再流焊接設(shè)備性能評(píng)估方法

宋順美

(日東電子科技（深圳）有限公司，廣東深圳518103)

再流焊接工藝作為表面組裝技術(shù)（SMT）三大核心工藝之一，其直接影響電子產(chǎn)品焊點(diǎn)質(zhì)量可靠性。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，SMT焊接缺陷因再流焊接引起的比例為35%～40%。由此可見(jiàn)，再流焊接設(shè)備工藝性能對(duì)焊接質(zhì)量有著舉足輕重的影響，而對(duì)再流焊設(shè)備的工藝性能評(píng)估迫在眉睫。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，提出一套評(píng)估方法，旨在為熱風(fēng)再流焊接設(shè)備的可量化性能提供測(cè)試方法，以此對(duì)其工藝性能進(jìn)行評(píng)估。

1 再流焊設(shè)備性能評(píng)估傳統(tǒng)方法

再流焊接工藝在很短時(shí)間內(nèi)須同時(shí)完成上萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)的焊接，對(duì)于質(zhì)量控制一般是通過(guò)用如圖1所示實(shí)裝板每天測(cè)試一次爐溫（如圖2）進(jìn)行確認(rèn)，這就產(chǎn)生了很大隱患，因?yàn)樗脺囟惹€(xiàn)只能代表測(cè)試條件下的某段時(shí)間性能，不能代表實(shí)際負(fù)載生產(chǎn)時(shí)的性能，尤其是對(duì)如圖3所示高密度組裝產(chǎn)品，工藝窗口很窄，任何小的波動(dòng)都可能會(huì)引起質(zhì)量問(wèn)題。此外，實(shí)裝板測(cè)試一般最多不超過(guò)50次，報(bào)廢后還需重新制作一塊，成本較高。目前，行業(yè)內(nèi)大多自制測(cè)試板，如圖4所示，有模擬實(shí)裝板的測(cè)試板，也有模擬實(shí)裝板的負(fù)載板。雖可重復(fù)使用，但是測(cè)試數(shù)據(jù)只供參考，不能概述真正工藝制程的可靠性。

再流焊接工藝過(guò)程不簡(jiǎn)單指的是溫度曲線(xiàn)，還包括工藝窗口大小、熱穩(wěn)定性、穩(wěn)定性及設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性等，如圖5所示。拋開(kāi)設(shè)備系統(tǒng)硬件配置，就工藝性能方面，主要包括熱效能均衡度、回流量、熱沖擊、環(huán)境補(bǔ)償能力、空滿(mǎn)載分析、長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析、鏈速穩(wěn)定性、導(dǎo)軌平行度等，見(jiàn)圖6。

圖1 溫度測(cè)試用實(shí)裝板

圖2 再流焊接用溫度曲線(xiàn)

圖3 高密度組裝電子產(chǎn)品

圖4 常用自制溫度測(cè)試板

圖5 再流焊設(shè)備性能評(píng)估要素

圖6 再流焊設(shè)備性能評(píng)估內(nèi)容及推薦的熱性能測(cè)試儀器

2 再流焊設(shè)備性能評(píng)估推薦方法

2.1 制定標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)

由于不同品牌及規(guī)格的設(shè)備結(jié)構(gòu)與尺寸不同，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要制定一標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)（圖7推薦），對(duì)于加熱系統(tǒng)的評(píng)測(cè)都是在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)的條件下進(jìn)行。推薦標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)的條件是：從第一個(gè)加熱區(qū)到最后一個(gè)加熱區(qū)，必須在規(guī)定的210 s走完，且每區(qū)的結(jié)束點(diǎn)溫度t與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)中對(duì)應(yīng)位置的溫度t0的差值應(yīng)滿(mǎn)足|t-t0|≤2℃。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)工藝溫度曲線(xiàn)（客戶(hù)也可自定義）

2.2 設(shè)備爐膛分區(qū)

依據(jù)設(shè)備廠(chǎng)商產(chǎn)品說(shuō)明或直接測(cè)量方式，準(zhǔn)確找出爐體的加熱區(qū)數(shù)量、各加熱區(qū)準(zhǔn)確長(zhǎng)度（以30.5 cm為例）及加熱區(qū)總長(zhǎng)度（以305 cm為例，不包冷卻區(qū)），并在測(cè)試工具軟件中輸入設(shè)備分區(qū)信息（市場(chǎng)上測(cè)溫軟件基本都具備此功能），如圖8所示。

