8-3 选择性波峰焊

选择性波峰焊（又称机器人焊接）

在现代电子焊接技术的发展历程中，经历了两次历史性的变革：第一次是从通孔焊接技术向表面贴装焊接技术的转变；第二次便是我们正在经历的从有铅焊接技术向无铅焊接技术的转变。焊接技术的演变直接带来了两个结果：一是线路板上所需焊接的通孔元器件越来越少；二是通孔元器件（尤其是大热容量或细间距元器件）的焊接难度越来越大，特别是对无铅和高可靠性要求的产品。再来看看全球电子组装行业目前所面临的新挑战：全球竞争迫使生产厂商必须在更短时间里将产品推向市场，以满足客户不断变化的要求；产品需求的季节性变化，要求灵活的生产制造理念；全球竞争迫使生产厂商在提升品质的前提下降低运行成本；无铅生产已是大势所趋。上述挑战都自然地反映在生产方式和设备的选择上，这也是为什么选择性波峰焊（以下简称选择焊）在近年来比其他焊接方式发展得都要快的主要原因；当然，无铅时代的到来也是推动其发展的另一个重要因素。

通孔元器件的焊接主要采用手工焊、波峰焊和选择焊等几种焊接技术，它们的特点各不相同，下面我们进行一下简单的介绍：

手工焊接

手工焊接由于具有历史悠久、成本低、灵活性高等优势，至今仍被广泛采用。但是，在可靠性要求高、焊接难度大的一些应用中，由于下述原因受到相当的制约：

1、烙铁头的温度难以精确控制，这是一个最根本的问题。如果烙铁头温度过低，容易造成焊接温度低于工艺窗口的下限而形成冷焊或虚焊；同时，由于烙铁的热回复性毕竟有限，非常容易导致金属化通孔内透锡不良。烙铁头温度过高，容易使焊接温度高于工艺窗口上限而形成过厚的金属间化合物层，从而导致焊点变脆、强度下降，并可能导致焊盘脱落使线路板报废；

2、焊点质量的好坏往往受到操作者的知识、技能和情绪的影响，很难进行控制；

3、劳动力较机器设备的成本优势正在逐渐丧失。

波峰焊

波峰焊设备发明至今已有50多年的历史了，在通孔元器件电路板的制造中具有生产效率高和产量大等优点，因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设备。但是，在其应用中也存在有一定的局限性：

1、同一块线路板上的不同焊点因其特性不同(如热容量、引脚间距、透锡要求等），其所需的焊接参数可能大相径庭。但是，波峰焊的特点是使整块线路板上的所有焊点在同一设定参数下完成焊接，因而不同焊点间需要彼此“将就”，这使得波峰焊较难完全满足高品质线路板的焊接要求；

2、在实际应用中比较容易出现以下问题：

*热冲击过大时容易造成整块线路板变形，从而使线路板顶部的元器件焊点开路*双面混装电路板上焊好的表贴器件可能出现二次熔化

*焊好的热敏器件（电容，LED等）容易因温度过高而损坏

*为防止上述情况的发生而使用的工装夹具容易形成焊接阴影进而造成冷焊

3、运行成本较高。在波峰焊的实际应用中，助焊剂的全板喷涂和锡渣的产生都带来了较高的运行成本；尤其是无铅焊接时，因为无铅焊料的价格是有铅焊料的3倍以上，锡渣产生所带来的运行成本增加是很惊人的。此外，无铅焊料不断熔解焊盘上的铜，时间一长便会使锡缸中的焊料成分发生变化，这需要定期添加纯锡和昂贵的银来加以解决；

4、维护与保养麻烦。生产中残余的助焊剂会留在波峰焊的传送系统中，而且产生的锡渣需要定期清除，这些都给使用者带来较为繁复的设备维护与保养工作；

5、线路板设计不良给生产带来一定的困难。有些线路板在焊接时，由于设计者没有考虑到生产实际情况，无论我们设定什么样的波峰焊参数和采用各种夹具，焊接效果总是难以让人完全满意（例如，某些关键部位总是存在透锡不良或桥连等缺陷）。波峰焊后不得不进行补焊，从而降低了产品的长期可靠性。

选择焊

选择焊是为了满足通孔元器件焊接发展要求而发明的一种特殊形式的波峰焊。选择焊一般由助焊剂喷涂、预热和焊接三个模块构成。通过设备编程装置，助焊剂喷涂模块可对每个焊点依次完成助焊剂选择性喷涂，经预热模块预热后，再由焊接模块对每个焊点逐点完成焊接。

由于使用选择焊进行焊接时，每一个焊点的焊接参数都可以“度身定制”，我们不必再“将就”。工程师有足够的工艺调整空间把每个焊点的焊接参数（助焊剂的喷涂量、焊接时间、焊接波峰高度等）调至最佳，缺陷率由此降低，我们甚至有可能做到通孔元器件的零缺陷焊接。

