立體工件的批量上錫轉(zhuǎn)化技術(shù)

呂曉勝

京信射頻技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510700

0 引言

移動通信在我國發(fā)展十分迅猛，我國躋身是基站天線強(qiáng)國，已連續(xù)多年全球市場銷售量占比超過50%；現(xiàn)在我國已經(jīng)建設(shè)了一張十分優(yōu)秀的4G網(wǎng)絡(luò)，伴隨著網(wǎng)絡(luò)信號的普及，特別是網(wǎng)上購物、移動支付、導(dǎo)航、短視頻、社交軟件等應(yīng)用，給人們帶有極大的便利。隨著2G/3G/4G/5G迭代商用，為滿足基站天線的共站共址需求，適應(yīng)多個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多制式多頻共用天線與日俱增，其天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和質(zhì)量控制要求難度大。移動通信現(xiàn)在處于后4G和5G時代，天線產(chǎn)品呈現(xiàn)高集成、高性能、多頻段特點(diǎn)。其中核心部件輻射單元的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越來越高，單副產(chǎn)品的輻射單元數(shù)量越來越多，單個輻射單元的焊點(diǎn)數(shù)量越來越多、且呈現(xiàn)在不同的維度上；這給輻射單元的批量化焊接和質(zhì)量管控，造成相當(dāng)大的沖擊和困擾[1]。

1 制造需求及焊接技術(shù)

1.1 輻射單元產(chǎn)能需求

在天線制造中，核心部件輻射單元的由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊點(diǎn)較多、產(chǎn)能需求非常大，每天需要生產(chǎn)幾萬個這樣的輻射單元。單個輻射單元的裝配及焊接工時評估，綜合按照每個輻射單元15個焊點(diǎn)，以及每個焊點(diǎn)的焊接時間需要4s來核算。這樣一個輻射單元的焊接時長就需要60s。整體測算下來，一個人1h也就產(chǎn)出60個，即一個人一天產(chǎn)出600個（工作時長按照10h統(tǒng)計(jì)）。每天生產(chǎn)3萬個輻射單元，就需要50個人，投入的人力物力相當(dāng)大；同時焊接質(zhì)量一致性也不能得到很好的管控。對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 產(chǎn)能、節(jié)拍與人員投入關(guān)系

1.2 一次性焊接技術(shù)

面對輻射單元這樣龐大數(shù)量的產(chǎn)能需求，不可能采用單點(diǎn)焊接的技術(shù)方案，必須針對輻射單元這種多維焊點(diǎn)的產(chǎn)品，開發(fā)一種一次性焊接技術(shù)。能通過批量處理的方式，將輻射單元的裝配和焊接的步驟，細(xì)分成每個子工序，按一定的生產(chǎn)節(jié)拍，進(jìn)行流水化的裝配和量化參數(shù)的一次性加熱焊接，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

1.3 輻射單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

天線輻射單元的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)呈多維度分布，不處在同一個平面，而且焊點(diǎn)的形態(tài)各異，如圖1所標(biāo)示的焊點(diǎn)1～17，即為焊點(diǎn)位置。焊點(diǎn)呈四層結(jié)構(gòu)分布，數(shù)量多達(dá)17個。

圖1 天線輻射單元焊點(diǎn)分布圖

1.4 批量焊接技術(shù)工藝

為了實(shí)現(xiàn)批量焊接，最大化的保障產(chǎn)出，對輻射單元采用陣列擺放的方式；并采用錫膏制程，形成模組化并進(jìn)行流水焊接作業(yè)。如圖2所示，在相應(yīng)尺寸內(nèi)進(jìn)行容量最大化的設(shè)置，即為4×4的模組、一模共16個。以一個組合式的集成化夾具作為載體，形成一種分層組裝、分層上錫；然后通過整體加熱方式，一次性對輻射單元上的所有焊點(diǎn)或焊盤上的錫膏，進(jìn)行融化和焊接；從而一次性形成焊點(diǎn)的批量焊接技術(shù)。

圖2 批量焊接技術(shù)路線圖

1.5 批量上錫轉(zhuǎn)化技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)一次性焊接技術(shù)，需要提前對輻射單元的每個焊點(diǎn)位置，進(jìn)行批量上錫作業(yè)。由于輻射單元呈立體結(jié)構(gòu)件，由于一半的焊點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部，無法直接采用點(diǎn)涂及印錫的工藝，需要轉(zhuǎn)化思維，通過工藝上的變換，采用印錫的工藝方法，對同軸電纜進(jìn)行預(yù)上錫；同時采用特殊的爐溫曲線，對錫膏進(jìn)行軟化預(yù)定型；同時還要保證預(yù)定型之后的錫膏內(nèi)部仍保留較多的助焊劑。通過這種的方法進(jìn)行變換之后，同軸電纜連帶半融化已成型的錫膏，再進(jìn)行多個立體結(jié)構(gòu)件的組裝，然后進(jìn)行批量的整體加熱，完成二次融化和焊接[2]。

