關(guān)于提高貼片元件自動(dòng)焊接質(zhì)量的研究及應(yīng)用

蘇 贊，金武飛，郭 瑞，邱 菊，張 超

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

錫焊技術(shù)的發(fā)展距今已有兩千多年的歷史，近年來，隨著表面貼裝技術(shù)（SMT）的不斷進(jìn)步，為電子工業(yè)接合技術(shù)開拓了廣闊的發(fā)展空間[1]。

在集成電路（LC、LSI）中，電阻，電感等片狀元件的印制板實(shí)裝均是采用錫焊來完成的。因錫焊對(duì)象體積不斷變小，將會(huì)出現(xiàn)以往錫焊所未曾出現(xiàn)的新問題[2]。特別是焊料成分、熔點(diǎn)、純度、形狀、供給方法以及加熱方法等一系列工藝影響因素，無不影響錫焊的質(zhì)量。必須通過巧妙利用熔融焊料的表面張力和潤(rùn)濕等手段，達(dá)到精確接合的目的。在電子裝配中，錫焊的精度、一致性以及可靠性是核心問題，為解決手工焊帶來的焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、工作效率低、工作質(zhì)量低等問題，自動(dòng)焊機(jī)成為錫焊質(zhì)量提升的突破口，所以基于機(jī)器人的自動(dòng)化錫焊技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，電子裝配必然朝精細(xì)化、高密度方向發(fā)展。

1 焊接裝置的選定

以實(shí)際項(xiàng)目“微波接插件自動(dòng)化生產(chǎn)線”為例，本項(xiàng)目中待加工生產(chǎn)的產(chǎn)品形狀為腔體，如圖1所示。所以待焊接加工點(diǎn)位在腔體內(nèi)，焊接難度加大，傳統(tǒng)的自動(dòng)貼片機(jī)無法滿足腔體環(huán)境的工作，所以選擇六軸高精度機(jī)器人，附帶自動(dòng)焊接系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的柔性手爪的組合來進(jìn)行相應(yīng)的焊接工作，組成基于機(jī)器人的自動(dòng)化錫焊系統(tǒng)。機(jī)器人本身的作業(yè)動(dòng)作可調(diào)性與烙鐵頭的形狀多樣性，可應(yīng)對(duì)多種多樣的焊接要求[3]。機(jī)器人與柔性手爪的示意圖如圖2所示。

圖1 待加工殼體示意圖

圖2 機(jī)器人示意圖及手爪放大圖

2 自動(dòng)焊接難點(diǎn)及解決

2.1 拉尖問題及解決

在手動(dòng)焊接時(shí)，每個(gè)焊點(diǎn)焊接完畢后可以手動(dòng)清理烙鐵頭上殘留的焊錫而保證下一個(gè)焊點(diǎn)不會(huì)拉尖，而在基于機(jī)器人的自動(dòng)化錫焊的工作過程中無法人工擦拭。自動(dòng)錫焊系統(tǒng)中的解決辦法是進(jìn)行吹錫處理來防止拉尖現(xiàn)象。在幾個(gè)焊點(diǎn)的焊接完畢后，烙鐵頭上會(huì)有一定的死錫積累，或者下一個(gè)焊點(diǎn)為小焊盤對(duì)烙鐵頭上的死錫殘存量要求非常苛刻時(shí)需要進(jìn)行吹錫處理，將機(jī)器人運(yùn)行到吹錫裝置的上方，通過氣缸將烙鐵頭打下進(jìn)入吹錫裝置內(nèi)部，氣管孔對(duì)準(zhǔn)烙鐵頭焊接面強(qiáng)力吹風(fēng)達(dá)到清理效果而避免因殘存死錫而影響下一焊點(diǎn)的焊接效果。

在進(jìn)行大焊盤的點(diǎn)位焊接時(shí)，由于需要增加送錫量而無法避免的要延長(zhǎng)焊接時(shí)間，即焊錫流淌到焊盤邊緣時(shí)間延長(zhǎng)，伴隨著焊錫溫度降低或者其中的助焊劑成分的揮發(fā)而產(chǎn)生拉尖現(xiàn)象。為應(yīng)對(duì)此種情況，采用機(jī)器人拖焊的方式進(jìn)行焊接，可有效改善焊接質(zhì)量。