圖8 再流焊爐分區(qū)量測(cè)方法

2.3 標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)調(diào)試

2.3.1 計(jì)算鏈速

用上述中得出的加熱區(qū)的總長(zhǎng)度d(cm)除以標(biāo)準(zhǔn)有效加熱時(shí)間210 s，即按公式v=d×60/210得出傳送系統(tǒng)鏈速的設(shè)定值v(cm/min)。

2.3.2 溫度設(shè)定調(diào)試

首先依照經(jīng)驗(yàn)對(duì)各區(qū)溫度進(jìn)行初步設(shè)定，鏈速按上述的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，等待再流焊爐穩(wěn)定（一般指示綠燈點(diǎn)亮）；然后按測(cè)試儀器的尺寸調(diào)整軌道寬度，加熱區(qū)系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)頻率按設(shè)備出廠(chǎng)默認(rèn)設(shè)定。

選擇標(biāo)準(zhǔn)儀器上相同小熱容的L1、M1、R1三點(diǎn)為參考，并以其溫度曲線(xiàn)為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整各分區(qū)的起始位置點(diǎn)，分區(qū)位置需和各區(qū)溫度拐點(diǎn)基本吻合（如圖9所示）；以M1模塊為分析對(duì)象，確認(rèn)每區(qū)結(jié)束時(shí)的溫度是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的要求。如果不滿(mǎn)足，則調(diào)整相應(yīng)加熱區(qū)的溫度設(shè)置直至滿(mǎn)足為止，然后才可進(jìn)行各項(xiàng)性能的測(cè)評(píng)。

圖9 溫度與分區(qū)對(duì)齊示意圖

2.4 熱效能評(píng)測(cè)（設(shè)定溫度與實(shí)際溫度評(píng)測(cè)）

既可評(píng)測(cè)熱風(fēng)氣流的可調(diào)范圍，還可評(píng)測(cè)不同熱風(fēng)速率下設(shè)備熱效率，同時(shí)還能確認(rèn)默認(rèn)熱風(fēng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否落為最佳范圍。測(cè)試前，將所有加熱區(qū)均設(shè)定為統(tǒng)一溫度160℃±1℃（客戶(hù)可自定），以測(cè)試板上 L1、M1、R1，L2、M2、R2及 L3、M3、R3在最后一加熱區(qū)的結(jié)束溫度做為分析對(duì)象進(jìn)行分析，如圖10所示。評(píng)測(cè)不同模塊M3、M2及M1之間峰值溫度的差異△T及與設(shè)定溫度之間的差異，△T越大表示加熱效率越低。

圖10 設(shè)定溫度及各模塊之間的溫度差異

此方法只能反應(yīng)系統(tǒng)整體的熱效率狀況，即在同樣熱風(fēng)溫度和加熱時(shí)間下，上述評(píng)測(cè)對(duì)象之間的差異越小，就表示整個(gè)系統(tǒng)的加熱效率越高，但不能對(duì)每個(gè)區(qū)的熱效率進(jìn)行評(píng)測(cè)，也無(wú)法評(píng)測(cè)階梯式熱風(fēng)過(guò)程。

如果要進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)測(cè)，需在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板上安裝風(fēng)量測(cè)試傳感器，同時(shí)要求測(cè)試記錄儀能夠?qū)y(cè)試結(jié)果進(jìn)行采集、記錄。測(cè)試結(jié)果如圖11所示，反應(yīng)的是每個(gè)加熱區(qū)的熱風(fēng)對(duì)流量，精確、直觀(guān)，可方便對(duì)每個(gè)加熱區(qū)及加熱區(qū)之間的效率進(jìn)行評(píng)測(cè)。對(duì)于SMT工藝過(guò)程，對(duì)流量的經(jīng)驗(yàn)最佳范圍是4.5～6.5。

圖11 帶有風(fēng)量傳感器的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板的測(cè)試示例

2.5 熱效能均衡度評(píng)測(cè)（PCBA橫截面溫度均勻性）

標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)下，任選標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板上L1、M1、R1；L2、M2、R2；L3、M3、R3三組探頭中的任何一組作為測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比三條曲線(xiàn)上不同位置處的溫度偏差值，并取最大溫差△Tmax作為測(cè)評(píng)結(jié)果，如圖12所示，對(duì)于SMT工藝過(guò)程，最大溫差一般有三個(gè)等級(jí)，即3℃、6℃和9℃，溫差等級(jí)越小，說(shuō)明產(chǎn)品適應(yīng)能力越強(qiáng)。

圖12 PCBA橫截面溫度均勻性分析示意圖

2.6 熱補(bǔ)償能力評(píng)測(cè)

