选择性焊接工艺的正确定义

HEATS · 发表于 2010-9-12 15:34:58

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　　1.引言

　　选择性焊接工艺不仅可作为波峰焊的一种取代，而且其也为电子产品设计的创新提供了一种全新的焊接方法。选择性焊接工艺能焊接显示器，平面电缆各种形式的异型器件，也能将几块印制板(PCB)焊接到另外一块印制板上。

　　选择性焊接工艺优良的重复性及高质量的焊点，汽车电子制造业已普遍接受。选择性焊接设备具有一个机械臂系统可携带待焊组件向不同角度移动对准焊嘴，给焊接技术提供了一个新的空间。由于电子产品朝着小型化方向发展，再流焊工艺已成为大批量生产的主流。但有些机电器件如开关，连接器及一些插座采用常规波峰必须承受机械应力，损害器件通孔互连的牢固连接。而通孔焊膏再流焊工艺在某些应用领域，由于再流焊温度太高也不适用，成本又高等受到一定的限制。通孔器件是可采用不同原方法进行焊接，对不同焊接工艺及成本比较，从中作出决择。比如通孔器件可以手工焊接，但往往因为质量标准及成本等问题不采用。今天的电子组件正在不断的变化，工艺工程师应该了解焊接工艺新的技术，质量标准，无铅焊料及微型化等相关信息。电路组件可采用三种选择性焊接方法进行焊接；其一，模板波峰焊，为每种电路组件设计专用模板用于保护已焊的表面贴装器件；其二，选择性焊接设备-拖焊工艺，机械臂携带待焊PCB浸入固定位置焊嘴组的焊锡波上(多焊锡波)。这三种选择性焊接工艺都可用于小批量或大批量生产。

　　2.助焊剂

　　涂布工艺在上述三种焊接工艺中，助焊剂涂布工艺起到重要作用。在焊接加热及工艺结束时，助焊剂能防止PCB产生的氧化，且助焊剂也应有足够的活性。防止在PCB脱离焊锡时产生的桥接。为满足这些要求，有关助焊剂涂布工艺的一些重要因素必须考虑；uPCB待焊部位助焊剂正确的涂布量u助焊剂涂应均匀u组件予热一为下道焊接工序准备u焊接温度与接触时间u焊后组件清洗

　　3.模板波峰焊

　　波峰焊工艺已有许多不同规格的专用焊剂系列。例；铅/锡焊接工艺，常用的免清洗焊剂，建议其固体含量近于2%，且焊剂应具有良好的铺展性及表面张力的作用。在波峰焊工艺中，焊剂的铺展是使用气压喷嘴自动完成的。不同所有喷雾的焊剂全部沉积在PCB上。喷嘴喷雾的图形是圆形或椭圆形，以确保在组件的前后都能涂布焊剂。由于使用气压自动喷雾，有些焊剂将会回溅。在我们的铅/锡实验中，选用低固体含量，免清洗助焊剂。在焊接前，PCB涂布的焊剂需要在70℃-100℃进行予热。焊剂密度0.8g/ml,固体含量1.5%.锡/银/铜基无铅焊料，使用水溶性，无有机按发物焊剂，在焊接前，PCB涂布的焊剂需要在100℃—130℃进行予热。焊剂密度工0995g/ml，固体含量1.8%。铅锡焊料的PCB焊接面焊剂的最小用量为1600μg/in2。免清洗，酒精基焊剂固体含量1.5%,在测试板上涂布的焊剂量是：

　　◆测试样板面积100*160mm2=24.8mm2

　　◆每块PCB焊剂量(湿)=固体焊剂量×每块板需要的固体焊剂量=100/0.5*24.8*0.0016=2.645g

　　◆焊剂需要量=密度×（焊剂量+30%损失)×2.645=2.751mi/单板

　　◆无铅焊料涂布用量小于40%，在水中分解速度比在酒精中快得多

　　◆每块PCB板焊剂(湿)量1.8*24.8*0.001=1.377g

　　◆焊剂实际用量0.997*1.3*1.377=1/784ml/单板4.选择性焊接工艺选择性焊接工艺是用微滴焊剂喷涂器，因为涂布在PCB待焊部位的焊剂很小，涂布焊剂的位置是PCB与焊锡熔液接触的位置。其他地方不需要涂布焊剂。选择性焊剂没有专用焊剂，可使用波峰焊的焊剂，焊剂用量也相同。在选择性焊接工艺中，每个焊接部位需要的焊剂量为：

