选择性波峰焊技术及发展趋势

选择性焊接技术日益重要，新型波峰焊接设备应运而生
未来的混装技术使得PCB组装密度增加，比较高的插装元器件装在PCB的反面。

很多公司正改用选择性焊接技术来焊接双面PCB，与人工电烙铁或标准波峰焊相比，小型选择性波峰焊接设备能够减少缺陷、降低成本，是一个可行的方法。

插装元件的减少以及表面贴装元件的小型化和精细化，推动了回流焊工艺的不断进步。

然而，某些插装元件与表面贴装元件的巨大价格差异使得插装元件的装配仍然必不可少，同时，并非所有的元件均适宜回流焊炉中的高温加热，在许多场合中，插装元件仍得到了较为广泛的应用，如在汽车工业中，继电器、连接器及一些在使用过程中需要承受较大机械应力的元件，仍需采用具有高结合强度的通孔型连接。

常规的波峰焊可以实现插装元件的焊接，但在焊接过程中需要专用的保护膜保护其它的表面贴装元件，同时贴膜和脱膜均需手工操作。

手工焊同样可以实现插装件的焊接，但手工焊的质量过于依赖操作者的工作技巧和熟练程度，重复性差，不适于自动化的生产。

在上述背景下，选择性焊接应运而生。

未来的混装技术将应用于越来越多尺寸更小、使用更复杂封装的电路板。

为了提高组装密度，把比较高的插装元件装在电路板的反面。

双面电路板一般由人工或者用波峰焊来焊接，但这两种方法增加了成本，降低了生产速度。

因此，很多公司改用选择性焊接技术。

对于非标准开孔板，与采用电烙铁或标准波峰焊相比，小型选择性波峰焊接设备能够减少缺陷，是一个可行的方法。

选择性焊接的概念与工作
对于选择性焊接与波峰焊，两者间最明显的差异在于波峰焊中PCB的下部完全浸入液态焊料中，而在选择性焊接中，仅有部分特定区域与焊料接触。

在焊接过程中，焊料头的位置固定，通过机械手带动PCB沿各个方向运动。

在焊接前也必须预先涂敷助焊剂。

与波峰焊相比，助焊剂仅涂敷在PCB下部的待焊接部位，而不是整个PCB。

但是选择性焊接仅适用于插装元件的焊接。

典型的选择性焊接的工艺流程包括：助焊剂喷涂、PCB预热、浸入焊和喷焊。

某些情况下，预热这一步骤可以省略，有时只需喷焊即可完成。

也可以先将PCB预热，然后再喷涂助焊剂。

使用者可根据具体的情况来安排选择性焊接的工艺流程。

操作人员习惯于使用操作起来比较简单的机器，例如贴片机或传统的波峰焊机，设置好之后就不用再去调整。

而小型选择性波峰焊接系统需要更多的互动。

这些系统由几个运动轴(一般是五个)，预热、选择性涂敷助焊剂和选择性涂敷焊膏等部分组成。

它们能够根据要求对需要焊接的引脚进行加热、防止周围的元件受到影响，
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并且可以采取措施防止短路。

