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SMT行业波峰焊接(Wave soldering)技术特点有哪些?有哪些设备技术来提升无铅焊接能力?
  2024-06-03      211

文章来源:SMT工程师之家 作者:中山之行者

波峰焊接是一项成熟的技术,是一种高效的大规模焊接工艺过程,在电子产品生产中获得了广泛的应用,直到今天仍然如此。可是,波峰焊接控制参数的离散性和复杂性,也是让人们感到非常棘手的。波峰焊接的复杂性,具体体现在其过程变量的多元化,如传送速度、助焊剂化学成分、预热温度、钎料槽温度、PCB设计、元器件的可焊性、焊接过程中PCB与钎料波的交互作用、设备的维护和操作人员的培训等。

尽管人们已经为评估SMT贴装能力和再流焊接工艺操作而设计了许多测试载体,却尚无一种能适合波峰焊接工艺中SMT器件的综合的、便于统计的测试载体。这也充分说明了波峰焊接工艺的多变性和复杂性。

波峰焊接技术在应用中不断完善和改进,目的是追求在第一时间就生产出完美的波峰焊接焊点。修补并不会改善原来的焊点质量,而且对任何焊点的修补都会导致焊点质量的降级,因为它们将要再经历一次温度作用周期,会增加金属间化合物的厚度。

从技术发展角度来看,窄间距QFP、面阵列封装器件BGA、CSP及FCOB等的大量应用,使得再流焊接工艺在器件与PCB的互连中越来越占主导地位。尽管这并不意味着波峰焊接工艺的消失,但也确实使其渐渐退出了原有的主导地位。

从目前状况来看,过孔组装在一些较低级的电子产品中仍占有一定的比例。这种状态持续存在的主要原因,是许多场合不需要SMT技术那样较高的性能,在此情况下过孔式组装无疑是一种低成本方案,因而被继续选用。所以,波峰焊接技术在此类产品生产中仍然占据主流地位。

因此,今天为大家详细介绍波峰焊技术的特点、传统波峰焊技术问题、及新技术发展趋势。

一、无铅波峰焊接的技术特点

随着电子产品无铅化生产的不断增长,目前的再流焊接工艺已将重点转向无铅制程,它驱动波峰焊接工艺也必须向无铅技术转化,以避免在同一个组件上含铅钎料与无铅钎料混用状态带来不必要的麻烦。

如果要使无铅波峰焊接工艺获得成功,就必须考虑改变整个工艺。虽然大多数无铅钎料对基体金属都具有良好的可焊性,但是与锡铅钎料比较,却呈现出润湿性下降的特性。由于润湿性是焊接中的一个关键因素,并受到多个变量的影响,所以这些变化将会影响绝大部分机器参数。

无铅波峰焊接的技术特点,主要体现在以下几个方面。

1、所用钎料熔融温度范围普遍偏高

目前应用性能较好且成本较低的无铅波峰焊接用钎料合金主要有Sn-Cu、Sn-Cu(Ni)、Sn-Cu(Co)、Sn-Ag-Cu(如SAC305)等。其主要工艺性温度特性,见下表

  

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例如,SAC305钎料的焊接温度为255~265℃,而Sn-0.7Cu则要求265~270℃,也有选用275℃的。但焊接温度升高,受PCB基板、元器件热损伤的极限温度的限制,可供选择的作业温度窗口也会变窄。为了确保焊接的可靠性,先要确定获得良好润湿性的最低温度在240℃以上时与熔融钎料的适当的接触时间。

温度过高不仅对PCB、元器件的可靠性有很大影响,而且对钎料槽的熔蚀也会加大,如下图所示。Fe熔到无铅钎料中形成铁锡晶体,将增加钎料的黏性并影响钎料的流动性。

  

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2、润湿性较差

无铅合金的润湿性普遍比Sn-37Pb差,如下图和表所示。

  

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3、焊接中氧化现象更严重

在工业中推广应用的无铅钎料,基本上都是由Sn、Ag、Cu等元素组成的。在Sn-Pb合金中最常见的主要氧化物是SnO和SnO2;而在无铅钎料中,不仅Sn含量更高,而且添加的其他元素如Ag、Cu等对氧也是很活泼的,因此工作中必然会形成更多更复杂的氧化物和更多的钎料渣。化学反应动力学告诉我们,温度每增加10℃,化学反应速度将增加一倍。而无铅波峰焊接温度的提高,更加剧了氧化渣的大量形成。国外有学者称:在空气中操作的无铅波峰焊接过程中产生的钎料渣量,将比Sn-37Pb时增加5~7倍,70%~85%的焊接成本都将花费在钎料渣上。