2 批量上錫轉(zhuǎn)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 立體工件批量上錫思維

對整個輻射單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，17個焊點(diǎn)分布在四個維度，如圖3所示。其中面1、面2、面4是屬于平面形的結(jié)構(gòu)，呈水平分布，可以通過分層印錫、分層組裝的方式，進(jìn)行上錫轉(zhuǎn)化；面3是屬于弧面的結(jié)構(gòu)，呈垂直分布，要實(shí)現(xiàn)批量上錫，明顯是不可能的。按照傳統(tǒng)的作業(yè)方式，一般會采用錫膏點(diǎn)涂的方式，但由于產(chǎn)品要采用一次性焊接的技術(shù)，要進(jìn)行4×4的模組擺放，這樣面3的焊點(diǎn)就處于內(nèi)部遮蔽狀態(tài)，點(diǎn)涂方案無法實(shí)施。這就要進(jìn)行發(fā)散思維，對面3的同軸電纜采用預(yù)置的方式，轉(zhuǎn)化為水平分布的上錫及預(yù)成型的需求。

圖3 輻射單元焊點(diǎn)分類分解圖

2.2 錫膏選擇與制程研究

由于輻射單元的零件中，有采用壓鑄鋁合金的材料，表面電鍍錫。其材料熔點(diǎn)為232℃，所以為了兼容工件材料的耐溫性及焊點(diǎn)的可靠性，錫膏選取了中溫非共晶錫膏，成分為AgBiAg，熔點(diǎn)為138～187℃。產(chǎn)品成分中焊料合金之化學(xué)成分，如表2所示。

表2 錫膏焊料組成

產(chǎn)品中焊料合金之熔融溫度及密度，如表3所示。

表3 焊料的熔點(diǎn)及密度

產(chǎn)品中錫粉的粒度分布如表4所示。

表4 錫粉的粒度

2.2.1 錫膏制程典型溫度控制

典型焊接曲線圖如圖4所示。

圖4 典型焊接曲線圖

2.2.2 預(yù)熱區(qū)

預(yù)熱升溫速度控制在1～3℃/sec，過快的升溫則容易造成錫球及橋連等不良，元器件也可能因過大的熱應(yīng)力而造成損壞。為保證PCB各部溫度均勻，減少溫差（Δt），預(yù)熱時間為60～120sec，預(yù)熱溫度110～140℃/sec。如溫度過低或時間過短將會產(chǎn)生未融溶現(xiàn)象。而如果溫度過高或時間過長，助焊劑中活性成分揮發(fā)，亦可能導(dǎo)致未融溶現(xiàn)象產(chǎn)生[3]。

2.2.3 回流區(qū)

回流焊峰值溫度一般控制在200℃～220℃，但基于元件的耐熱性能，可使用較低的回流溫度（195℃）。但如果因?yàn)榛亓鳡t的特性而有困難而采用較高的峰值溫度（220℃），必須充分考慮元件的耐熱性。在熔點(diǎn)溫度（＞187.0℃）以上，一般時間控制60～90sec，視實(shí)際產(chǎn)品工藝而定，可減少，但不能少于50sec。

2.2.4 冷卻區(qū)

冷卻速度對焊點(diǎn)質(zhì)量很重要，一般焊點(diǎn)強(qiáng)度隨冷卻速度增加而增加；冷卻速度為2～8℃/sec，若過快則易造成元器件損傷，焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋等不良現(xiàn)象；過慢則易使焊點(diǎn)表面變得粗糙及強(qiáng)度變差，也易導(dǎo)致立碑現(xiàn)象或元器件移位。

2.3 同軸電纜預(yù)放

制作耐高溫的電纜托盤，托盤上開具對應(yīng)數(shù)量的同軸電纜固定穴位。如圖5所示，通過人工預(yù)放或機(jī)器整列擺盤的方式，對同軸電纜進(jìn)行有規(guī)律的擺放，以保證同軸電纜需要印錫的面，能夠位于對應(yīng)的空槽中。

