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1、 3、焊接 基础冶金学与波峰焊接趋势 波峰焊接 - 还是可行的 在波峰焊接优化中的关键参数 电装工艺改进“短插一次波峰焊”工艺实践 电子组件的波峰焊接工艺 片状元件波峰焊接的难题 波峰焊接的持续改进方法 分析无铅波峰焊接缺陷 电子装配中超声喷雾的出现与成长 打破焊接的障碍 再流焊温度曲线记录器的研究与应用 怎样设定锡膏回流温度曲线 得益于升温-到-回流的回流温度曲线 Process Parameters Optimization For Mass Reflow Of 0201 Components 柔性电路的脉冲加热回流焊接 开发通孔回流焊接工艺 穿孔回流焊一种新型焊接技术 下一代的回流焊接技
2、术 焊接工艺使用氮气的理由 SMT中氮气气氛下的焊接 使用聚焦白光的选择性焊接 基本培训：手工焊接 手工焊接与返修工具 选择性自动激光装配 焊接技术 Soldering 焊接技术 Soldering(2) 将溅锡的影响减到最小 基础冶金学与波峰焊接趋势By Jason M. Smith本文介绍，为了使波峰焊接在电子工业中完全被接受，冶金学者、工业与主管机构必须一起工作，进行广泛的研究。 自从开始，波峰焊接一直在不断地进化。在焊接中涉及的基本冶金学原理已经被许多非冶金人士所忽视，他们为了寻找满足今天要求和更加环境友好的适当材料。为了决定与理解对波峰焊接工艺中被广泛接受的焊锡作“插入式”替代的理论
3、基础，作一些研究是必要的。因此在这里有必要回顾一下基础的冶金学原理，开发和理解为将来建议使用的替代材料。 波峰焊接的进化从二十年代到四十年代，连接是使用焊接烙铁连线方法。印刷电路板(PCB)的发展需要一个更加经济和稳健的形成焊接连接的方法。最早的大规模焊接概念是在英国的浸焊(dip soldering)。在八十年代，开发出被称为波峰焊接的概念。这个方法今天还广泛使用，但是机器和操作员控制已经变得更好了。焊接的基础仍然是相同的。焊接形成只是变化来满足设备的要求；可是，化学成分和理论动力学还是基本的和简单的。附着方法基本上只需要助焊剂，热和焊锡，以形成冶金连接。助焊剂用来清洁需要焊接的、已被氧化的
4、表面。加热去掉助焊剂载体和减少温度冲击，将增加的热量加给构成电路装配的非类似的材料。在一个装配上发现的材料包括：塑料、陶瓷、金属、涂料、化学品及其广泛不同的化学成分。大规模的波峰焊接的使用为元件的可焊性提出一个关注的问题，因为需要第一次就产生适当的连接，并在装配上不进行返修，今天的产品不如过去那些较不复杂装配那么宽容。需要第一次就正确形成的可靠焊接点来经受PCB所暴露的环境。在保证适当信号传输、消除串音和不可接受的垂直波比的同时，必须分析每一种情况中引发的温度与机械应力。1最早的浸焊方法有一些问题：很难重新产生所希望的合格率；将板放在熔化的焊锡上在底下夹住气体，干扰热传导与焊锡接触；焊锡只能熔
5、湿(wet)到金属表面；锡渣(氧化物与燃烧的助焊剂的化合物)必须撇去，不断地阻碍生产2。这一整套问题导致波峰焊接的引入。该方法使用从锡锅升起的熔化焊锡波或大块表面来汇合PCB，然后PCB从波上传送过去。波峰焊接缩短一半以上的接触时间。传送带系统通常在一个角度上，因此当板通过波峰时，不会夹住任何东西在PCB下面。这样倾斜也允许熔化的焊锡脱落进入锡锅，减少相邻焊接点之间的桥接。因为熔化的金属是从熔化池表面之下泵出的，只有清洁、无氧化的金属引入装配。 焊接动力学当产生一个焊接点时所发生的反应在原理上是基本的。焊锡合金加热到其液相线区域，以提高焊接点的熔湿(wetting)。氧化物从金属表面去掉，以保
