摘要

    選擇性波峰焊技術(shù)不是一項新工藝，它已經(jīng)在汽車和醫(yī)療產(chǎn)品行業(yè)通孔元件的應(yīng)用上有30年的歷史了。如今，越來越多的制造業(yè)正努力使SMD技術(shù)微型化以便降低PCB板的復(fù)雜性及平衡電路板元件密度，從而保證良好的組裝工藝。說到這里，有人要問，為什么選擇性波峰焊技術(shù)一直沿用至今？難道是因為元件可靠性，獨特性和復(fù)雜性才不得不用此技術(shù)么？先記住這個疑問，下一個問題就討論哪種平臺最適合此產(chǎn)品。

    本文介紹選擇性波峰焊技術(shù)的評估過程。本文將低成本平臺和高成本平臺分別歸為平臺A和平臺B。通過對比分析和模擬，本文目的是放大兩種平臺的本質(zhì)差異。兩種平臺建立的原理相同，但不同的性能會對生產(chǎn)率有所影響。了解選擇性波峰焊技術(shù)非常重要，能夠在生產(chǎn)過程中，避免質(zhì)量成本的花費及產(chǎn)量缺陷。

    研究表明，在焊接工藝中，零件和其功能會影響焊接的可焊性。本文將對助焊劑噴涂，預(yù)熱，錫槽和噴嘴材料間分析進行實際模擬操作，做出評估。另外，每種平臺的投資成本也將考慮在內(nèi)。本文旨在為選擇焊接平臺提供信息，同時也可為有相同工藝和應(yīng)用需求的制造商提供參考。

關(guān)鍵詞：選擇性焊接，混合技術(shù)，平臺，制造，指南

簡介

     選擇性波峰焊技術(shù)不是一項新工藝，自1980年以來，在有限規(guī)模的生產(chǎn)中，已經(jīng)使用此技術(shù)進行通孔元件的應(yīng)用?？蛻艨偸且笤诓粨p害產(chǎn)品質(zhì)量的情況下降低產(chǎn)品價格，因此，對制造商來說，為特定的產(chǎn)品選擇合適的平臺是一個不小的挑戰(zhàn)。根據(jù)我們的經(jīng)驗，需要考慮三個主要的因素：產(chǎn)量，周期時間和質(zhì)量。

    最好是有一個良好的周期時間，但是許多因素會影響這個周期時間，比如傳送帶設(shè)計，參數(shù)設(shè)置和焊接焊點的數(shù)量。最后也相當重要的是質(zhì)量方面的影響。有幾個方面影響著產(chǎn)品質(zhì)量，如材料，設(shè)計，工藝參數(shù)，處理方式和設(shè)備本身引起的錯誤。

實驗材料

I.   助焊劑，Alpha Metal SLS65

II. 焊錫條，通過無鉛認證的SAC 305

III.PCB板，280×200mm×1.6mm+/-0.2mm包括焊料標簽，4層銅，2層墨

IV. PCB夾具（金屬）

焊接概念
本文將工藝平臺概念分為如下幾類：

圖1 機器基本概念

     圖1 列出了兩種平臺在選擇性焊接過程中簡單的工藝流程。平臺A進行焊接時，通過頂部預(yù)熱簡化其工藝，這樣，平臺A的占地尺寸比平臺B小得多。如圖1，平臺B使用正常的焊接工藝，由此占地尺寸比A長的多。徹底了解此工藝過程及設(shè)備如何才能滿足用戶需要，是用戶和設(shè)備制造商達成協(xié)同合作的關(guān)鍵因素。

PCBA 裝載（PCB+焊料治具）

    錫槽不同，PCB裝載也不同。裝載看似簡單，卻真正影響著整個工藝。圖2所示，PCB裝載的方向與平臺A長度方向平行, 這種情況下，PCB沒有發(fā)生彎曲；而PCB裝載的方向與平臺B寬度方向平行，這種情況下，PCB發(fā)生了彎曲。

圖2 PCB裝載和噴嘴方向

　　噴嘴方向影響PCB為雙噴嘴配置的裝載。圖2所示噴嘴方向如何影響PCB的裝載。

                           圖3 固定

     圖3所示PCBA線路板裝載的方向與平臺B寬度方向平行，用固定裝置支撐板子，防止焊接時PCB彎曲。

助焊

   本文中的平臺都集成可編程、精確的助焊劑噴涂系統(tǒng)，通過自動噴涂精度控制對已選擇的焊點和路線進行助焊劑噴涂。

圖4 助焊劑噴凃規(guī)格

   助焊劑噴凃頭將準量的助焊劑非常準確地噴涂在極小的PCB區(qū)。

圖5 助焊劑噴涂

   助焊劑噴涂方式是根據(jù)焊點數(shù)量和元件排列來決定的。有效的周期時間取決于焊接元件的排列方式。研究表明，平臺A和平臺B的助焊劑噴涂沒有太大區(qū)別。（見圖5）兩者都在大批量生產(chǎn)測試中表現(xiàn)良好。沒有遇到阻塞或錯位問題。
預(yù)熱