2.6.1 環(huán)境熱補(bǔ)償能力

標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)下，標(biāo)準(zhǔn)空載測(cè)試3次，特定溫差條件下空載測(cè)試3次，將兩種條件下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。比如車(chē)間氣溫為25℃，則需要把測(cè)試板溫度升高15℃（推薦）達(dá)到40℃，然后迅速放入爐內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果與室溫測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。方法可根據(jù)工藝曲線(xiàn)要求，選擇預(yù)熱溫度以上時(shí)間差△t1、217℃以上的時(shí)間差△t2及和最高溫度值停留時(shí)間差△T，如圖13所示。

2.6.2 空/滿(mǎn)載熱補(bǔ)償能力

標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)下，連續(xù)無(wú)間隙或留50 cm最小間隙放置5塊熱負(fù)載板，緊接著放入標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板和測(cè)試儀，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板與最后一塊熱負(fù)載板間無(wú)空隙或留50 cm最小間隙，將采集的溫度曲線(xiàn)與之前空載時(shí)的溫度曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比、分析，評(píng)價(jià)方法如上所述，計(jì)算時(shí)間差也可，以數(shù)學(xué)方式計(jì)算出2種情況下，曲線(xiàn)圖上表示的加熱區(qū)段熱量面積的差異也可。

圖13 環(huán)境溫差熱補(bǔ)償能力測(cè)試、分析

2.7 溫差能力評(píng)測(cè)

2.7.1 左右溫區(qū)溫差能力

將標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)217℃所在加熱區(qū)以后的所有加熱區(qū)統(tǒng)一設(shè)為200℃（可根據(jù)實(shí)際情況自定義），以前的所有加熱區(qū)統(tǒng)一設(shè)定為160℃（可根據(jù)實(shí)際情況自定義），一般常把預(yù)熱區(qū)與焊接區(qū)定為分界點(diǎn)，在綠燈點(diǎn)亮后2 h，通過(guò)系統(tǒng)溫控顯示來(lái)觀(guān)察與分界點(diǎn)緊鄰兩個(gè)溫區(qū)之間的溫度變化。如果溫度能夠按照設(shè)定溫度達(dá)到穩(wěn)定，則按10℃為單位將2段溫度分別上調(diào)與下調(diào)，逐漸拉大溫差，每次調(diào)整需要2 h的觀(guān)察，直至溫度不能保持穩(wěn)定，評(píng)估穩(wěn)定前的最大設(shè)定溫度偏差△T，溫差越大說(shuō)明溫差設(shè)定能力越好。

2.7.2 上下溫區(qū)溫差能力

設(shè)備加熱溫區(qū)中，上加熱體均設(shè)為200℃，下加熱體均設(shè)為180℃，綠燈亮后2 h從控制監(jiān)視器上讀取實(shí)際加熱區(qū)溫差△T2。

2.8 導(dǎo)軌寬度一致性評(píng)測(cè)

PCBA傳輸系統(tǒng)非常重要，一般需要評(píng)測(cè)鏈速穩(wěn)定度（<±5%，推薦在±2%以?xún)?nèi)）、導(dǎo)軌水平度和導(dǎo)軌寬度一致性。導(dǎo)軌寬度一致性分為常溫環(huán)境和加熱環(huán)境兩種條件，常溫下可通過(guò)測(cè)量工具進(jìn)行，但加熱環(huán)境下要通過(guò)如圖14導(dǎo)軌寬度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖15、16所示，圖15為可允許的變化量，圖16為嚴(yán)重變形超出管控范圍，建議變化量在±1 mm以?xún)?nèi)，±0.5 mm以?xún)?nèi)最佳。

圖14 導(dǎo)軌寬度測(cè)試儀

圖15 導(dǎo)軌寬度一致性符合管控范圍

圖16 導(dǎo)軌寬度一致性超出管控范圍

2.9 其他性能評(píng)測(cè)

除上述性能評(píng)測(cè)內(nèi)容外，還包括冷卻系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)（冷卻能力及出口溫度）、氮?dú)庀到y(tǒng)性能評(píng)測(cè)（氧含量穩(wěn)定性及氮?dú)庀牧浚?、助焊劑回收系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)（助焊劑回收率及維護(hù)便捷性）、控制系統(tǒng)評(píng)測(cè)（各種保護(hù)及防呆功能等）以及其他綜合項(xiàng)目，包括UPS運(yùn)行時(shí)間（≥20 min）、功耗（啟動(dòng)功率及運(yùn)行功率）、升溫時(shí)間、制程切換時(shí)間、廢氣排量（10 m3/min左右）、機(jī)器外殼溫度（≤40℃）及噪音（<70 dB）。