6、证焊接点与带有助焊剂的熔化焊锡之间的清洁接触。然后助焊剂预热从PCB去掉助焊剂溶剂(一般为水或酒精)。需要增加的热量来克服PCB与熔化焊锡池之间的温度差。加热PCB来补偿温差差，不对元件引起伤害。PCB有必要的暴露金属区域，从波峰上通过。焊锡以适当的接合与熔湿角度熔湿到金属。表面能量与接触角度决定熔化的焊锡对暴露金属的附着。如果固体的表面能量相当高于液态和固体/液态界面表面能量的总和，那么液态熔湿并流走。毛细管作用使焊锡达到PCB的圆形电镀孔的顶面。在一些系统中，氮气惰性化的焊接环境用来提高熔湿/毛细管作用。这些孔通常连接装配中等电路层，表明：1、液体在毛细管空间的上升高度随着表面分开减少而增
7、加。 2、进入焊点的流动速度随着表面分开的减少而减少。冶金学的因素对焊锡连接有重要的和经常是主要的影响3。熔化的焊锡在焊锡铅与加入形成连接的熔化焊锡之间形成金属间化合层。在冷却之后，保持焊接点。 金属间化合的形成与增长直到连接冷却到可以处理，金属间化合层还在增长。增长速度是与在特定温度的时间的平方根和温度的指数成线性。这说明增长是通过交互原子向界面扩散来控制的。这个金属间化合层通常是 1 m的Cu6Sn5。Cu来自于PCB的连接面，而Sn来自于焊锡合金。金属间化合物具有从金属与共价键的混合物升起的特性。这些键由于有高分子而强度高。因此，自扩散系数和更大的扩散控制特性的稳定性是强键结合和有序结构
8、的结果4。这个接合对连接是好的，直到其增长完全支配焊接点的特性；这时，这样的焊点对装配就是有害的。焊接材料今天，波峰焊接工艺首选的合金是共晶(eutectic)合金： Sn63/Pb37，因为其价格与可获得的量。Sn提供连接的特性，而Pb是作为填充材料使用的。产量的增强要求使用快速固化的和可以在几秒钟内形成数百焊接点的材料。给共晶焊锡的普通名称是令人误解的。指定的组成成分不是真正的共晶成分。共晶成分按重量百分比是61.9%Sn，如图一所示。这个 差异来自于早期对共晶成分的错误计算。更高Sn含量的合成物不能调节成本增加与电子装配性能改善之间的关系。只有当装配使用在腐蚀性环境时，成本才调节过来。在
9、冶金学上，焊锡可看作是构成二元合金的纯金属的简单混合。其合金图是二元合金系统的典型图，适用于基本的冶金学原理。正如所料，当偏离共晶时，各种合金的特性是不同的。随着合金中Sn含量减少，液化温度增加、密度增加、硬度减少、温度膨胀系数(CTE)增加、温度与电气传导性减少。非共晶成分当考虑非共晶合金时，假设由+共晶组成，从图二的扛杆定律支配比值。有实例证明，没有树枝状晶体出现的固化是可能的，整体的微结构符合共晶。合成物是一个平均的成分。怎样在非共晶合成物中获得共晶结构？固化的冷却速率快于转化动能。当超过固体可溶性极限的成分在室温下冷却时，相的平均成分结核。转换固相的转化动能被固体转变远远超过。当室内空
10、气冷却固溶体时，剩下的液体可能经历共晶反应，在室温下在非共晶成分中给出共晶微结构。当共晶成分的纯二元液体冷冻时，形成的固体平均成分与液体是一致的。据报道，在片之前没有溶质集结和结构的集结，在片之前溶质的耗损。这些溶质轮廓可产生结构过冷，尽管这个现象不是平面不稳性的充分条件5。在微结构中，有时使用名词微组元(microconstituent)是方便的，即，具有可确认和有特征结构的微结构元素。在图二中，主要微组元的颗粒结核，形成的共晶微组元的百分率大于焊锡合金当量条件。随着波峰焊接机器中的焊锡锅长时机运行，暴露给所有金属的焊锡可能具有与原来的不同的作用。氧化和金属间化合的形成随着时间改变着焊锡锅中