选择焊只是针对所需要焊接的点进行助焊剂的选择性喷涂，线路板的清洁度因此大大提高，同时离子污染量大大降低。助焊剂中的NA+离子和CL-离子如果残留在线路板上，时间一长会与空气中的水分子结合形成盐从而腐蚀线路板和焊点，最终造成焊点开路。因此，传统的生产方式往往需要对焊接完的线路板进行清洗，而选择焊则从根本上解决了这一问题。

焊接中的升温和降温过程都会给线路板带来热冲击，其强度在无铅焊接中尤为突出。无铅波峰焊的波峰温度一般为260℃左右，比有铅波峰焊高10～15℃。在焊接时，整块线路板的温度经历了从室温到260℃，再冷却到室温的过程，这一升一降的两个温度变化过程所带来的热冲击会使线路板上不同材质的物体因为热胀冷缩系数

不同而形成剪切应力，比如说BGA器件，在承受热冲击时便会在焊球的顶部与底部形成剪切应力，当这个剪切应力大到一定程度时便会使BGA形成分层和微裂缝。这样的缺陷很难检测（即使借助X光机和AOI），而且焊点在物理连接上仍然导通（也无法通过功能测试检测），但是当产品在实际使用中该焊点受到震动等外来因素影响时，很容易形成开路。选择焊只是针对特定点的焊接，无论是在点焊和拖焊时都不会对整块线路板造成热冲击，因此也不会在BGA等表面贴装器件上形成明显的剪切应力，从而避免了热冲击所带来的各类缺陷。无铅焊接所需温度高，焊料可焊性和流动性差，焊料的熔铜性强。

选择焊设备的组成及技术要点

*助焊剂喷涂系统

选择焊采用选择性助焊剂喷涂系统，即助焊剂喷头根据事先编制好的程序指令运行到指定位置后，仅对线路板上需要焊接的区域进行助焊剂喷涂（可点喷和线喷），不同区域的喷涂量可根据程序进行调节。由于是选择性喷涂，不仅助焊剂用量比波峰焊有很大的节省，同时也避免了对线路板上非焊接区域的污染。

因为是选择性喷涂，所以对助焊剂喷头控制的精度要求非常高（包括助焊剂喷头的驱动方式），同时助焊剂喷头也应具备自动校准功能。

此外，助焊剂喷涂系统中，在材料的选择上必须能要考虑到非VOC助焊剂(即水溶性助焊剂)的强腐蚀性，因此，凡有可能接触到助焊剂的地方，零部件都必须能抗腐蚀。

*预热模块

预热模块的关键在于安全，可靠。

首先，整板预热是其中的关键。因为整板预热可以有效地防止线路板的不同位置受热不均而造成线路板的变形。

其次，预热的安全可控非常重要。预热的主要作用是活化助焊剂，由于助焊剂的活化是在一定温度范围下完成的，过高和过低的温度对助焊剂的活化都是不利的。此外，线路板上的热敏器件也要求预热的温度可控，不然热敏器件将很有可能被损坏。

试验表明，充分的预热还可以缩短焊接时间和降低焊接温度；而且这样一来，焊盘与基板的剥离、对线路板的热冲击，以及熔铜的风险也降低了，焊接的可靠性自然大大增加。

*焊接模块

焊接模块通常由锡缸、机械/电磁泵、焊接喷嘴、氮气保护装置和传动装置等构成。由于机械/电磁泵的作用，锡缸中的焊料会从独立的焊接喷嘴中不断涌出，形成一个稳定的动态锡波；氮气保护装置可以有效防止由于锡渣产生而堵塞焊接喷嘴；而传动装置则保证了锡缸或线路板的精确移动以实现逐点焊接。

1.氮气的使用。氮气的使用可以将无铅焊料的可焊性提高4倍，这对全面提高无铅焊接的质量是非常关键的。

2.选择焊与浸焊的根本区别。浸焊是将线路板浸在锡缸中依靠焊料的表面张力自然爬升完成焊接。对于大热容量和多层线路板，浸焊是很难达到透锡要求的。选择焊则不同，焊接喷嘴中冲出来的是动态的锡波，它的动态强度会直接影响到通孔内的垂直透锡度；特别是进行无铅焊接时，因为其润湿性差，更需要动态强劲的锡波。此外，流动强劲的波峰上不容易残留氧化物，这对提高焊接质量也会有帮助。

3.焊接参数的设定。

针对不同的焊点，焊接模块应能对焊接时间、波峰头高度和焊接位置进行个性化设置，这将使操作工程师有足够的空间来进行工艺调整，从而使每个焊点的焊接效果达到最佳。有的选择焊设备甚至还能通过控制焊点的形状来达到防止桥连的效果。

*线路板传送系统