選擇性波峰焊接工藝的應(yīng)用分析

盧鍇 黃曉惠

1. 廣州賽寶認(rèn)證中心服務(wù)有限公司 廣東 廣州 510610；

2. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東 廣州 510610

引言

市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品插裝器件種類(lèi)繁多，焊接工藝的選擇和應(yīng)用與產(chǎn)品性能、質(zhì)量息息相關(guān)，波峰焊接與手工焊接工藝的應(yīng)用頻次高、范圍廣，但在多通孔器件的焊接處理方面，常規(guī)的焊接工藝無(wú)法保障產(chǎn)品性能，選擇性波峰焊接工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，因?yàn)檫@一工藝的自動(dòng)化程度高，完全可以滿(mǎn)足焊接質(zhì)量的要求。但選擇性波峰焊接工藝應(yīng)用時(shí)因?yàn)榇嬖跓釠_擊過(guò)大的問(wèn)題，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，在選擇性波峰焊接工藝應(yīng)用的過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)人員要加強(qiáng)各個(gè)技術(shù)要點(diǎn)的掌握，充分發(fā)揮這一焊接工藝的優(yōu)勢(shì)。

1 選擇性波峰焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在SMT在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中，選擇性波峰焊接技術(shù)進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段，已然成為SMT領(lǐng)域的核心技術(shù)，就當(dāng)下選擇性波峰焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，該種焊接技術(shù)下需配備選擇性波峰焊機(jī)，而選擇性波峰焊機(jī)中，單點(diǎn)波峰發(fā)生器是關(guān)鍵性的構(gòu)件，承擔(dān)著重要的焊接任務(wù)，是單點(diǎn)波峰的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，根據(jù)當(dāng)下的驅(qū)動(dòng)方式細(xì)分，市場(chǎng)上主要有機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)兩種。從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展下現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)在SMT行業(yè)內(nèi)的技術(shù)起步較晚，且總體的技術(shù)發(fā)展水平與國(guó)外也存在著巨大的差距，研究和應(yīng)用電磁泵的廠(chǎng)家數(shù)量十分有限，就國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)看，SMT設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家普遍采用的是機(jī)械驅(qū)動(dòng)單點(diǎn)波峰技術(shù)，當(dāng)然，也有部分廠(chǎng)家采用的是德國(guó)的單點(diǎn)波峰電磁泵。由于電磁驅(qū)動(dòng)單點(diǎn)波峰的控制精度高、波峰更為穩(wěn)定，因此，在未來(lái)有著巨大的市場(chǎng)潛力[1]。

傳統(tǒng)波峰焊設(shè)備在通孔元件電路板的焊接作業(yè)中，表現(xiàn)出高質(zhì)量的焊接效果、高效的焊接施工和自動(dòng)化焊接流程的特點(diǎn)，在SMT領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率偏高。波峰焊機(jī)中的核心構(gòu)件中，就有波峰發(fā)生器，而波峰發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力方式有兩種：電機(jī)調(diào)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式、電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)下的研究領(lǐng)域，部分學(xué)者對(duì)電磁泵波峰發(fā)生器和波峰焊機(jī)展開(kāi)了研究，不論為單相感應(yīng)電磁泵還是三相感應(yīng)電磁泵，都屬于平面感應(yīng)電磁泵的范疇。隨著電子產(chǎn)品的精密化發(fā)展，電子產(chǎn)品組裝方面提出了新的標(biāo)準(zhǔn)，選擇性波峰焊接工藝卻是重點(diǎn)性的焊接技術(shù)，在這一技術(shù)應(yīng)用時(shí)，為保障選擇性波峰焊接良好的焊接質(zhì)量，相關(guān)人員需加強(qiáng)對(duì)焊接參數(shù)的控制。

2 選擇性波峰焊技術(shù)的特點(diǎn)