     根據(jù)助焊劑所需的焊接溫度和PCBA線路板密集程度選擇預(yù)熱工藝及其預(yù)熱參數(shù)。由于內(nèi)部層數(shù)越來越多，元件越來越重，規(guī)格越來越多樣化，預(yù)熱系統(tǒng)必須非常靈活。最重要的是溫度曲線梯度和焊接溫度阻力必須匹配元件規(guī)格。特別是那種不屬于SMD分類的元件。

    焊接工藝需要先預(yù)熱再焊接。加熱是必須的，因為:I. 助焊劑溶劑部分需在焊接開始前蒸發(fā)；否則，在焊接過程中會發(fā)生噴濺，產(chǎn)生錫球并導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。II.在熱焊組裝工藝中，如果板子太涼，焊料的溫度就會傳到組裝階段，而不是傳到焊點。通孔透錫質(zhì)量會下降。III.在組裝過程中使用更均勻的溫度，以減少熱應(yīng)力。

圖6. 頂部預(yù)熱                                                 圖7. 底部預(yù)熱

     研究表明，底部預(yù)熱比頂部預(yù)熱有更多優(yōu)勢，因為從底部預(yù)熱很容易干燥助焊劑，并且在電路板進入焊接階段之前，加熱元件引腳部分。圖7所示是底部預(yù)熱實際照片。只進行頂部預(yù)熱（圖6）不能保證板子下方助焊劑完全干燥，而且還有可能在焊接完成后留有助焊劑殘留物。助焊劑殘留物只能通過刷洗方法祛除，而刷洗過程是一項額外工序，直接影響制造成本。盡管應(yīng)用過程根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜性有所不同，但仍推薦先評估助焊劑材料，為您的產(chǎn)品選擇最佳助焊劑。  

熱。

焊接模塊

    良好的錫槽能提供良好的性能，可靠并易于維護。如圖9所示，兩個平臺都使用雙噴嘴焊接模塊。研究表明，良好的錫槽設(shè)計能防止零件從錫槽移除時損壞或破裂。圖10所示的是設(shè)計不佳的泵浦在維護過程中被輕易損毀。

圖8.焊接模塊

圖9.損毀的泵浦（平臺A）

    如圖8所示，平臺A和平臺B在焊接過程中都使用雙噴嘴。 平臺A是單泵單槽，但使用雙噴嘴，平臺B有兩個錫槽和兩個獨立的泵浦。泵浦的配置非常重要，它可以提供所需的功率，確保熔化的焊料從噴嘴尖頭中流出。

大量生產(chǎn)

   設(shè)計不佳直接影響焊接質(zhì)量。平臺的設(shè)計理念也許大體相似，但在選擇選擇性焊接技術(shù)時，其可靠性將是巨大的挑戰(zhàn)。

噴嘴

   在這項研究中，兩個平臺都使用潤濕性噴嘴。平臺A采用純鐵，平臺B采用薄涂層材料。在大規(guī)模生產(chǎn)測試中，平臺A的噴嘴壽命約是3周，平臺B是8周，22.5小時×6.5天。

                            圖10A 所示在這項研究中使用的噴嘴尺寸和幾何圖形。

圖10A 所示在這項研究中使用的噴嘴尺寸和幾何圖形。
                               圖10A 噴嘴類型噴嘴熱模擬

    兩個噴嘴都能把經(jīng)度和緯度的溫度擴大到290℃。圖11是兩個噴嘴熱變形對比圖。噴嘴A在經(jīng)度和緯度方向變形的幅度相同，而噴嘴B緯度變形幅度非常小。噴嘴上的最大位移發(fā)生在噴嘴尖頭上，噴嘴尖頭先在焊接過程中有所損壞，但其變形程度并不影響焊接進程。

圖10B 尖頭熱應(yīng)力

圖10C 底部熱應(yīng)力（平臺A）

圖10D 底部熱應(yīng)力（平臺B)