11、的成分，也改变了特性。温度设定点必须改变和监测，以控制可能由于锡锅合金成分的冶金变化而出现的缺陷。 无铅波峰焊接世界上，大约每年使用60,000吨的焊锡。虽然电子装配不是主要使用者，但还是有世界范围的日益增加的对减少铅使用的关注，由于其毒性和再生利用的处理不当6。转换到无铅不是被工业所广泛接受。在电子装配中消除铅的主要理由 是机器操作员的环境暴露。锡渣副产品的处理可能对环境有严重影响，如果处理、运输、再生不当的话。如果不遵循适当的卫生要求，对铅的烟雾的呼吸和手工焊接时的直接接触也有重要影响。对要接受的无铅替代品，必须提供下列： 有足够数量的来源 与现有的工艺可兼容 足够的熔化温度 良好的焊点强
12、度 热和电的传导性类似Sn/Pb 容易修理 非毒性 低成本 许多公司正在开发合适的替代合金，作为“插入式”的替代品，以遵守欧洲和日本的法令。这些法令建议到2002年在装配中减少铅，到2004年消除铅。 在北美的国家电子制造协会(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)的目标是到2001年用生产无铅替代品的能力装备北美。该组织正打算与其它机构联合为其可制造性开发标准，其它机构的方向集中在选择替代品，编写世界范围的数据库和收集材料特性数据。 工艺上关注的问题 国际锡研究协会(ITRI, International Tin Resear
13、ch Institute)开办了SOLDERTEC，一个无铅焊接技术中心，来传播前缘信息和收缩可利用的选择。 表一列出合金和几种选择，分别以一到十来表示好坏。 表一、焊锡合金比较* Sn/3.5Ag Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Cu/Sb Sn/0.7Cu Sn/Bi/Ag Sn/Zn/Bi 过程温度 5 3.5 3.5 6 2 1 焊角耸立阻力 2.5 2.5 2.5 2.5 5.5 5.5 可焊性 4 2 3 5 1 10 可处理性 3 1.5 1.5 5 4 10 可靠性 3 1.5 1.5 4 5 6 可再生性 2.5 2.5 2.5 2.5 5 6 成本 4.5 4.5 4.5 1
14、.5 4.5 1.5 可利用性 1.5 3 4 1.5 5 6 总分 26 21 23 28 32 46 * 本表为SOLDERTEC所准许 所相有合金在得到接受之前都必须考虑下面的因素。 在制造产品中使用的材料 当在运行中使用产品时的材料消耗 在制造产品与过程中使用的能量 在产品寿命终结时的可再生性和重复利用性 在包括材料提取、制造和报废/再生的整个生命周期中的辐射 在制造废料流中的可再生性 Sn/0.7Cu合金选作波峰焊接工艺应用的材料，主要是由于其低金属成本和来源。该建议的替代金属的金相图如图三所示。在极度富锡的区域，0.7%重量的的铜有一个共晶点，这使得这种合金与用于当今装配中的现有材
15、料兼容。固化类似于在Sn/Pb共晶合金系统中见到的。铜和锡两种金属都是来源丰富的，该二元系统减少当使用三元合金成分时出现的低熔化相。 规格冶金学者很想知道当各种金属开始在熔化的焊锡锅中累积的时候发生什么，集合体特性将受到怎样的影响。很高量的污染可看作第三元素。有集团已经开始建议污染的限制，在这个限定之内，还可以提供可接受的焊接结果，而不必完全理解在微结构上发生什么事情。发现引起大多数负作用的不纯净金属是那些金属，它们或者与Sn在合金中形成金属间化合物的或者以特性改变的方式来改变合金成分。不纯净可以和加入低三元素产生同样的影响，人们发现这样会降低焊锡的熔湿(wetting)特性。 结论在对所建议