選擇性波峰焊接工藝屬于波峰焊接的范疇，在利用這一特殊的焊接工藝開(kāi)展焊接作業(yè)的過(guò)程中，通過(guò)使用微小噴嘴，所產(chǎn)生的直徑為幾毫米的柱狀波或小的矩形波，為單點(diǎn)、局部的焊接作業(yè)提供了便捷。當(dāng)下的市場(chǎng)上，各類(lèi)的電子產(chǎn)品非常多，不同的電子產(chǎn)品存在性能、功能、用途等的巨大差異性，如果采用選擇性波峰焊接工藝來(lái)進(jìn)行焊接處理時(shí)，完全可以根據(jù)產(chǎn)品焊點(diǎn)的基本要求，來(lái)進(jìn)行工藝參數(shù)的科學(xué)設(shè)置，對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)置的基礎(chǔ)上，也就可以提高各個(gè)焊點(diǎn)的質(zhì)量；對(duì)于同類(lèi)元件或者相似焊盤(pán)尺寸的焊接部位，采用選擇性波峰焊接工藝時(shí)，完全可以設(shè)置同樣參數(shù)來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的焊接作業(yè)。如果同樣產(chǎn)品開(kāi)展第二塊板的焊接作業(yè)，可以直接調(diào)用前期所存儲(chǔ)的焊接程序來(lái)實(shí)施焊接作業(yè)，不需要再次編程，也就提升了焊接效率。

針對(duì)當(dāng)下很多產(chǎn)品的多層板、大熱容量器件焊接作業(yè)，為使得產(chǎn)品的整體質(zhì)量可以達(dá)到相應(yīng)的施工要求，必須要在元件面形成高質(zhì)量的焊點(diǎn)。與其他的焊接技術(shù)相比，選擇性波峰焊接工藝的優(yōu)勢(shì)明顯，具體表現(xiàn)為焊錫熱容量大、焊錫溫度穩(wěn)定、整板預(yù)熱，正是因?yàn)檫@一焊接工藝的特點(diǎn)，使得在利用該焊接工藝進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，焊料填充高度大大提升，在元件面形成的焊點(diǎn)質(zhì)量良好[2]。

3 選擇性波峰焊工藝參數(shù)

3.1 錫鍋溫度

選擇性波峰焊接技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中包含了多個(gè)工藝參數(shù)，其中，錫鍋溫度設(shè)置是否合理，直接關(guān)系到焊接成功與否，該溫度參數(shù)過(guò)大或者過(guò)小都不利于焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。錫鍋溫度為其錫鍋內(nèi)可以恰好將焊錫熔融的溫度條件，當(dāng)焊接作業(yè)開(kāi)展時(shí)，錫鍋內(nèi)的焊錫在依次經(jīng)由泵、噴嘴噴出的階段，存在或多或少的溫度損失，這一條件下，導(dǎo)致經(jīng)由噴嘴處噴出的熔融焊錫溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期的溫度值。為盡可能保障錫鍋溫度的合理性，要結(jié)合印制板層數(shù)、覆銅寬度等條件。

3.2 氮?dú)饧訜釡囟?/h3>

氮?dú)饧訜釡囟葘?duì)于選擇性波峰焊接工藝的應(yīng)用效果也極為重要，在整個(gè)焊接過(guò)程中，氮?dú)饧訜嵯到y(tǒng)的存在是為了使得噴嘴處的焊錫溫度符合要求，提高錫柱的穩(wěn)定性，可以有效避免在焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊錫噴濺的現(xiàn)象。此外，氮?dú)饧訜釡囟鹊目茖W(xué)控制還能夠減少錫渣的產(chǎn)生，對(duì)預(yù)防焊點(diǎn)橋連、拉尖等缺陷極為有效。根據(jù)當(dāng)下選擇性波峰焊接工藝的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通常都將氮?dú)饧訜釡囟瓤刂圃阱a鍋溫度的上下10℃，一旦在焊接過(guò)程中存在較多的錫渣或者助焊劑殘留物，要適當(dāng)提高氮?dú)饧訜釡囟取?/p>

3.3 預(yù)熱溫度及時(shí)間

選擇性波峰焊接工藝中的預(yù)熱系統(tǒng)采用的是紅外預(yù)熱系統(tǒng)，預(yù)熱溫度和時(shí)間的確定方面，一般要綜合考慮印制板層數(shù)、覆銅寬度和元器件種類(lèi)等因素。為達(dá)到良好的焊接處理消耗，正式的焊接作業(yè)實(shí)施之前，選擇一塊試驗(yàn)板，并將該試驗(yàn)板安裝于固定夾具上，設(shè)定對(duì)應(yīng)的預(yù)熱溫度和時(shí)間，用熱電偶對(duì)PCB板的表面溫度加以測(cè)量，如果高溫度不符合焊接要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.4 噴嘴型號(hào)