    兩個噴嘴都固定在底部。圖10C所示的是吸嘴A的壓力。吸嘴A最大壓力在螺紋區(qū)，其壓力比噴嘴B大的多（如圖10D所示）。這就能解釋這種現(xiàn)象：在替換或維護過程中，噴嘴A很難從螺紋組件中移除，而平臺B的噴嘴由于基座部分壓力小，很容易移除和替換。

氮氣

    在選擇性焊接工藝中，必須要使用氮氣，還應(yīng)評估操作成本。氮氣直接在元件焊接區(qū)擴散以提供良好的焊點。氮氣可以減少錫渣的形成，并使焊料從噴嘴中流出得更穩(wěn)定順暢。

圖11 氮氣供給（平臺A）

    圖11所示的是氮氣供給槽嵌在錫槽里，槽蓋或擴散器一旦損壞，焊料就很容易堵塞氮氣通道。

圖12 氮氣供給（平臺B)

   圖12所示的是平臺B的氮氣供給。氮氣直接從錫槽頂部出來，錫槽上覆蓋著密封金屬蓋，這樣可以隔絕氮氣和空氣的接觸，從而有效減少錫渣的產(chǎn)生。

PCB設(shè)計

    PCB設(shè)計規(guī)則主要與焊點周圍間距范圍有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，由于PCB設(shè)計欠缺，導(dǎo)致元件清洗遇到困難。

圖13　間距問題

    圖13所示的是由于焊點間距設(shè)計不佳，而不得不使用高溫膠帶。并且SMD元件之間距離太窄（＜1.2mm）。

圖14 錫橋問題

    圖14所示，引腳或Pad之間的焊料形成錫橋造成短路。如果焊料固化前不能從兩個或更多的引腳上分離，就會形成錫橋。為了防止錫橋生成，應(yīng)當使用正確的設(shè)計方法：Pin腳間使用較短的元件引腳和較小的pad。運用強力助焊劑。如果有可能使用除錫橋工具。

生產(chǎn)率

    產(chǎn)量是最能說明問題的。低成本平臺在進行大規(guī)模生產(chǎn)中，得到的產(chǎn)品質(zhì)量是最差的。在相同條件下，高成本平臺得到的產(chǎn)品質(zhì)量是最高的。

圖15 生產(chǎn)率

   收集一個月的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。如圖15所示，在同等情況下，平臺B每天生產(chǎn)的電路板比平臺A多。平臺A不合格率較多且出現(xiàn)的問題會直接影響生產(chǎn)率。

影響生產(chǎn)率問題

   研究中出現(xiàn)的大多數(shù)問題都來自平臺A，而平臺B在大規(guī)模生產(chǎn)測試中，總是表現(xiàn)良好的可焊性。

圖16 噴嘴變形

   如圖16所示，由于熱膨脹和腐蝕的影響，導(dǎo)致噴嘴變形，繼而導(dǎo)致錫流失衡，影響其焊接性能。

圖17 正時皮帶磨損

    如圖17所示，使用平臺A幾個月后，正時皮帶磨損情況。我們腦海里首先想到的是設(shè)計問題“設(shè)計的同步帶也許不適合在高溫條件下應(yīng)用”。研究發(fā)現(xiàn)，我們的想法是對的，此正時皮帶的確不適合在高溫條件下使用。但我們馬上又會想到它的泵機組設(shè)計細節(jié)：泵浦組的冷卻系統(tǒng)可以維持低溫，這樣正時皮帶就可以承受小于75℃的溫度，但這只在少數(shù)情況下。當機器停工時，泵浦和正時皮帶都會暴露在接近200℃的高溫下，因為一旦沒有電源，就馬上沒有空氣。

圖18 絲杠缺陷

   如圖18所示，絲杠缺陷只出現(xiàn)在平臺A。在大規(guī)模生產(chǎn)測試中，平臺A在焊接過程中出現(xiàn)不一致性，且產(chǎn)量下降。對此，無法推薦更好的方法，只能換一個新的絲杠然后重新校準。

圖19 氮氣保護蓋損壞

  圖19所示的是由于氮氣保護蓋損壞，焊料堵塞氮氣系統(tǒng)，焊料被氧化。

影響質(zhì)量問題

   選擇性波峰焊工藝參數(shù)至關(guān)重要。無論平臺成本高還是低，都會有缺陷和問題產(chǎn)生。關(guān)鍵的區(qū)別在于焊接的穩(wěn)定性和一致性。