4、传统的钎料波峰发生器面临严重浸蚀问题

在高温下Sn对钎料槽是有腐蚀性的,所以高Sn基的无铅合金会将导致泵、导流板和钎料槽等结构金属件的腐蚀。例如,不锈钢或铸铁的表面常常会出现锈斑,而且与无铅合金接触时间稍长后还会发生明显的浸蚀现象,如下2幅图所示。如果含有Ag则更会加速腐蚀过程。

  

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     Sn基合金对Fe系合金的浸蚀

  

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Sn对钎料槽的腐蚀性

传统的波峰焊接设备中的钎料泵、导流板和喷嘴等,应用于无铅焊接中会频繁发生磨损。不锈钢中的铁元素会溶解于钎料中形成FeSn2晶体(如下图所示)。这种晶体的熔点高达510℃,因而会保留在钎料中。由于在钎料槽角落处的钎料流速较慢,晶体通常集聚在这些角落处。如果这些晶体随钎料一起被泵出,晶体可能会留在焊点处引起桥接。因此,人们不得不考虑更换成防熔蚀材料,如氮化钢、钛、陶瓷涂层、钛合金来制造涡轮、导流板和钎料喷嘴等,以满足无铅钎料长期应用的要求。

  

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5、Cu污染将更为严重

无铅焊接的温度比Sn-Pb钎料的焊接温度高许多,因此溶解PCB焊盘和元器件引脚上的Cu的速度也快了许多,如下图所示。

  

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Cu对钎料的溶解速度

随着钎料中Cu含量的增加,钎料的润湿性和对应的焊接温度等均将发生变化(如下图所示)。形成的过量的Cu6Sn5将污染钎料槽中的钎料。

  

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含Cu量的增加对润湿性和焊接温度的影响

6、焊接缺陷率将明显上升

由于无铅钎料合金的表面张力大、扩展性差,所以产生的焊接缺陷如钎料珠、桥连、虚焊和透孔不良等将增加。这将直接影响焊点质量、可靠性和制造的直通率,对焊接工艺设计要求也将更为严格。例如,焊接温度将直接影响通孔填充效果,如下图所示为SAC305钎料分别在240℃、250℃、260℃的情况下,对通孔的填充效果。

  

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焊接温度对通孔透孔率的影响

7、要求使用高沸点助焊剂

由于较高的工艺温度,无铅波峰焊接要求使用与有铅波峰焊接不同的高沸点溶剂的助焊剂。助焊剂类型将决定哪一种预热配置最适合该工艺。

同时必须优化助焊剂的活性和热稳定性,以降低焊接缺陷率和确保对通孔的填充能力。

8、焊接环境气氛对焊点质量的影响

与锡铅钎料合金比较,大多数无铅合金由于增加了Sn的含量,在钎料液化时会很快氧化。由于焊接工艺温度较高,工作过程中会很快形成由SnO 、SnO2构成的氧化物和浮渣。

在钎料槽区域使用N2可以使液态钎料尽量少暴露在O2气氛环境下,以降低钎料氧化、改善润湿性、提高焊接性能、减少焊接缺陷。N2 还会减少单板和元器件的氧化,以补偿无铅钎料润湿性差的影响。以Sn-Cu无铅钎料合金为例,在有N2气氛保护的情况下,达到最大润湿力的时间明显减小,如下图所示。

  

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最大润湿力

如下图分别显示了波峰焊接中未使用N2保护和使用了N2保护的情况,使用了N2保护的焊点质量要明显优秀。

  

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未使用N2保护的焊点

  