選擇性波峰焊接工藝應(yīng)用中，噴嘴型號(hào)同樣是需要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)方面，一般要根據(jù)用戶(hù)的切實(shí)需求來(lái)配備特定型號(hào)的噴嘴。事實(shí)上，噴嘴型號(hào)與噴嘴內(nèi)徑尺寸有著直接的關(guān)系，噴嘴內(nèi)徑尺寸是決定噴嘴型號(hào)的關(guān)鍵性因素，同樣也是決定噴出焊錫直徑、焊接區(qū)域大小的因素。在焊接作業(yè)進(jìn)行的過(guò)程中，相應(yīng)的焊接人員需開(kāi)展規(guī)范化的焊接作業(yè)時(shí)，要依據(jù)焊接規(guī)范中的待焊元器件焊盤(pán)與相鄰元器件焊盤(pán)之間的安全距離，選用大直徑噴嘴來(lái)開(kāi)展焊接作業(yè)，因?yàn)橹睆皆酱蟮膰娮?，意味著越大的熱容量，也就使得焊錫所形成的柱狀波更具穩(wěn)定性，即使產(chǎn)生了錫渣，多余物也不會(huì)導(dǎo)致噴嘴內(nèi)部的堵塞，減少了焊接缺陷的出現(xiàn)[3]。

4 選擇性波峰焊接工藝應(yīng)用

4.1 助焊劑涂布工藝

助焊劑涂布工藝是選擇性波峰焊接中的關(guān)鍵工序，在焊接加熱和焊接作業(yè)全部結(jié)束以后，助焊劑的活動(dòng)要達(dá)標(biāo)，以避免在焊點(diǎn)處出現(xiàn)橋接現(xiàn)象，并避免PWB的氧化。助焊劑噴涂環(huán)節(jié)，應(yīng)由專(zhuān)業(yè)人員攜帶PWB通過(guò)助焊劑噴嘴，將助焊劑噴涂到PWB待焊接部位。助焊劑具包含了多種類(lèi)型，比如，單噴嘴霧式、微孔噴射式、同步式等，在實(shí)際的焊接作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)具體需求來(lái)選擇。

選擇性波峰焊接工藝下，助焊劑涂覆方式從本質(zhì)上游噴霧法和發(fā)泡法，如果采用的是噴霧法，就可以在助焊劑涂覆過(guò)程中表現(xiàn)出良好的均勻性，覆量可控性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性的特點(diǎn)。從噴霧法的具體工作原理來(lái)分析，液態(tài)助焊劑經(jīng)由氣壓作用被傳送到了噴嘴部位，當(dāng)在高壓和噴嘴特殊結(jié)構(gòu)的相互配合下，也就形成了噴霧并被噴射到了印制板上。在噴霧過(guò)程中，助焊劑在印制板上的噴涂位置、噴涂方式和噴涂速度，都是經(jīng)由程序的自動(dòng)執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4.2 預(yù)熱工藝

預(yù)熱作為焊接工藝中的關(guān)鍵工序，對(duì)于選擇性波峰焊接工藝而言，因?yàn)楣に嚨奶厥庑?，預(yù)熱工序的實(shí)施也同樣具有其特殊的作用，終極目標(biāo)是要去除溶劑預(yù)干燥助焊劑，使得助焊劑性能與工藝要求相一致。預(yù)熱處理的過(guò)程勢(shì)必同步產(chǎn)生一定的熱量，最終的焊接質(zhì)量和效果往往會(huì)受該熱量干擾，但其干擾性微乎其微。預(yù)熱環(huán)節(jié)重點(diǎn)是要進(jìn)行預(yù)熱溫度的科學(xué)設(shè)定，結(jié)合各種因素，保障合理性。

4.3 選擇性焊接工藝

選擇性焊接工藝中有拖焊和浸焊之分，當(dāng)面臨的是單個(gè)小焊嘴焊錫波焊接任務(wù)時(shí)，拖焊工藝更為合適，尤其是在PWB上緊密空間焊接上，焊接效果十分理想，比如，個(gè)別焊點(diǎn)、引腳的焊接任務(wù)中，在這一工藝應(yīng)用時(shí)，焊錫波上存在PWB的多角度、多速度移動(dòng)，焊接十分高效。拖焊工藝下，焊錫溶液與PWB板的運(yùn)動(dòng)都熱轉(zhuǎn)換效率提升的關(guān)鍵因素，焊錫波作為熱量傳送中介，單焊嘴的焊錫波質(zhì)量輕，極高的溫度條件下，才有助于焊接工藝質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)，275～300℃的焊錫溫度、10～25mm/s的拖拉速度下，焊接效果更佳。

