工藝加工學(xué)(121個doc 3個xls)17.doc

PCB的新型焊接技術(shù)-選擇性焊接1 引言 插裝元件的減少以及表面貼裝元件的小型化和精細化，推動了回流焊工藝的不斷進步，目前已取代波峰焊成為一種主流焊接工藝。然而，并非所有的元件均適宜回流焊爐中的高溫加熱，在許多場合中，插裝元件仍得到了較為廣泛的應(yīng)用，如在汽車工業(yè)中，繼電器、連接器及一些在使用過程中需要承受較大機械應(yīng)力的元件，仍需采用具有高結(jié)合強度的通孔型連接。常規(guī)的波峰焊可以實現(xiàn)插裝元件的焊接，但在焊接過程中需要專用的保護膜保護其它的表面貼裝元件，同時貼膜和脫膜均需手工操作。手工焊同樣可以實現(xiàn)插裝件的焊接，但手工焊的質(zhì)量過于依賴操作者的工作技巧和熟練程度，重復(fù)性差，不適于自動化的生產(chǎn)。在上述背景下，選擇性焊接應(yīng)運而生。2 選擇性焊接的概念可通過與波峰焊的比較來描述選擇性焊接的概念。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)域與焊料接觸。在焊接過程中，焊料頭的位置固定，通過機械手帶動PCB沿各個方向運動。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。但是選擇性焊接僅適用于插裝元件的焊接。選擇性焊接包含有兩種類型：噴焊和浸入焊。噴焊是通過PCB下固定的單一噴嘴來完成。利用噴焊可實現(xiàn)單個點或引腳等微小區(qū)域的焊接。通過控制PCB的移動速度以及PCB與噴嘴間的夾角(通常在10左右)來優(yōu)化焊接的質(zhì)量。而浸入焊接則是將PCB上待焊區(qū)域浸入一專用的噴嘴盤中，從而一次實現(xiàn)多個焊點的焊接。但由于不同PCB上焊點的分布不同，因而對不同的PCB需制作專用的噴嘴盤。典型的選擇性焊接的工藝流程包括：助焊劑噴涂，PCB預(yù)熱、浸入焊和噴焊。某些情況下，預(yù)熱這一步驟可以省略，有時只需噴焊即可完成。也可以先將PCB預(yù)熱，然后再噴涂助焊劑。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。 3 幾種不同插裝元件焊接方法的比較有幾種不同的工藝均可實現(xiàn)插裝型元件的焊接，將其加以詳細的比較將有助于工程技術(shù)人員根據(jù)不同組件的技術(shù)要求來選擇合適的焊接工藝，同時也可以加深我們對選擇性焊接這一新技術(shù)的認識。手工焊接同樣可以用于對插裝元件的焊接，但由于其焊接質(zhì)量難以得到保證，在自動化生產(chǎn)時代已很少使用，這里就不再加以討論。插裝型元件的焊接方式有三種：波峰焊；噴焊；浸入焊。以上三種焊接方法均可實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，也可進行小批量生產(chǎn)。 31 助焊劑的使用在以上三種焊接工藝中助焊劑均起著非常重要的作用。使用助焊劑可防止加熱過程中電路板的氧化，同時可以防止焊接橋連。為滿足以上的各種要求，焊接過程中必須注意以下幾點： 須將適量的助焊劑均勻涂覆在待焊接區(qū)域；合適的預(yù)熱溫度；焊接溫度和接觸時間的控制；焊接后的清洗。311 帶有專用保護膜的波峰焊波峰焊中使用的助焊劑的種類有很多，每一種都有各自不同的特點。與PCB之間具有良好的潤濕性是選擇助焊劑的首要條件。波峰焊中助焊劑的涂敷是通過壓縮空氣霧化噴射器來實現(xiàn)的。液態(tài)助焊劑呈圓形或橢圓形分布。涂敷時，助焊劑并不能完全吸附在PCB上，少量助焊劑會從PCB上直接彈回。對于PbSn合金焊料，我們選擇了一種免清洗助焊劑。該種助焊劑以酒精作為溶劑，其密度為08gm1，固含量為15。使用該助焊劑時，焊接前要求PCB板上表面的溫度為70-100。對于無鉛的SnAgCu焊料，我們選擇了一種以水作為溶劑，同時含有VOC的一種助焊劑，其密度為0995gm1，固含量為1.8，使用該助焊劑時焊接前要求PCB板上表面的溫度在100130這一溫度范圍。當(dāng)使用PbSn焊料時，焊接面上助焊劑的含量要求不低于1,600gin2(in2=645cm2)。對于免清洗助焊劑，所需涂覆的助焊劑的總量為： PCB的面積：100 160mm2=248in2每個PCB上所需液態(tài)助焊劑的總質(zhì)量：助焊劑的固含量X面積X要求的固態(tài)助焊劑的數(shù)量：10015248 00016=2645g所需助焊劑的總量=密度(總質(zhì)量+30的損耗) 2645=08 13 2645=275lmlboard當(dāng)使用SnAgCu作為焊料時，由于所使用的助焊劑在水中具有很高的溶解度，因此所要求的助焊劑的量比前者低40，此時：每個PCB上所需液態(tài)助焊劑的總質(zhì)量=100/18 2480001=1337g所需助焊劑的總量=密度(總質(zhì)量+30的損耗) 2645=08 13 2645=275lmlboard312 選擇性焊接在選擇性焊接中，僅待焊部位需要助焊劑，因此使用專門的噴嘴來進行助焊劑的涂敷。