拖焊過程中的自動(dòng)焊接系統(tǒng)焊接程序如下：

1ION ON //焊接程序開始運(yùn)行，烙鐵頭打下到焊盤位置

2TIM 2S //等待的2S為焊盤的加熱時(shí)間，改善焊盤潤(rùn)濕性，使焊錫更容易流淌

3FWD 4mm 30mm/s //自動(dòng)送錫裝置開始送錫，速度30mm/s，長(zhǎng)度4mm

4FWD 4mm 5mm/s //再以5mm/s的速度送錫4mm

5TIM 1S //等待1S時(shí)間

6REV 5mm 30mm/S //以30mm/s的速度抽錫

7TIM 6S //等待6S時(shí)間（在此過程中，機(jī)器人帶動(dòng)烙鐵頭在焊盤上移動(dòng)進(jìn)行拖焊）

8FWD 5mm 30mm/s

9REV 5mm 50mm/s

在第3和4的兩次送錫過程是為了在滿足焊接要求的前提下在焊錫絲的端部形成助焊劑球。首先3中的快送錫絲使烙鐵頭上含有活錫，其中包含有助焊劑成分，再次的慢送以及等待的1S時(shí)間是利用助焊劑的喜涼特性，使其有充足的時(shí)間流向溫度相對(duì)偏低的錫絲端而形成助焊劑球。在8中的送錫，是拖焊過程的第二次送錫，可以有效的補(bǔ)充在拖焊的較長(zhǎng)過程中揮發(fā)的助焊劑，達(dá)到更好的焊接效果。此種基于特殊送錫步驟的拖焊方法能夠有效避免拉尖以及虛焊現(xiàn)象的發(fā)生。焊接效果及產(chǎn)生助焊劑球?qū)嵨飯D如圖3所示。

圖3 助焊劑球及焊接效果圖

2.2 虛焊問題及解決

在進(jìn)行較小焊盤點(diǎn)位的焊接時(shí)，由于焊盤小，送錫量會(huì)隨之減少，為了保證焊接質(zhì)量不僅要進(jìn)行焊前吹錫來去除死錫，還要進(jìn)行特殊處理來防止漏焊、虛焊現(xiàn)象。由于熔融焊料的表面張力會(huì)使熔融焊料立即聚結(jié)成圓珠狀的液滴。在工作過程中，錫絲首先送到高溫的烙鐵頭上熔融，進(jìn)而流到焊盤上完成焊接工作。但是較少量的熔融焊料自身重力過小，如果無法克服表面張力就會(huì)導(dǎo)致焊料不能順利流淌到焊盤而形成虛焊、漏焊現(xiàn)象，更會(huì)影響下一點(diǎn)的焊接工作。

為解決此問題需在焊前的吹錫程序中，加入2.1中的抽送錫速度、時(shí)間控制，在錫絲一端形成助焊劑球，這里是為了增加焊料潤(rùn)濕性能，降低其表面張力而能夠順利流淌到焊盤上完成焊接。

現(xiàn)在來定量解釋潤(rùn)濕現(xiàn)象，分子由原子組成，而原子由帶正電的原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子組成。分子之間即存在靜引電力（包括引力和斥力）和運(yùn)動(dòng)電荷間的磁力，又存在萬有引力。所以分子間相互作用規(guī)律很復(fù)雜，現(xiàn)假設(shè)分子之間的相互作用力具有球?qū)ΨQ性，則可用半經(jīng)驗(yàn)公式：

近似表示兩分子之間相互作用力。式中r表示兩分子中心間的距離，c1,c2,s,t都是正數(shù)，其值需由試驗(yàn)確定。對(duì)于不同分字都有t=7而s則在10-13之間。

在附著層內(nèi)，去液面與固體交界處某分子i為對(duì)象，以i為坐標(biāo)原點(diǎn)建立球坐標(biāo)系，如圖4所示，則固體內(nèi)距i分子為r出的j分子對(duì)i分子的作用力為：

圖4 坐標(biāo)系示意圖

設(shè)固體分子的密度為n（即單位體積的分子數(shù)），則固體內(nèi)距i分子為r處的小體元內(nèi)的分子對(duì)i分子的作用力為：

所有固體分子對(duì)i分子的作用力的合力即為i分子受到的附著力f附，即：

根據(jù)力矢量的分解方法，f附在x方向的分量為：

同理附著力在y方向的分量為：

附著力在z方向的分量為：

在附著層內(nèi)液體之間還有內(nèi)聚力，同樣選分子i為原點(diǎn)建立球坐標(biāo)系，設(shè)液體分子密度為n`,則液體內(nèi)距i距離為r`的小體元內(nèi)的分子對(duì)i分子的內(nèi)聚力為：