圖20   焊料不足

圖21 透錫性不足

    如圖21所示, 當焊料不能到達電鍍通孔頂部，并覆蓋板子頂部的pad，透錫性就會不足。通過提高焊料溫度，使用活性較強的助焊劑或檢查噴嘴狀況可以避免此問題。

圖22 LCD褪色

   如圖22所示，當LCD元件暴露在高于100℃預(yù)熱溫度的條件下，LCD就會褪色。使用底部預(yù)熱或在LCD頂部覆蓋夾具以避免其暴露于高溫，可以避免此問題。

圖23 錫球

    如圖23所示，錫球是在元件周圍形成的微小球體。在無鉛焊接中，由于焊接溫度升高，阻焊層上的錫球也會增加。通過改變阻焊層，優(yōu)化焊接溫度，使用合適的助焊劑可以避免此問題。

環(huán)境對產(chǎn)品可靠性的影響

   合格測試的目的是驗證兩個平臺上終端產(chǎn)品的可靠性。JEDEC作為熱循環(huán)測試的標準（JESD22-A104-B）。圖25是熱循環(huán)標準，圖26是熱循環(huán)條件。

圖24：熱循環(huán)標準

圖25：熱循環(huán)條件

兩種平臺的環(huán)境試驗結(jié)果如下所示

1.熱循環(huán)后，焊點表面無明顯變化

2.平臺A和平臺B上薄板透錫性無明顯區(qū)別

3.兩個平臺都通過熱循環(huán)試驗

透錫性

    使用X-射線檢查透錫性。檢查選定的通孔，如圖28和29所示，圖29所示的是一個插頭連接器。由于測試載體采用的是薄板，因此，兩個平臺都能穿

圖26   X射線概率圖

    圖26所示是測試板取樣數(shù)據(jù)。如圖所示，在焊接過程中，平臺A不能像平臺B那樣始終保持良好的透錫性。

圖27 平臺A上焊料的X-射線

圖28 平臺A上焊料的X-射線

   如圖28所示，Pin腳1透錫性＜75％，其余＞75％。而圖29所示的全部Pin腳透錫性都符合標準。

截面分析
    截面顯示兩個平臺焊料透錫性都表現(xiàn)良好。如圖30和31所示，雖然有空洞，但都沒超過3-4微米，這樣的空洞都可接受?？斩词呛更c上的孔，會降低互連路徑的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，造成傳熱失敗。通過提高電路板質(zhì)量，清潔元件表面，預(yù)熱電路板，增加預(yù)熱時間或使用氮氣來避免此問題。

總結(jié)

    在為產(chǎn)品或應(yīng)用選擇合適的平臺時，務(wù)必要考慮平臺的設(shè)計和使用的材料。平臺的設(shè)計決定了平臺根據(jù)產(chǎn)品需要能達到的最佳參數(shù)。焊接在兩個平臺上的樣品都表現(xiàn)出了可靠性，這表明，兩個平臺可焊性都是良好的。大規(guī)模生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)表明，平臺B的產(chǎn)量最多，因為與平臺A相比，平臺B的焊接性能更持續(xù)更穩(wěn)定，而平臺A在評估過程中經(jīng)常出現(xiàn)停工現(xiàn)象。

PCB選擇性焊接技術(shù)中的若干難點

       當下，越來越多的廠家開始把目光投向選擇焊接，而在PCB電子工業(yè)焊接工藝中，選擇焊接不但可以在同一時間內(nèi)完成所有的焊點，降低生產(chǎn)成本，同時又克服了回流焊對溫度敏感元件造成影響的問題。

　　選擇性焊接的工藝特點

　　可通過與波峰焊的比較來了解選擇性焊接的工藝特點。兩者間最明顯的差異在于波峰焊中PCB的下部完全浸入液態(tài)焊料中，而在選擇性焊接中，僅有部分特定區(qū)域與焊錫波接觸。由于PCB本身就是一種不良的熱傳導(dǎo)介質(zhì)，因此焊接時它不會加熱熔化鄰近元器件和PCB區(qū)域的焊點。在焊接前也必須預(yù)先涂敷助焊劑。與波峰焊相比，助焊劑僅涂覆在PCB下部的待焊接部位，而不是整個PCB。另外選擇性焊接僅適用于插裝元件的焊接。選擇性焊接是一種全新 的方法，徹底了解選擇性焊接工藝和設(shè)備是成功焊接所必需的。