圖5 同軸電纜定位方式

2.4 同軸電纜圓弧面印錫

依據(jù)上文所談到的面3位置所處焊點(diǎn)的焊錫量需求，依據(jù)圖6所示的錫膏制程回流之后的體積比變化規(guī)律，需要對應(yīng)2倍的錫膏印錫量。依據(jù)這個印錫量，結(jié)合同軸電纜的外徑尺寸，推導(dǎo)鋼網(wǎng)的開口設(shè)計(jì)；對應(yīng)每根同軸電纜的印錫區(qū)域的長、寬及厚度等關(guān)鍵尺寸。通過印錫機(jī)及刮刀的作用，對整個托盤的同軸電纜進(jìn)行整體印制上錫，實(shí)現(xiàn)同軸電纜錫膏制程的第一次上錫需求[4]。

圖6 印錫回流前后體積變化規(guī)律

2.5 電纜上錫膏預(yù)定型

由于同軸電纜長度比較短，同時為了保證在周轉(zhuǎn)過程中錫膏不被刮蹭到，而產(chǎn)生錫少及錫珠、虛焊等不良現(xiàn)象；需要對整體印錫的形狀進(jìn)行一定的預(yù)定型。所以要提前對同軸電纜上的錫膏進(jìn)行加熱融化固定；但是又不能直接將焊料進(jìn)行完全固化，因?yàn)橥耆袒蟮暮噶蠣顟B(tài)，在進(jìn)行輻射單元的二次組裝之后，會制約焊料的二次擴(kuò)散特性，從而無法形成良好的焊點(diǎn)。

錫膏預(yù)定型的關(guān)鍵在于溫度的設(shè)置，以求得到一種“焊點(diǎn)表干、其內(nèi)部仍含有助焊劑”的錫膏預(yù)定型狀態(tài)。在參考焊料的典型曲線，并結(jié)合實(shí)際情況，作一定可取的變化；焊料預(yù)成型的溫度設(shè)置，取錫膏融化處于升溫區(qū)與回流區(qū)的中間值。我們此次焊接技術(shù)所采用的錫膏為中溫錫膏，成分為SnBiAg，非共晶，熔點(diǎn)為138～187℃。要實(shí)現(xiàn)錫膏預(yù)定型的效果，曲線設(shè)定可以設(shè)置微溶段，即回流區(qū)的峰值溫度設(shè)置在155～175℃間，保證錫膏能夠產(chǎn)生微融的效應(yīng)；同時要嚴(yán)格控制加熱時間，微熔段的時間控制在50秒以內(nèi)，確保錫膏內(nèi)部的助焊劑留存大于原來的60%，以便能在二次熔化時也能夠產(chǎn)生焊料擴(kuò)散的效應(yīng)[5]。錫膏預(yù)定型的效果如圖7所示。

圖7 錫膏預(yù)定型效果

2.6 同軸電纜取放組裝及二次熔化焊接

同軸電纜整體進(jìn)行首次加熱預(yù)定型之后，采用對應(yīng)的底托工裝，把平放于托盤內(nèi)的同軸電纜斜著頂起，使同軸電纜呈45度立在托盤上，并作為一個整體的上料盤進(jìn)行周轉(zhuǎn)，方便下工序的人工裝配拿取。在下一工序，人工雙手依次將同軸電纜從托盤拿取下來，進(jìn)行銜接工序的二次組裝。將二次組裝好之后的模組，整體流水進(jìn)入回流爐、回流爐各個溫度設(shè)置形成對應(yīng)的溫度控制，整體的對模組上的16個輻射單元，共272個焊點(diǎn)上的錫膏及預(yù)定型錫膏，進(jìn)行再次融化和擴(kuò)散，形成相應(yīng)的焊點(diǎn)。二次熔化的溫度設(shè)置，要保證預(yù)熱充分，回流溫度的設(shè)置要高于焊料本身熔點(diǎn)溫度的30℃以上，即回流區(qū)的峰值溫度設(shè)置在210～220℃之間，即以保證焊點(diǎn)能夠二次融化，并充分融透；同時時間控制相當(dāng)關(guān)鍵，回流時間控制在60～90s這個區(qū)間，以確保焊接可靠，同時也保障焊點(diǎn)不會被老化[6]，二次焊接效果如圖8所示。

圖8 二次焊接效果

3 結(jié)語

應(yīng)用以上的批量上錫轉(zhuǎn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)立體工件位于多個維度的結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的批量焊接，使產(chǎn)品的焊點(diǎn)效率、質(zhì)量得到大幅度的提升，保障了產(chǎn)品的一致性；從而使天線整機(jī)產(chǎn)品的一致性達(dá)通率也得到大幅度提升。在行業(yè)內(nèi)，通過技術(shù)傳承和技術(shù)轉(zhuǎn)讓，促進(jìn)國內(nèi)天線行業(yè)的制造水平整體提高。最大程度彰顯天線制造技術(shù)的優(yōu)越性和靈活性，推動我國經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。