量而變形。

治具的維護(hù)保養(yǎng)頻率如下：

（1）日保養(yǎng)：治具扶著人檢查生產(chǎn)線(xiàn)上的所有治具，如果存在異常要及時(shí)修正；

（2）兩周保養(yǎng)：治具負(fù)責(zé)人與生產(chǎn)線(xiàn)上操作員共同完成；

（3）季度保養(yǎng)：治具負(fù)責(zé)人完成。

4.3 波峰焊治具的報(bào)廢處理標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)波峰焊產(chǎn)品存在多次的質(zhì)量問(wèn)題，須先分析波峰焊的工藝問(wèn)題。當(dāng)排除工藝問(wèn)題造成焊接質(zhì)量下降的可能性后，可以檢測(cè)所使用的治具。當(dāng)治具存在以下的問(wèn)題，且不易修復(fù)時(shí)，可以考慮申請(qǐng)治具報(bào)廢：

（1）在鉗工水平臺(tái)上，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量外框四周到鉗工水平臺(tái)的距離，如果最大值與最小值只差的絕對(duì)值大于1.5 mm時(shí)，可以申請(qǐng)報(bào)廢；

（2）將PCB放入相應(yīng)的治具中，用塞尺測(cè)量PCB與治具的間隙，當(dāng)間隙的最大值與最小值之差的絕對(duì)值大于1.5 mm時(shí)，可以申請(qǐng)報(bào)廢；

（3）當(dāng)治具內(nèi)框嚴(yán)重?fù)p壞而無(wú)法修復(fù)，并造成產(chǎn)品焊接質(zhì)量下降嚴(yán)重時(shí)，可以申請(qǐng)報(bào)廢；

（4）當(dāng)治具內(nèi)框因其他無(wú)法修復(fù)的問(wèn)題造成產(chǎn)品焊接質(zhì)量下降嚴(yán)重時(shí)，可以申請(qǐng)報(bào)廢；

（5）對(duì)于PCB產(chǎn)品不再生產(chǎn)的治具或者停產(chǎn)半年以上的治具，可以申請(qǐng)報(bào)廢。

5 結(jié) 論

波峰焊治具在提高焊接質(zhì)量，支撐和保護(hù)PCB板，保護(hù)貼裝元器件，使波峰焊生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)化等諸多方面都起著很重要的作用。本文就波峰焊治具的作用，原材料、工藝設(shè)計(jì)和加工、組裝、治具的檢測(cè)和保管等方面進(jìn)行了較為詳盡的敘述，在很多細(xì)節(jié)方面給出了具體的參數(shù)。隨著電子封裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和PCB的多樣化區(qū)域，波峰焊治具也會(huì)隨之進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和改善。

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