有效控制和使用这些工艺变量需要更高的制造技术水平。

要充分发挥这类设备的
优点，还必须加强培训，严格地定期进行维护保养。

选择性焊接系统是使用机器人的部件，它有X、Y、Z、θ轴四个主轴，以及夹爪机构，它牢牢地抓住和固定住电路板。

这种机器可在生产线上使用，或者用于批量生产，大部分高档机器两者都可以，并且备有符合SMEMA标准的接口，用于安装传送带。

这种机器的基本配置包括一个或几个专门用来存放不同焊料合金的焊料槽。

根据应用的要求，每个焊料槽有一个或几个焊锡泵。

焊锡泵输送熔融焊料，通过一个小喷嘴喷出焊料、形成一个小焊锡波，然后再有选择地焊接引脚。

系统的四个主轴操纵电路板，在焊锡波上面移动。

有一些系统是操纵焊料槽和焊锡泵喷嘴组件，在电路板下面移动，电路板则固定不动。

这种方法缩小了整个机器的尺寸，但牺牲了工艺的灵活性。

根据用户应用的具体要求，任何系统都可以配置一种、两种或者三种助焊剂涂敷技术，分别是喷雾、喷射嘴和超声波。

它们各有优点，对维护以及编程的要求也不同。

喷雾涂敷的湿润区域最大，覆盖范围的直径从四分之一英寸到三英寸。

它的困难在于如何防止助焊剂过度喷涂，但是，可以用它喷涂几乎所有类型的化学材料。

超声波涂敷的覆盖范围为直径八分之一英寸到八分之三英寸，对维护的要求最低，这是因为它利用超声波作用不停地清洗自身而且没有运动件。

但它的设置时间较长，而且要小心处理焊锡槽的初始压力，但是，一旦设置好了之后就不再需要人工干预。

喷射式助焊剂涂敷技术可以进入最窄的场所，并且能够把一滴助焊剂涂在一个引脚上。

它的缺点是要求助焊剂中的固体含量大约为5%甚至更少，否则会出现堵塞。

典型的高档焊接机有X轴、Y轴、Z轴、θ轴，进料、宽度、倾角1、倾角2，还有其他的泵需要编程。

除了泵之外，仍有八个主要的轴同时运动，需要编程。

加上六个焊锡泵轴，意味着有14个不同的轴在运动，它们共用一个闭路反馈。

可能还有多达八个不同的温度控制系统在同时运转。

每个焊锡泵都有各自独立的氮气加热温度控制，使用氮气是为了防止喷嘴和所选择的焊接目标氧化。

这保证了焊料的清洁，避免短路和浮渣。

氮气加热器是独立的，可以通过动态调节氮气温度来补偿电路板对加热的要求。

每个焊锡槽也需要独立的温度控制。

所有这些问题说明，在选择性焊接设备中所有动作都是同时发生的，因此需要对机器编程和控制。

在对复杂的助焊剂涂敷和焊接喷头的移动进行编程时，如果是人工操作，操作人员就必须考虑怎样接近电路板。

然后，必须对机器编程，让机器来再现这个动作。

其中需要考虑的变量有：要求的温度、元件的温度灵敏性、避免出现障碍物和防止短路。

座标的第一次编程非常重要。

许多人以为这类系统的编程和贴装机一样容易，把电路板计算机辅助设计(CAD)得到的图形数据输进去就可以了，这是错误的。

在选择性焊接中，这个信
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息的作用是有限的，无法用在整个焊接中。

举个例子，在焊接多块电路板时，连接器J1会使用数百次。

用户以为，既然要在几块电路板上焊接同一种连接器，可以把它做成模板数据，无论什么时候需要使用它时，都可以重复调用这个数据。

事实上这样做是行不通的，这是因为选择性焊接技术是根据元件在电路板上的位置来控制加热的，需求作相应的变化。

可能在一端是地线，而在另一端是个又大又重的散热元件。

因此，驻留时间、速度、角度和方向都必须根据元件所在的位置来改变。

所有的程序编制都要分成许多部分，或者需要连续涂敷焊剂或者助焊剂的部分，每一部是进行选择性焊接的场地。

平均起来，一块典型的电路板可以分成五个部分。

元件密集的电路板可能有15个地方要涂敷助焊剂，有50个地方要加上焊锡，加起来就是65个。

然而，问题并不在于实际的元件、引脚或端子的数量有多少。

一个场地可能含有一个或几个、甚至上百个引脚。

在工艺方面取得了经验之后，就可以调整程序，以获得完美的电路板，但是，操作人员仍然需要时刻对工艺进行监视，以便及时维护设备。

优点与未来前景
选择性焊接机的好处包括缩短上市时间、没有工具的开支、提高了生产能力、提高了质量和降低消耗和处理成本。

手工焊接经常会出现不合格的焊点，而选择性焊接技术能够减少不合格的焊点，而且能够用它来焊接其他办法焊接起来很困难的独特电路板，提高了产品质量和成品率。

在许多新的设计中，电路板上的元件密度很高，不能用手工焊接的方法焊接。

它们当中有一些较高的元件在普通的波峰焊中很难遮蔽，因为焊锡波不会流入这些区域形成焊点。

就这些设计而言，选择性焊接几乎是不可替代的选择──电路板制造商无法用其他方法来生产。

与标准的波峰焊相比，选择性焊接能够减少浮渣的产生和处理。

许多公司还报道说，有选择地涂敷助焊剂，能够在短短的三个月内收回设备投资。

这样能减少助焊剂的消耗和浪费，环境变得更干净、更安全，并且降低了前后工序的成本。

有调查数据表明，波峰焊的平均缺陷率是百万分之3408(ppm)，而选择性焊接机在很难做的产品中的百万缺陷(DPM)率是400-1000 DPM。

此外，选择性焊接技术能够节省波峰焊所需要的工具和夹具，而且能够节省掩蔽板的时间和成本。

选择性焊接设备非常灵活，操作人员要花费一些时间来学习怎样编程和维护这类系统，按照要求来维护机器，用户将会得到回报。

今天，PCB生产需要一个一致性的、可追溯的、自动化的生产工艺，而达到百分之百的一致性和可追溯性正是所有的选择性焊接设备最终和最主要的目标。

车立冰《著》 北京市海淀区上地高新区创业中路32号楼32-7
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