16、的焊锡替代合金的冶金学研究方面有许多工作要做。对焊接应用的工业标准共晶焊锡的研究已经开展多时，大部分可以接受。可是，这似乎对那些不可避免要出现的新时期焊接合金不一定是正确的。回到冶金学基础上面来是将来预测系统的方法，因为寻找更环境友好材料的动力是政府法规所追求和所要求的。冶金学者、工业与政府机构必须携手合作，找出更稳健的解决方案。 波峰焊接 - 还是可行的By Les Hymes本文介绍，新的材料、设计、程序和态度正重新燃起对这个成熟工艺的兴趣。波峰焊接，作为批量焊接技术的长期伙伴，可能已经不会得到象回流焊接那么多的注意了。可是，它继续得到与其复杂性的克服一起而来的尊重，这个复杂性是通过所涉及
17、的变量输入数量与类型来权衡的。随着产品设计与技术的进化，作为对新工艺需求的反应，波峰焊接继续以良好的结果适应和完成新的任务。达到这个工艺表现是由于新的材料、设计、程序和态度。结果，对问题和由这个“陈旧但良好的”工艺所提供的解决方案的兴趣还在 继续。对该工艺的输入最近在现场遇到的特别关注是与底面装配的表面贴装电阻元件和顶面安装的连接器的桥接有关的焊接问题。在焊接方向线上的间隔近的焊盘桥接是存在多时的一个问题。在许多情况中，把焊盘从方形到圆形的设计转变可减少或解决该问题。另一种方法，使用非活性的、靠近在线最后焊盘后面的“掠锡”焊盘经常达到目的。两种方法都从熔化焊锡的表面张力与能力平衡着手。对于方形
18、焊盘，当焊盘离开熔化的焊锡时，焊锡不能够呈现一个低能量的外形。焊锡从平整的边缘断开，造成桥接。掠锡焊盘为焊锡提供一个“断开”的地方，或许防止了危害。这个方法假设了足够的元件和印制线路板(PWB, printed wiring board)的可焊性和受控的上助焊剂、预热和焊接工艺。锡膏-通孔(PIH, pin/paste-in-hole)工艺是用来减少在制造一些混合技术装配中的工艺步骤的一种方法。与该方法的经验表明，使用PIH工艺消除波峰焊接的温度巡回通常是有好处的。其中一个优点是消除了大的通孔(through-hole)连接器所出现的桥接。高密度安装的混合技术装配的增加，驱使许多工艺的创新。特
19、制的“点”或“面”波峰焊接设备的数量越来越多。选择性焊接托盘(pallet)现在更广泛地用于传统的波峰焊接机器上。这些托盘针对那些在装配的底面上有已经焊接的、大型、温度敏感有源元件、球栅阵列(BGA, ball grid array)和QFP(quad flat pack)的通孔元件。对于进化的和较旧的两种PWB设计，新的不同的可焊性保护剂正得到波峰焊接和回流焊接工艺的亲眛。传统的热风焊锡均涂(HASL, hot air solder leveling)工艺，虽然一般对焊接性能有好处，但与进化的设计和工艺存在一个问题。在进入的PWB中，可能在阻焊层(solder resist)中吸收HASL助
20、焊剂残留物对免洗工艺是有问题的。要求用来从小的通孔中清除过量焊锡的空气压力，或者在涂镀的两个表面上的压力差，有时引起面与面之间HASL涂层的厚度不同。这个不同可能导致在一些要焊接的表面特征上很薄的涂层。可能回造成不足的可焊性和不满意的焊接表现，甚至当使用有侵蚀性的焊接助焊剂。为了达到在任何的焊接工艺中的低缺陷率，PWB和元件端子的表面最终涂层都必须提供持久的可焊性。涂层必须经受焊接之前的储存时间和环境，以及多次温度巡回而不退化。在焊接工艺中短的熔湿(wetting)时间要求用来表面元件损伤和一些焊接缺陷。因为PWB为每个焊接的连接提供表面的一半，它必须表现出持续和足够的可焊性特征。有机可焊性保