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使用了N2保护的焊点

特别是对OSP涂覆的PCB单板来说,在进行波峰焊前已经历过几次高温,所以N2的运用尤为重要。N2也可以减少桥连和拉尖,改善较厚单板的通孔填充效果。

二、 适合无铅波峰焊接工艺的设备技术

1、 助焊剂超声喷雾技术

由于环保要求,传统助焊剂中的醇类溶剂属于VOC,禁用的呼声越来越高。使用无VOC的助焊剂,是取代醇类溶剂型助焊剂的趋势之一。

用尽可能低的气压来施用尽可能精细的助焊剂颗粒,是达到良好的通孔渗透和成功的水膜挥发的关键。较高的气压设定可能引起颗粒的反弹作用,因而不会改善助焊剂对PCB表面的湿润性。显然采用超声雾化喷雾是最理想的选择,因为它可以传送足够的精细助焊剂微粒深入到通孔内,改善无铅钎料合金的透孔性。

2、较长的红外、热风复合预热区

由于无铅钎料合金熔化温度高、扩展性差,所以在载入PCB后,为达到较高的温度、避免PCB过热,常常需要一个较长的预热区。PCB顶部达到适当的预热温度,对于降低焊接缺陷的影响最大。

在预热区的升温时间内,为确保热容量大小不一的各个元器件间都能得到同样的升温效果,最好采用远红外加热和热风循环加热并用的复合加热方式。将从PCB底部进行远红外加热与从PCB顶部进行对流加热的方法结合在一起,可使PCB获得最佳的预热效果。

3、钎料波峰发生器结构布局的调整

由于无铅合金的润湿特性较差,故需要较高的焊接温度和较长的接触时间。所以,在无铅波峰焊接设备中通常都要改变传统的波峰喷嘴之间的结构布局,如下图所示。两个波峰之间的距离应尽可能短些,防止由于中间温度下跌过大,造成对PCB的热冲击。

  

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增加第二波(层流波)的阔度可以改善润湿性,产生类似提高预热热量的效果。降低层流波喷嘴距离液面的高度,以减小溢出钎料的扬程,从而达到减少氧化渣量的目的。

4、传送导轨应增加中间支撑

由于无铅波峰焊接温度高,焊接时间长(3~5s),PCB基板上承受的温度可能远远超过基板材料本身的玻化温度(Tg),从而导致基板变软,中间向下变形弯曲。对于大尺寸的PCB,为预防上述现象的发生,传输导轨应增加中间支撑。

5、冷却装置

与再流焊接相同,波峰焊接后要防止焊点上热量散发过慢,由余热造成焊点受高温作用时间过长而引发下述缺陷。

① 高温引起的焊点因凝固时间过长,容易造成焊点内钎料结晶晶粒过分长大,粗大的晶粒增多,会导致焊点强度恶化,

② 造成焊点焊缘翘起,如图3.15所示。它的发生率也与过完波峰后的冷却速度快慢有很大关系,如下图所示。

  

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焊点焊缘翘起

  

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焊盘焊缘翘起与冷却速度的关系

因此,对波峰焊设备的焊接面应有较快的冷却速度,使焊点快速降温。但是,对元器件面的冷却速度要适宜,过快可能对陶瓷体结构的Chip元件造成伤害。另外,加快冷却速度要注意避免对钎料槽温度的影响。

6、氧化物分离系统

无铅钎料合金中的Sn含量比Sn-Pb合金中的更高,无铅焊接温度也比有铅焊接的更高。较高的温度将造成更多的氧化和更多的钎料渣。

钎料渣的数量可以采取措施减少。在某些波峰焊接机上装有一种轴向密封装置,以消除在泵轴周围形成的钎料渣,如下图所示。

  

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其他钎料渣是在波峰上形成的,可通过减少波的下落高度(波峰喷嘴的顶部至钎料液面的距离扬程)来减少氧化渣的数量。

7、 热风刀(HAK)的应用

随着器件引线的间距从1.27mm减小到SOIC封装的或者QFP封装的0.635mm,现在又出现了引脚间距小于0.635mm的IC,如带状电缆的IDC接头端子。在输入/输出接插件中,大量采用三排以上的接线端子也给焊接增加了难度。尤其当插头、插座位于钎料波峰的入口或出口处,那里波峰形状最差,焊接质量难以保证。

1)Hollis热风刀工作原理

20世纪80年代初美国Motorola公司的研究人员系统地研究了钎料和焊点的固有特性,提出了一种在波峰焊接中去桥连和虚焊焊点的暴露技术。Hollis公司根据上述原理研制出一种横向直线式断桥连技术,即所谓的Hollis热风刀系统,并获得了专利。