3 再流焊設(shè)備性能檢測(cè)常見(jiàn)故障處理

上述評(píng)測(cè)方法不但可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行性能評(píng)估，還可對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間的設(shè)備進(jìn)行性能校正和診斷。

3.1 加熱模塊

（1）加熱模塊實(shí)際溫度達(dá)不到設(shè)定溫度處理措施

●斷電后檢查發(fā)熱絲的電阻值，如出現(xiàn)異常則更換發(fā)熱絲；

●檢查熱風(fēng)馬達(dá)轉(zhuǎn)向，如反向則予以更改；

●斷電后分別檢查熱風(fēng)馬達(dá)電源兩相的電阻值，如出現(xiàn)異常則更換馬達(dá)；

●檢查溫度控制板及PLC溫度擴(kuò)展模塊，如接觸不良則進(jìn)行調(diào)整，如損壞則進(jìn)行更換；

●檢查計(jì)數(shù)控制板及PLC模擬量輸出通道，如接觸不良則進(jìn)行調(diào)整，如損壞則進(jìn)行更換。

（2）加熱模塊實(shí)際溫度超出設(shè)定溫度處理措施

●檢查內(nèi)部測(cè)溫裝置，如損壞則更換；

●檢查加熱固態(tài)繼電器，如損壞則更換；

●檢查溫度控制板及PLC溫度擴(kuò)展模塊，如接觸不良則進(jìn)行調(diào)整，如損壞則進(jìn)行更換；

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)數(shù)資料以例(百分率)表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)；計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用t檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

●檢查計(jì)數(shù)控制板及PLC模擬量輸出通道，如接觸不良則進(jìn)行調(diào)整，如損壞則進(jìn)行更換。

3.2 冷卻模塊

（1）冷卻區(qū)實(shí)際溫度超出設(shè)定值處理措施

●檢查冷水機(jī)水溫設(shè)定，如過(guò)高則調(diào)低；

●檢查冷卻馬達(dá)轉(zhuǎn)向，如反向則予以更改；

●斷電后檢查冷卻馬達(dá)兩相的電阻值，出現(xiàn)異常則更換馬達(dá)；

●檢查冷水機(jī)至冷水交換器的進(jìn)出水管是否有折彎和堵塞等造成冷水不循環(huán)的情況，如存在予以排除；

●檢查測(cè)溫探針是否損壞，如有則更換測(cè)溫探針。

●對(duì)冷卻區(qū)進(jìn)行清潔、保養(yǎng)。

3.3 助焊劑回收系統(tǒng)

助焊劑回收系統(tǒng)失效處理措施

●檢查助焊劑回收馬達(dá)轉(zhuǎn)向，如反向則予以更改；

●斷電后檢查回收馬達(dá)兩相的電阻值，出現(xiàn)異常則更換馬達(dá)；

●檢查助焊劑回收管和助焊劑回收管閥門(mén)是否堵塞，如堵塞則予以排除；

●檢查冷水交換器循環(huán)水管是否堵塞，如堵塞予以排除；

●檢查冷水交換器過(guò)濾網(wǎng)，需要時(shí)則進(jìn)行清洗。

3.4 PCB傳輸系統(tǒng)

（1）傳輸系統(tǒng)停滯處理措施

●檢查運(yùn)輸調(diào)速器，如接觸不良則予以排除，如損壞則進(jìn)行更換；

●檢查D/A板及PLC模擬量通道，如接觸不良則予以排除，如損壞則進(jìn)行更換；

●檢查測(cè)速編碼器，如接觸不良則予以排除，如損壞則進(jìn)行更換；

●檢查運(yùn)輸電機(jī)，如反向則予以排除，如損壞則更換運(yùn)輸電機(jī)。

（2）運(yùn)輸導(dǎo)軌寬度調(diào)節(jié)故障處理措施

●檢查調(diào)節(jié)絲桿潤(rùn)滑情況是否異常，如異常則予以排除；

●檢查寬度調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的聯(lián)軸器是否異常，如異常則進(jìn)行調(diào)試，使寬度調(diào)節(jié)同步。

[1]美國(guó)IPC.IPC-9853熱風(fēng)再流焊系統(tǒng)特征描述及驗(yàn)證規(guī)范征求業(yè)界意見(jiàn)稿.2011-6發(fā)布.

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[7]宋耀宗，史建衛(wèi)，饒庶民，等.熱風(fēng)回流爐溫度控制系統(tǒng)的研究[J].電子工藝技術(shù)，2011，32(3)：138-144.