　　典型的選擇性焊接的工藝流程包括，助焊劑噴涂，PCB預(yù)熱、浸以及拖焊。

　　助焊劑涂布工藝

　　在選擇性焊接中，助焊劑涂布工序起著重要的作用。焊接加熱與焊接結(jié)束時，助焊劑應(yīng)有足夠的活性防止橋接的產(chǎn)生并防止PCB產(chǎn)生氧化。助焊劑噴涂由X/Y機械手攜帶PCB通過助焊劑噴嘴上方，助焊劑噴涂到PCB待焊位置上。助焊劑具有單嘴噴霧式、微孔噴射式、同步式多點/圖形噴霧多種方式?；亓骱腹ば蚝蟮奈⒉ǚ暹x焊，最重要的是焊劑準確噴涂。微孔噴射式絕對不會弄污焊點之外的區(qū)域。微點噴涂最小焊劑點圖形直徑大于2mm，所以噴涂沉 積在PCB上的焊劑位置精度為±0.5mm，才能保證焊劑始終覆蓋在被焊部位上面，噴涂焊劑量的公差由供應(yīng)商提供，技術(shù)說明書應(yīng)規(guī)定焊劑使用量，通常建議 100%的安全公差范圍。

　　預(yù)熱工藝

　　在選擇性焊接工藝中的預(yù)熱主要目的不是減少熱應(yīng)力，而是為了去除溶劑預(yù)干燥助焊劑，在進入焊錫波前，使得焊劑有正確的黏度。在焊接時，預(yù)熱所帶的熱量對焊接質(zhì)量的影響不是關(guān)鍵因素，PCB材料厚度、器件封裝規(guī)格及助焊劑類型決定預(yù)熱溫度的設(shè)置。在選擇性焊接中，對預(yù)熱有不同的理論解釋：有些工藝工程師認為PCB應(yīng)在助焊劑噴涂前，進行預(yù)熱;另一種觀點認為不需要預(yù)熱而直接進行焊接。使用者可根據(jù)具體的情況來安排選擇性焊接的工藝流程。

　　焊接工藝

　　選擇性焊接工藝有兩種不同工藝：拖焊工藝和浸焊工藝。

　　選擇性拖焊工藝是在單個小焊嘴焊錫波上完成的。拖焊工藝適用于在PCB上非常緊密的空間上進行焊接。例如：個別的焊點或引腳，單排引腳能進行拖焊工藝。PCB以不同的速度及角度在焊嘴的焊錫波上移動達到最佳的焊接質(zhì)量。為保證焊接工藝的穩(wěn)定，焊嘴的內(nèi)徑小于6mm。焊錫溶液的流向被 確定后，為不同的焊接需要，焊嘴按不同方向安裝并優(yōu)化。機械手可從不同方向，即0°～12°間不同角度接近焊錫波，于是用戶能在電子組件上焊接各種器件， 對大多數(shù)器件，建議傾斜角為10°。

　　與浸焊工藝相比，拖焊工藝的焊錫溶液及PCB板的運動，使得在進行焊接時的熱轉(zhuǎn)換效率就比浸焊工藝好。然而，形成焊縫連接所需要的熱量由焊錫波傳遞，但單焊嘴的焊錫波質(zhì)量小，只有焊錫波的溫度相對高，才能達到拖焊工藝的要求。例：焊錫溫度為275℃～300℃，拖拉速度 10mm/s～25mm/s通常是可以接受的。在焊接區(qū)域供氮，以防止焊錫波氧化，焊錫波消除了氧化，使得拖焊工藝避免橋接缺陷的產(chǎn)生，這個優(yōu)點增加了拖焊工藝的穩(wěn)定性與可靠性。

　　機器具有高精度和高靈活性的特性，模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)可以完全按照客戶特殊生產(chǎn)要求來定制，并且可升級滿足今后生產(chǎn)發(fā)展的需求。機械手的運動半徑可覆蓋助焊劑噴嘴、預(yù)熱和焊錫嘴，因而同一臺設(shè)備可完成不同的焊接工藝。機器特有的同步制程可以大大縮短單板制程周期。機械手具備的能力使這種選擇焊具有高精度和高質(zhì)量焊接的特性。首先是機械手高度穩(wěn)定的精確定位能力(±0.05mm)，保證了每塊板生產(chǎn)的參數(shù)高度重復(fù)一致;其次是機械手的 5維運動使得PCB能夠以任何優(yōu)化的角度和方位接觸錫面，獲得最佳焊接質(zhì)量。機械手夾板裝置上安裝的錫波高度測針，由鈦合金制成，在程序控制下可定期測量錫波高度，通過調(diào)節(jié)錫泵轉(zhuǎn)速來控制錫波高度，以保證工藝穩(wěn)定性。

　　當然，單嘴焊錫波拖焊工藝也存在一些不足之處，如焊接時間長的問題。不過我們可以利用多焊嘴設(shè)計可最大限度彌補這一不足，從而提高產(chǎn)量。