Hollis热风刀的工作原理和结构分别如下图所示

  

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热风刀的工作原理

  

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热风刀结构

热风刀(HAK)的应用可避免焊接桥连。当然,凭心而论,许多焊接设备不用HAK也可以获得令人满意的焊接质量,那是由于训练有素的员工具有较好的处理水平和设计能力。

热风刀可以帮助解决PCB装配中时常会遇到的一些困难。假如不采用先进的细间距技术,并且缺陷率能稳定在小于100ppm时,也可不用HAK。

影响热风刀性能的参数主要有:● 与PCB底部的距离;● 热风刀角度;● 热风的温度;● 热风的压力。

2)断桥连机理

Motorola公司的研究人员Wendell Hutchinson经过研究试验总结的结论是:焊点上的黏附力可以达到液体钎料间凝聚性连接力的114倍。显然,过量的凝聚性连接的钎料(桥连)可以轻易地从样品上除去,而牢固地直接黏附在焊盘和元器件引脚上的钎料却具有强大的附着力和表面能,并不能轻易地去掉它。而桥连就是纯粹靠钎料间的凝聚力连接起来的过量钎料形成的结果,如下图所示。

  

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一个桥连点的结构模型

  

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经过HAK作用后的PCB面

8 、钎料波峰高度闭环控制

按照国际上对波峰焊接作用机理的最新研究与试验成果,影响波峰焊接效果的关键因素在于PCB与钎料波峰之间的互动。改善PCB与钎料波峰的互动能力,增加波峰高度闭环控制功能后,就可实现波峰焊接过程的数模化自动控制。这为进一步确保焊点的高质量、消除人为因素的干扰和影响,提供了有力的保证。

1)机械泵式钎料波峰高度闭环控制

(1)结构和作用:波峰高度控制系统是为了保持传送导轨与钎料波峰间的精确高度而设计的,只要被焊接的PCB装入导轨的夹持爪的高度一定,PCB与波峰的精确接触就能保持,如下图所示。

  

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波峰高度传感器

  

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安装位置要求

美国ELECTROVERT公司发明的这一系统叫做ExactaWaveTM。该系统可对钎料波峰的变化进行补偿,这种变化可能是由于钎料渣累积、机械不稳定或因保养不良而产生。为了保持波峰的稳定性,ExactaWaveTM允许传感器离PCB非常近,因而传感器的读数非常准确,如下图所示。

  

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钎料波峰高度传感器的定位

(2)控制原理

在传送系统中,ExactaWaveTM系统的目的是控制钎料波峰与PCB的高度。它是通过钎料波峰高度传感器的实时检测,将钎料波峰高度实时检测数据传给控制计算机。计算机对采集的数据进行处理后,与设定值比较,控制计算机的Vectra's软件系统(配套使用的软件)就可以计算出与设定值之间的偏差,再根据偏差的大小和方向,自动调整钎料槽中钎料泵的转速去修正偏差,达到稳定波峰的目的。

Vectra's软件控制的是波峰与波谷的平均高度值,它不间断地对传感器釆集数据,并对数据进行排列和分析,数据列的平均值就被用于控制钎料泵电动机。如果仅有波峰或波谷的读数,Vectra's软件就不能正确控制波峰高度。

当情况不正常时,输入数据列将停止新的数据输入,原数据将被删除,这样数据列中数据一直保持最新的。当然数据列越短,反应越快;而数据列越长,控制越精确。为了更好地控制,反应速度越快越好,因此数据列越短越好。通过实验发现,当设定列长度为100点时,如果有10点连续出现异常,那么可将采集的数据列长减小到15点左右,以利于更快地修正更多的异常,如刚开机的时刻。

Vectra's软件可以控制波峰焊机停留在暂停模式(即波峰短时关闭),没有进板时将自动保存资源。为了快速启动并得到适合的钎料波峰高度,最后停止波峰前的泵速被周期性地保存。当PCB与波峰达到一定高度(由用户选择)时,泵将恢复到之前保存的速度;当波变得稳定时(大约4s),软件开始重新收集数据。