　　◆待焊部位面积(铅/锡)=3*(8*5)+16*6+32*6+50*6=708mm2

　　◆每块板的焊剂需要量100/1.5*1.097*0.00016=0.117g

　　◆焊剂实际用量=0.8*1.3*0.117=0.121ml/单元板

　　◆焊剂实际用量(无铅焊料)=0.079ml/单板

　　5、焊接工艺

　　焊剂涂布后下道工序是干燥焊剂，蒸发中的溶剂，待焊部位获得足够的热量保证实现可靠的焊缝连接。在常规波峰焊设备中，设计装有三个予热区，全长1.800m，三个予热区的配置如下；第一区Calrod加热器，第二区强对流加热器，第三区红外灯加热区。焊锡锅装有双波发生器，焊锡温度设定为250℃，无铅焊料属高熔点合金，因此在焊接温度范围，无铅焊料与铅锡焊料相比湿润性差，为达到可靠的焊接，接触时间或焊接温度需要提高。在本实验，使用SnAg3.8Cu0.5焊料，焊接温度260℃。较高的焊接温度足以保证焊接高质量，采用通过降低传送速度方法来增加接触时间。势必减少产量。

　　6、焊接产量

　　选择性焊接工艺另一个指标是工艺必须满足用户需要的产量，虽然焊接工艺不是大多数组装生产线的瓶颈，但焊接时间在整个工艺过程仍然是重要的。实验测试板布置84个待焊通孔焊点。手工焊接的平均时间为2.7秒。无铅焊料因高熔点及较差的湿润性，所以手工焊接时间增加到3.5秒。

　　6.1选择性焊接

　　选择性焊接设备，助焊剂喷涂与予热工序是在传送区域完成的。定义焊接时间是在焊剂喷涂，予热，焊接三个工序选择其中最长的时间。铅/锡焊接工艺，焊接工序为最长时间。单嘴焊锡波拖焊工艺需要59.3秒。多嘴焊锡波浸焊工艺需要27.4秒。使用无铅焊料，单嘴焊锡波拖焊工艺仍需要59.3秒，此时组件仍以同样速度(25mm/sec)进行焊接。多嘴焊锡波浸焊工艺予热时间延长(VOC，水溶性焊剂需要较高的温度)，使得焊接时间增加到36秒(予热；30秒，传送时间6秒)。

　　6.2波峰焊

　　波峰焊工艺中，组件进行焊接的传动速度为20cm/sec，每块板间隔160mm，最终焊接时间为16.5秒。

　　7.成本比较

　　选择性焊接的成本可分为几种类型；消耗类费用；焊剂，氮气，焊膏；人工费用；投资类费用(设备，工具投资利息，折旧；场地。这些成本计算应包括在工艺过程中，产品的焊接加工产出与需要的加工时间及人工成本有关。专用的计算模型可用来评价每次焊接工艺过程的焊点总量与年成本的比率。

　　7.1人工成本

　　人工成本包括；工时；编程时间，维护保养时间。模板波峰焊还有传动系统的辅助操作时间(PCB的装载/卸载，清洗)

　　7.2投资成本

　　选择性焊接设备的成本包括；设备，多焊嘴模板，备用件。波峰焊设备还应包括传动系统。对每一种组装工艺尽可能减少对传动系统的要求。传动系统的使用寿命估计在20，000次。一块好的模板取决于设计及尺寸。成本在￥2001000间，模板承装平均时间大约20秒。

　　7.3场地

　　一台选择性焊接设备需占用的场地大约在5m3，常规的波峰焊设备需要4m3，手工焊接设备需要2m3。采用通用的方法对不同焊接工艺的盈亏平衡点进行计算是不可能的。例如；工时成本，耗氮量，占是面积等只是一个范围。在选择性焊接中。与波峰焊相比其能源及工时成本是低的，而与手工焊接相比其真正的收益是缺陷率的减少。

　　8.结论

　　选择性焊接工艺是模板波峰焊很好的取代工艺，其能没有高价的传动系统条件下，实现高度灵活的电路组件焊接。虽然波峰焊能得到很高的产量，但受到焊接面已焊器件高度及SMD器件限制。除了高的模板及装载成本，焊锡波峰必须有足够的高度才能在模板窗口有适当的焊料压力。波峰的高度达12mm，这样增加了锡渣的产生提高了耗氮量的费用成本。手工焊接是人工操作，所以容易产生缺陷，如焊锡过量，通孔灌锡不当，焊剂残留物及焊点上的热应力等。与高工时成本的手工焊接工艺相比，选择性焊接设备极大降低了缺陷率能很好地回报了投资。今天生产线上大多数产品的焊点数量在20-400左右。选择性焊接工艺的灵活性，可编程能力为新产品设计提供一种焊接的新方法，为设计师提供一条新的工艺途径。【MechNet】

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