噴涂的位置僅限于待焊接部位，而其它部位則完全不需要。由于目前還沒有專門用于選擇性焊接的助焊劑，因此這里仍選用和波峰焊相同的助焊劑，選擇的標準也完全相同：待焊部位的面積(PbSn PCB)=3 (8 5)+16 6+326+50 6=708mm2=1097in2要求的固態(tài)助焊劑的數(shù)量：10015109700016=0117g所需助焊劑的總量=08 13 0.117=012lmlboard所需助焊劑的總量(以SnAgCu作為焊料時)=0079miboard32焊接過程為保證焊點的質(zhì)量，焊接前需保證助焊劑中的溶劑完全揮發(fā)，因為焊接時殘留或逸出的氣體很容易導(dǎo)致焊點處缺陷的產(chǎn)生。典型的波峰焊設(shè)備中，其預(yù)熱部分由總長度約1,800mm三個區(qū)域組成，分別為：Calrod加熱器、強制性對流加熱器和紅外加熱燈。焊料槽中配有兩個釬料泵，即采用雙波峰焊來實現(xiàn)焊接。對PbSn焊料，其溫度設(shè)定為250。由于所用的無鉛焊料的熔點較高，而在相同的溫度下其潤濕性要低于PbSn焊料。因此，為保證焊料充填的質(zhì)量，需提高焊料的溫度及延長接觸的時間。本次試驗中，所用無鉛焊料SnAg38Cu0.5的溫度為260，從而不僅可以保證焊接接頭的質(zhì)量，而且也無須減小傳送帶的速度，進而避免了由此造成的生產(chǎn)率的下降。選擇性焊接的預(yù)熱區(qū)由兩個區(qū)域組成，且均通過紅外加熱來實現(xiàn)對PCB的預(yù)熱。通常情況下只采用一個預(yù)加熱區(qū)。當(dāng)使用PbSn焊料時，噴焊的焊接時間不超過40秒，因此只使用一個預(yù)熱區(qū)。而在浸入焊中，焊接所需的時間要短的多，為減少整個工藝流程的工作周期，預(yù)熱區(qū)則被分成了兩個部分。在PCB頂部安裝了熱電偶，用來測試焊接過程中各工藝段的溫度，如在預(yù)熱區(qū)，通過測量的溫度值可直觀判斷設(shè)定的溫度是否達到完全排除助 33 生產(chǎn)率除焊接的質(zhì)量以外，對每一種焊接工藝的生產(chǎn)效率還需加以認真的考察。在絕大多數(shù)的生產(chǎn)線上，焊接這一步驟不會是影響整個工藝生產(chǎn)線生產(chǎn)率的瓶頸。當(dāng)PCB中包含84個待焊的通孔接口時，手工焊的平均焊接時間為27秒個。而對于無鉛焊料，由于其熔點的升高，潤濕性較差，所需焊接的時間增至35秒個。選擇性焊接中，助焊劑的噴涂及預(yù)熱均在同一傳送帶上完成。如果把線上的某一工藝段所需的最長時間定義為該生產(chǎn)線的工作周期，那么工作周期有可能是助焊劑的噴涂、預(yù)熱、當(dāng)然也可能是焊接部分所消耗的時間。對于PbSn焊料，焊接所需的時間最長，噴焊為593秒，而浸入焊為274秒。對無鉛焊料的選擇性焊接，由于焊接的速度完全相同(25mms)，噴焊所需的焊接時間仍為593秒。而對浸入焊而言，由于預(yù)熱區(qū)的延長，此時的工作周期變?yōu)?6秒(預(yù)熱的30秒加上傳輸所需的6秒)。波峰焊中焊接過程中的傳輸速度為20mms(120cmmin)。如果每個PCB之間相距160mm，工作周期則為165秒。34 成本比較焊接工藝的成本包含有以下幾個方面：消耗品(包括助焊劑、氮氣、焊料等，詳見表4)，勞動力，設(shè)備投資以及廠房?？捎貌煌姆椒ㄒ约安捎脤ｉT的模型對各種不同工藝的成本加以比較。341 勞動力成本計算勞動力成本時應(yīng)當(dāng)將操作時間、調(diào)試時間和維護保養(yǎng)的時間統(tǒng)統(tǒng)包含在內(nèi)。對于使用專用保護膜的波峰焊，PCB板的裝卸以及夾具的清洗時間也應(yīng)當(dāng)計算在內(nèi)。342 投資成本選擇性焊接設(shè)備包括設(shè)備本身的花費、噴嘴盤、噴嘴以及各種零部件的費用。波峰焊中也必須將夾具的成本計算在內(nèi)。每個夾具的使用壽命約為20,000次。專用保護膜的價格從200到1,0005不等。裝卸保護膜的平均時間約為20秒。343 廠房 對選擇性焊接和典型的波峰焊所需的廠房面積分別為5m3和4m3，手工焊需2m3的空間。由于勞動力，常用消耗品以及廠房的價格在各地并不統(tǒng)一，因而很難對不同焊接工藝的盈虧平衡點作出精確的計算。但總體上說，與波峰焊相比，選擇性焊接在勞動力成本、能源消耗等方面占有較大的成本優(yōu)勢。與手工焊相比，選擇性焊接的最大優(yōu)勢在于焊接質(zhì)量的極大提高。4 結(jié)論選擇性焊接完全可以替代帶有專用保護膜的波峰焊來實現(xiàn)對插裝元件的焊接。盡管波峰焊具有較高的生產(chǎn)率，但選擇性焊接具有更強的靈活性，而且也不需要使用價格昂貴的夾具。同時，在波峰焊中，焊接過程對板上已焊的表面貼裝元件有著很大的影響。對于已焊有表面安裝元件的PCB的焊接，除了需要在已焊元件的表面貼覆專用的保護膜外，為保證焊點的質(zhì)量，對釬料波的高度和壓力提出了更為嚴格的要求。通常釬料波的高度要求達12mm，此時液態(tài)焊料的紊流增大，