通过波高模式控制,用特别的传感器测量波高并反馈到软件来保持波高一定,设定点是从PCB中线的实际距离上,调节设定点上、下来保持波高在PCB上变高或变低,实际值反应了波高的尺寸。

为了以最快的速度到达设定点,应遵守以下规则:

① 设定机器参数要按照预定的要求,特别是脚间距;

② 关闭波高控制;

③ 开主波并且调节设定点到最佳值;

④ 保存设定点,开启波高控制功能。

波高控制要以主波的设定点作参考点,当情况变化时,软件将对电动机转速作出大幅度调节以保持波高稳定在设定点上。

2)单相交流电磁泵式钎料波峰高度闭环控制

下面介绍导电流体磁稳流技术的应用,以单相液态金属感应式电磁泵的泵沟作用区为例,如下图所示。

  

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泵沟区,在一般情况下,由于流体的内聚力和附着力的综合作用,流过管道内时流体的速度分布,如下图所示,沿管道中心流速最大,紧靠管壁处速度为零,速度的均匀性非常差。

当在矩形流管中加入一个磁场后,情况就起了明显的变化。由于切割磁力线运动的导线,要受到磁场的阻尼作用,且速度越大受到的磁场阻尼力就越大,速度越小则阻尼力就越小,所以流管内流速分布变得非常均匀,如下图所示。

  

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有磁场作用的流管内流速分布

由于采用了导电流体磁稳流技术,对电网电压波动造成的对波峰高度稳定性的影响,具有较完全的自适应(自学习)调控能力。其自适用调节过程描述如下。

(1)参数设定

● 根据工艺要求,设定基准状态所要求的波峰高度为H0±10%;

● 对应泵的励磁电压为U0(如220V);

● 磁通为Φ0,推力为F0,磁阻尼力为f0;

● 流体速度为V0。

(2)电网电压波动时(U0±ΔU )励磁电压(E)和波速(V)的自动稳定过程

① 当U0→U0+ΔU(电网电压升高)时

● 参数的变化趋势为E→U0+ΔU;Φ→Φ0+ΔΦ;F→F0+ΔF;V→V0+ΔVF。

● 感应电动势的作用趋势:由于V和Φ的增大,单位时间流体切割的磁力线多了,感应电动势的方向与电网电压方向相反,且为-Δu,故有

E→U0+ΔU-Δu;Φ→Φ0+ΔΦ-Δφ;F→F0+ΔF-Δf;V→V0+ΔVF-Δv

∵ |ΔU|≈|Δu|;|ΔΦ|≈|Δφ|;|ΔF|≈|Δf|;|ΔVF|≈|Δv|

∴ E→U0;Φ→Φ0;F→F0;V→V0

从而实现自动对消电网电压向上波动时,对波峰高度稳定性造成的影响,达到自动稳定波峰的目的,如下图所示。

  

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磁阻尼作用对流管内流速的稳定作用(一)

② 当U0→U0-ΔU(电网电压跌落)时

● 参数的变化趋势为E→U0-ΔU;Φ→Φ0-ΔΦ;F→F0→ΔF;V→V0-ΔVF

● 感应电动势的作用趋势:由于 V 和Φ的减小,感应电动势的方向与电网电压方向相同,且为+Δu,故有

E→U0-ΔU+Δu;Φ→Φ0-ΔΦ+ΔΦ;F→F0-ΔF+Δf;V→V0-ΔV+Δv

∵|ΔU|≈|Δu|;|ΔΦ|≈|Δφ|;|ΔF|≈|Δf|;|ΔV|≈|Δv|

∴ E→U0;Φ→Φ0;F→F0;V→V0。

从而实现自动抵消电网电压向下波动时造成对波峰高度的影响,达到自动稳定波峰的目的,如下图所示。

  

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磁阻尼作用对流管内流速的稳定作用(二)

在单相电磁泵波峰发生器中,采用导电流体磁稳流技术是我国独创的钎料波峰稳流技术。它无须特别的结构设计,完全是利用推力磁力同时兼作加热磁场和稳流磁场,是一种具备自适应调控能力的钎料波峰稳定技术,与国外同类技术的实际的稳流效果比较,如下图所示。

  