所有液體分子對(duì)i分子的作用力合力為i分子受到的內(nèi)聚力即：

根據(jù)力矢量的分解方法，f內(nèi)在x方向的分量為：

同理，內(nèi)聚力在y方向的分力為：

內(nèi)聚力z方向的分量為：

由式(4)、式(5)、式(6)、式(9)、式(10)、式(11)六式可以看到，液體分子受到的附著力只有沿y方向的分量，沿x方向，z方向的分量均為零，而液體分子受到的內(nèi)聚力則有沿y方向和沿z方向的分量，沿x方向的分量為零。如圖5所示，所以液體的形狀完全取決于f附y(tǒng)和f內(nèi)y的大小，即滿足公式(12)的情況下，液體潤(rùn)濕固體。因?yàn)閒附y(tǒng)＞f內(nèi)y時(shí)，液體分子必向固體方向擠壓，由于液體的不可壓縮性和流動(dòng)性特點(diǎn)，液體只好沿交界面出附著固體擴(kuò)展，直至處于平衡為止，從而使液體潤(rùn)濕固體。而形成助焊劑球，增加助焊劑相對(duì)含量就是通過改變參數(shù)來使f附y(tǒng)＞f內(nèi)y，來使焊料更好的潤(rùn)濕焊盤[4]。

圖5 分解示意圖

充分利用助焊劑來降低熔融焊料表面張力而使焊料可順利流向焊盤，改善焊接質(zhì)量。焊接效果對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 虛焊、焊接成功效果對(duì)比圖

2.3 金脆問題及解決

本項(xiàng)目中一些待焊接元器件引腳有鍍金成分。在焊接時(shí)，金與鉛錫焊料的相容性非常好，金在熔融狀態(tài)下的錫鉛合金中屬于可熔金屬，幾種常見材料在錫鉛 焊料中的溶解情況如表1所示?？梢?，金在錫鉛焊料中最先溶解，形成金錫合金。

表1 幾種常見材料在熔融焊料中的溶解率對(duì)比

在室溫范圍內(nèi)，金-錫（Au-Sn）擴(kuò)散中至多可能出現(xiàn)的中間相依次為：β（Au10Sn），ζ，ζ’（Au5Sn），δ（AuSn），ε（AuSn2），η（AuSn4）。從擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)角度解釋，先是Au在Sn中通過間隙擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行快速擴(kuò)散，其次AuSn4結(jié)構(gòu)與Sn晶格較接近，只是Au處于間隙位置同時(shí)產(chǎn)生了一定缺陷，發(fā)生Sn- AuSn4相變得阻力較小，所以AuSn4相的形核與長(zhǎng)大，可以容易和快速的發(fā)生[5]。對(duì)于AuSn4相的生長(zhǎng)過程，主要被 Au進(jìn)入Sn的晶界擴(kuò)散所控制，會(huì)出現(xiàn)層狀或羽狀生長(zhǎng)。Au-Sn化合物的維式硬度達(dá)到750，僅次于玻璃，硬脆性較高，合金焊點(diǎn)承載能力有限，使結(jié)合部的性能變脆，力學(xué)強(qiáng)度下降，產(chǎn)生金脆現(xiàn)象。所以要進(jìn)行去金來降低金的相對(duì)濃度。

對(duì)于元器件的引線而言，本項(xiàng)目采用的去金方法為浸錫法去金處理。采用流動(dòng)的焊料溶液來進(jìn)行。操作時(shí)，搪錫去金的溫度和時(shí)間是主要工藝參數(shù)要進(jìn)行嚴(yán)格控制，以免對(duì)元器件造成損壞。搪錫前后效果對(duì)比如圖5所示。

圖5 搪錫前后效果圖對(duì)比

3 結(jié)束語

本文介紹了機(jī)器人自動(dòng)錫焊工作中的幾個(gè)影響焊接質(zhì)量的因素以及解決方法，巧妙的利用熔融焊料的表面張力和潤(rùn)濕現(xiàn)象，以實(shí)際項(xiàng)目為背景，列舉現(xiàn)場(chǎng)所發(fā)生狀況并提出解決方法，最終大量的焊接工作顯示結(jié)果可靠、穩(wěn)定、符合要求。

[1] 郭福.無鉛釬焊技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[2] 吳懿平,鮮飛.電子組裝技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2006.

[3] 李澤民.自動(dòng)焊錫機(jī)器人在汽車儀表焊接上的應(yīng)用[J].2011中國(guó)高端SMT學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

[4] 何鵬,林鐵松,杭春進(jìn).電子封裝技術(shù)的研究進(jìn)展[J].焊接,2010(1):25-29.

[5] 成鋼.P C B焊接中的溫度問題探討[J].電子工藝技術(shù),2011(4):222-223.