因?yàn)闄C(jī)械的精度較高，且具有極高的靈活性，這就使得在電子產(chǎn)品等的生產(chǎn)過(guò)程中，直接利用模塊結(jié)構(gòu)理念所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)系統(tǒng)就能夠根據(jù)用戶(hù)的切實(shí)需求，來(lái)開(kāi)展定制化、個(gè)性化生產(chǎn)，這一特點(diǎn)為生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及行業(yè)的發(fā)展都起到了重要的作用。機(jī)械手在運(yùn)行的過(guò)程中，其運(yùn)行范圍相對(duì)較大，僅僅從運(yùn)動(dòng)半徑的角度來(lái)看，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)助焊劑噴嘴、預(yù)熱、焊錫嘴的全面覆蓋，因此，正是因?yàn)檫@一特點(diǎn)，使得在生產(chǎn)作業(yè)的進(jìn)行中，利用同一臺(tái)設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同焊接工藝的應(yīng)用。此外，因?yàn)樵跈C(jī)械中存在同步制程，使得在整個(gè)的生產(chǎn)、焊接過(guò)程中，單板制程周期相對(duì)較短，機(jī)械手所具備的這些特征使得選擇性焊接工藝下，焊接的質(zhì)量得以保障，具體來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)在以下方面：①機(jī)械手具備精準(zhǔn)定位的功能，其在履行這一功能的過(guò)程中，定位精度高，且操作相對(duì)穩(wěn)定，也就保持了每塊板所生產(chǎn)參數(shù)的高度一致性；②機(jī)械手呈現(xiàn)出5維運(yùn)動(dòng)的特征，這一運(yùn)動(dòng)特性使得PWB能夠在此運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，可以通過(guò)各種優(yōu)化的角度和方位來(lái)與錫面直接接觸，進(jìn)而來(lái)達(dá)到焊接的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。

拖焊工藝存在著各個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，但是，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，單嘴焊錫波拖焊工藝同樣存在著一定的技術(shù)缺陷，具體表現(xiàn)為：整個(gè)焊接工藝進(jìn)行時(shí)，與焊劑噴涂、預(yù)熱和焊接工序的時(shí)間相比，單嘴焊錫波短時(shí)間消耗最長(zhǎng)，因?yàn)樵诤附幼鳂I(yè)進(jìn)行時(shí)，焊點(diǎn)為一個(gè)個(gè)的拖焊，當(dāng)焊點(diǎn)數(shù)逐步增多的過(guò)程中，也就意味著焊接時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，這也意味著這一焊接工藝效率相對(duì)偏低，焊接時(shí)間消耗要比傳統(tǒng)波峰焊工藝的焊接時(shí)間長(zhǎng)很多?，F(xiàn)階段，隨著技術(shù)的日漸進(jìn)步，多焊嘴設(shè)計(jì)方式下恰好可以大大提升效率，比如，利用雙焊接噴嘴下，產(chǎn)量大大提升。

對(duì)于浸入選擇焊系統(tǒng)而言，在該系統(tǒng)內(nèi)包含了多個(gè)的焊錫嘴，這一設(shè)計(jì)下，與PWB待焊點(diǎn)之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，雖然這一系統(tǒng)下的靈活性相對(duì)較差，但是其與傳統(tǒng)波峰焊設(shè)備相比，其產(chǎn)量卻是相對(duì)較高的，且設(shè)備成本投入也遠(yuǎn)低于機(jī)械手式。結(jié)合焊接工藝下的PWB尺寸，完全可以借助于單板或者多板來(lái)實(shí)現(xiàn)并行傳送，這一傳送方式下，全部的待焊點(diǎn)都以并行方式在相同的時(shí)間段內(nèi)依次高效完成助焊劑噴涂、預(yù)熱、焊接。但現(xiàn)實(shí)情況下，不同的PWB上往往存在著焊點(diǎn)分布的巨大差別，為保障良好的處理效果，應(yīng)結(jié)合PWB來(lái)進(jìn)行焊錫嘴的針對(duì)性設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)下的產(chǎn)品焊接領(lǐng)域，選擇性波峰焊接工藝極為常用，在一些特殊的產(chǎn)品焊接任務(wù)中，選擇性波峰焊接工藝的優(yōu)勢(shì)凸顯，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，選擇性波峰焊接工藝必將得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。