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9、 预热温度的闭环控制

预热温度的闭环控制,是实现预热工艺参数的最优化和应用效果的可复制性等的有效手段和前提。

10、 氮气保护波峰焊接

无铅钎料与Sn-37Pb相比,焊接中产生的氧化物较多,润湿性比较差,在波峰焊接时尤为明显。

在波峰焊接中,不论是何种成分的无铅合金,在N2保护中进行焊接,钎料氧化现象都将得到明显的抑制,氧化渣的形成量比空气中可减少约20倍。最大润湿力和零交时间均优于在空气中。在N2保护下实施焊接,其焊接温度比在空气中可以降低15℃左右。

理想情况是一台波峰焊接设备同时具备在空气或N2中运行的能力。基于成本的理由,一般产品可不采用N2气保护;但是对于如高密度组装的复杂设计,就应视情况适时转向采用N2保护。

三、后波峰焊接时代的设备技术

1、 问题的提出

对于大量使用SMC/SMD的高密度PCBA组件上,安装有少量的异形元器件(如连接器、变压器、继电器、电解电容器等)的焊接,通常都是由SMT以外的设备和加工系统协同波峰焊生产线来完成的。高能耗、大量的助焊剂、钎料和N2的消耗,使得该波峰焊接过程很不经济,故不得不使用复杂的阻焊掩模板,来避免PCB焊接面上的器件接触到助焊剂和钎料。这些阻焊掩模板影响了组装电路板的均匀预热,增加了组装电路板上的污染和助焊剂的残留。此外,其紊乱的钎料流动也导致了焊接缺陷的增加。

采用阻焊掩模板来解决高密度混合安装的PCBA,这是不得已而为之的权宜之计。用一个装载量为500kg、消耗数十千瓦的大功率钎料槽和大消耗量的助焊剂喷雾系统来焊接占PCBA总焊点数的百分之几的穿孔焊点,资源(含辅物和电能)的利用率不足百分之几,实在是一种极大的浪费。

2、 后波峰焊接时代的设备技术

要解决大量使用SMC/SMD的PCBA组件上少量的穿孔元器件(如连接器等)的焊接问题,避免现有的一些焊法所带来的热损伤和焊点的可靠性问题,在后波峰焊接时代的替代技术中有下述几种形式。

1)点波峰选择焊接设备系统

点波峰选择焊接设备系统,目前世界上大约存在4种模式,其中以德国ERSA较好,如下图所示。但此类设备存在产能低、不能直接与高效率的SMT生产线连线、不适合大批量生产、使用成本高、价格昂贵等问题,因而应用非常有限。

  

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2)局域间隙式波峰焊接系统

(1)欧洲模式

① 纯局域间隙式。德国SEHO公司已向市场推出纯局域间隙式波峰焊接系统的产品。纯局域间隙式的框图及焊接工位的结构构成分别如下图所示。

  

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纯局域间隙式框图

  

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纯局域间隙式具体工位结构

② 局域间隙+点选复合式。局域间隙+点选复合式的框图及焊接工位喷嘴结构,如下图所示。德国SEHO、ERSA等公司都推出了这种模式的产品。

  

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(2)日本模式

该装置采用一伺服机构控制的活塞驱动产生局域钎料波峰,据称该方式波峰的状态可以进行精细的控制。

(3)局域间隙式波峰焊接系统的优缺点

① 优点:

● 效率高;

● 可以与SMT生产线连线运行。

② 缺点:

● 要配备大量的喷嘴模板,柔性差;

● 专用性过强,通用性不足,不容易推向市场。

3)高效率可编程多模并行式波动选择焊接系统

目前已有的焊法的问题有以下两点:

● 局域选择焊接系统的通用性不足,柔性差;

● 点选择焊接系统产能低下,使用成本高。

针对上述焊法所带来的热损伤和焊点的可靠性问题,贯彻节能减排、减少返修率、降低产品生产成本,为后波峰焊接时代研发一种新的替代设备,以满足现代电子设备在高密度混合安装情况下的互连需要,这正是业界追求的目标。

“高效率可编程多模并行式波动选择焊接系统”正是一种为了有效克服点选择焊接和局域间隙选择焊接等技术的缺点和不足而提出的新的设计理念。

该方式的突出优点是:

● 效率高,与波峰焊接工艺相当;

● 可以与SMT生产线连线运行。

● 使用成本低、性价比良好,推广应用空间大。

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