21、护剂(OSP, organic solderability preservative)和各种通过电解和浸镀工艺施用的金属涂料在许多情况中证明是最满意的。任何使用的可焊性保护剂都必须持续地满足装配与焊接工艺的需求和所要求的产品可靠性。助焊剂、上助焊剂和预热如图一中所说明的，助焊剂用来提高能量水平，改善要焊接的表面的可熔湿性。用来焊接电子的助焊剂范围从侵蚀性强的有机酸到传统的松香基材料到弱有机酸，低残留物、低活性、免清洗助焊剂。松香基助焊剂可能在侵蚀性上变化很大，取决于卤化物类型与含量。侵蚀性水溶性强有机酸助焊剂的残留物必须通过焊接之后的清洗来去掉。有些松香基材料的残留物可以留在焊接的装配上。松香
22、包围活性剂，因此防止反应，这种反应可能使装配的可操作性降级。松香对活性剂含量的比率可决定活性剂的密封有多好。今天使用的大多数免洗波峰焊接助焊剂是基于弱有机酸配方，琥珀或脂肪酸用乙醇或水作溶剂。装配的操作环境主要决定是否免洗助焊剂可以留在装配上。当清洗装配密度高的装配时，从一些元件之间和下面清除所有助焊剂残留物是困难的。低残留物助焊剂由于留下的残留物对电路危害的可能性很小。他们留下少数较良性的残留物。因此，免洗助焊剂可能是一个好的选择，甚至是必须清洗。注意，使用低残留物助焊剂，可焊性特性必须是好的。这些助焊剂不提供较高活性的材料所具有的对可焊性差的帮助。对于成功的波峰焊接，应用的助焊剂涂层必须是
23、均匀的，厚度上受控的。为了有效，助焊剂必须渗入孔内和涂在引脚上。一种喷雾上助焊剂的装置，跟着空气刀，提供保证在要焊接的表面均匀施用助焊剂正确数量的最有些的和受控的方法。空气刀帮助将助焊剂流到孔内，在装配上更均匀地分布助焊剂，并帮助去掉过多的材料。在通过波峰焊接之前预热装配，有几个理由。第一，提升要焊接的表面的温度，因此从波峰上要求较少的温带能量，这样有助于助焊剂/表面的反应和更快速的焊接。预热也减少对元件的温带冲击，当元件暴露在突然的温度梯度下时可能被削弱或变成不能运行。第三、预热加快挥发性物质从装配上的蒸发速度。这些挥发性物质主要来自于助焊剂，但也可能来自较早的操作、储存条件和处理。挥发物在
24、波峰上的出现可能引起焊锡飞溅和在装配上的锡球。控制和了解加热的速率、在波峰焊接各个阶段的温度、和在给定温度或以上的时间长度对于达到和在生产良好的焊接结果是关键的。保证助焊剂的出现 - 在适当的时间正确地激发和保持直到装配离开波峰 - 不能过度紧张。预热必须将装配带到足够高的温度，以提供正在使用的特殊助焊剂的活性化。多数助焊剂供应商发布推荐的温度上升率和最大/最小顶面与底面预热温度。对于任何装配，最佳的时间/温度曲线是取决于许多因素，而不是助焊剂化学成分。这些因素包括板的设计、在波峰上的接触长度、焊锡温度、锡波的速度和形状。一些助焊剂与两步升温表现最好，结合一个活性化和反应的保温或稳定阶段方式。
25、其他的则推荐一个连续的升温，这经常与特殊助焊剂的固体含量有关。对于任何助焊剂，不足的预热时间和温度将造成较多的残留物留下，或许活性不足，造成熔湿(wetting)差。预热底也可从气体放出造成锡球，和当液体溶剂到达波峰时的焊锡飞溅。当在波峰前没有提供足够的预热来蒸发水分时，这个情况在低挥发性有机化合物(VOC, volatile organic compound)的水基助焊剂上看到。过分的时间/温度曲线将降低助焊剂和/或所有的助焊剂将在波峰之前失去/反应。助焊剂在波峰上的出现帮助降低焊锡的表面张力。如果助焊剂失去，则可能的造成锡桥或冰柱(icicle)。最佳的温度在波峰上留下足够的助焊剂，以帮助
