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摘要
選擇性波峰焊技術(shù)選型，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，*性和復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。
圖8. 元件浮動
焊接模塊
大量生產(chǎn)
噴嘴
圖11A 所示在這項研究中使用的噴嘴尺寸和幾何圖形。
圖11A 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zui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11B 尖頭熱應(yīng)力
圖11C 底部熱應(yīng)力（平臺A）
圖11D 底部熱應(yīng)力（平臺B）
氮氣
PCB設(shè)計
圖15 錫橋問題
圖16 生產(chǎn)率
影響生產(chǎn)率問題
影響質(zhì)量問題
圖21 焊料不足
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
圖5 助焊劑噴涂
圖6. 頂部預熱 圖7. 底部預熱
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。客戶總是要求在不損害產(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。
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。zui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
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
PCBA 裝載（PCB+焊料治具）
圖2 PCB裝載和噴嘴方向
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。*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 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
圖4 助焊劑噴凃規(guī)格
助焊
本文中的平臺都集成可編程、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。
| 描述 | Platform A | Platform B |
| 助焊器噴涂速度 | 50 dots/sec | 80 dots/sec |
| 助焊器噴涂類型 | 4.0--6.0 mm | 3.0--8.0 mm |
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。
預熱
焊接工藝需要先預熱再焊接。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。預熱
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熱工藝及其預熱參數(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，預熱系統(tǒng)必須非常靈活。zui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。
圖6. 頂部預熱 圖7. 底部預熱
研究表明，底部預熱比頂部預熱有更多優(yōu)勢，因為從底部預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所示是底部預熱實際照片。只進行頂部預熱（圖6）不能保證板子下方助焊劑*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*助焊劑。
圖8. 元件浮動
在某些情況下，需要覆蓋零件，來防止零件傾斜或浮動，如圖8，在元件頂部放些砝碼，這時，就不需要頂部加熱。
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9.焊接模塊
圖10.損毀的泵浦（平臺A）
圖9.焊接模塊
圖10.損毀的泵浦（平臺A）
如圖9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11A 所示在這項研究中使用的噴嘴尺寸和幾何圖形。
圖11A 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zui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11B 尖頭熱應(yīng)力
圖11C 底部熱應(yīng)力（平臺A）
圖11D 底部熱應(yīng)力（平臺B）
兩個噴嘴都固定在底部。圖11C所示的是吸嘴A的壓力。吸嘴Azui大壓力在螺紋區(qū)，其壓力比噴嘴B大的多（如圖11D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12 氮氣供給（平臺A）
圖12 氮氣供給（平臺A）
圖12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13 氮氣供給（平臺B）圖13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，導致元件清洗遇到困難。
圖14 間距問題
圖14 間距問題
圖14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15 錫橋問題
圖15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
生產(chǎn)率
產(chǎn)量是zui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zui差的。在相同條件下，高成本平臺得到的產(chǎn)品質(zhì)量是zui高的。
圖16 生產(chǎn)率
收集一個月的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。如圖16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17 噴嘴變形
圖20 氮氣保護蓋損壞
圖17 噴嘴變形
如圖17所示，由于熱膨脹和腐蝕的影響，導致噴嘴變形，繼而導致錫流失衡，影響其焊接性能。
圖18 正時皮帶磨損
圖19 絲杠缺陷
圖18 正時皮帶磨損
如圖18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19 絲杠缺陷
如圖19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20 氮氣保護蓋損壞
圖20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21 焊料不足
如圖21所示，由于噴嘴磨損導致焊料不足。噴嘴磨損造成其焊接半月板不平衡，而半月板在焊接過程中至關(guān)重要。為了避免此問題，應(yīng)當進行適當?shù)木S護，并使用性能良好的助焊劑。
圖22 透錫性不足
圖22 透錫性不足
如圖22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23 LCD褪色
總結(jié)
圖23 LCD褪色
如圖23所示，當LCD元件暴露在高于100℃預熱溫度的條件下，LCD就會褪色。使用底部預熱或在LCD頂部覆蓋夾具以避免其暴露于高溫，可以避免此問題。
圖24 錫球
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率和熱導率，造成傳熱失敗。通過提高電路板質(zhì)量，清潔元件表面，預熱電路板，增加預熱時間或使用氮氣來避免此問題。
圖24 錫球
如圖24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
圖25：熱循環(huán)標準
圖26：熱循環(huán)條件
圖28 平臺A上焊料的X-射線
圖29 平臺A上焊料的X-射線
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25：熱循環(huán)標準
圖26：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
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
透焊點上的焊料。測試結(jié)果用0和1表示。0表示焊點透錫率在75％以下，1表示焊點透錫率在75％以上。
圖27 X射線概率圖圖27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28 平臺A上焊料的X-射線
圖29 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率和熱導率，造成傳熱失敗。通過提高電路板質(zhì)量，清潔元件表面，預熱電路板，增加預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*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zui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。
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