26、在板退出波峰时焊锡从金属表面的剥离和排泄。在锡波上在焊接工位，波峰焊接工艺的所有元素都一起来到。设计、元件、PWB、元件贴装操作、可焊性特性、助焊剂、热能的一部分和一个平稳的材料输送系统都应该到位。在这些规定的和受控的元素出现的情况下，波峰动态和需要形成连接的温度现在是关键因素。波峰经常被引证为许多与工艺有关的问题的原因。事实上，在工艺开始之前，焊接工位需要相对的关注。焊接工位要求关注与维护，作为一个可再生产的设备功能的良好工艺控制程序的部分。在锡炉中，没有夹住的锡渣造成的开口或屏障，一个平缓的水平主波峰是至关重要的。崎岖的波峰是用于片状波峰的，较高速度的紊流提供垂直与水平的压力，来帮助焊接底
27、面的表面贴装元件。当使用熟悉的锡/铅共晶合金时，在板的底面使用的焊锡温度应该是连续一致的，在460500F的范围。往这个范围的较低方向偏离有时是有帮助的。免洗助焊剂经常以这个范围的最低或稍微更低的温度焊接，来帮助确保在波峰的出口处有助焊剂存在。一些使用其它助焊剂的工艺，通过提高预热来达到较高的顶面与底面温度和将波峰温度减少到低至430F，在较厚的多层板上已经取得成功。培训与工艺控制你不可能控制你不测量的东西！为了有效地测量，必须在工艺技术和对工艺输出的可再生产性的过程变量统计含义上培训员工。理解你的工艺教育和培训有关人员，使他们理解所要求控制的基本知识。如果他们理解怎样产生一个不可接受的条件，
28、和怎样产生一个可接受的条件，他们将获得知识与信心，特别是如果允许他们为了学习去做这两种事情。使用一个已定义的控制系统和保持它尽可能简单有时，在开始了解1.67的Cpk比1.33的Cpk大约好10倍这一点已经足够了。在使用点上测量工艺参数，并且观察到偏离时马上行动除了有温度曲线工具可用于建立最佳的机器设定处理各个板的设计之外，其他工具可帮助整个波峰焊机的监测与分析。这些工具所检测、跟踪、和分析的重要标准是板在焊锡波形上的驻留时间和接触长度。这些数据的使用使得能够计划维护，以在情况恶化、造成产品缺陷、干扰你的计划和让你顾客失望之前纠正变量。结论低成本、低缺陷的焊接表现是配合设计、零件、材料、工艺、
29、设备功能和有知识的人员的一个函数。高度可焊性的表面不能指望用来补偿差劣的设计或工艺 - 反之亦然。整个运行必须受控。工艺控制，不是一次搞好的，和对细节的关注是关键。因为你不能控制你不连续测量的东西，做足你的功课，限制材料和验证工艺。实行预防而不是发现，过程结果将自我保持：在这个运行环境中将稳定地得到可靠的产品。在波峰焊接优化中的关键参数By Martin Ingall, Gustavo Jimenez, Pete Michela, Monica Taylor and Nissim Sasson 本文介绍：“对驻留时间和浸锡深度的研究，揭示了波峰焊接的可重复性与缺陷减少的重大机遇。” 在过去几年
30、中，生产与工艺工程师对板与波峰的相互作用又有新的认识，导致了波峰焊接程序的戏剧性变化。例如，已经采用直接测量PCB在波峰焊接中经历的技术。得到了电路板品质的即时与显著的改善，推动该技术的广泛使用。 板与波相互作用的中心制造波峰焊机的唯一目的是：让板与焊锡波峰相互作用。你知道这个叙述是完全正确的，因为当你看看回流焊接炉里面时你没有看到波峰。在回流焊接炉中，当板经历加热温度时，出现的是化学反应，不象在波峰焊接中。在波峰焊机内，当把板送到焊锡波峰上时，化学反应与温度是作用物。其结果，与表面贴装的炉相比较，波峰焊机内温度的工艺窗口是宽松的，并且板与波峰相互作用的精确控制产生很大好处。引脚在焊锡波峰内只
31、是几秒钟或更少。焊接应该可以在一次过中达到，不出现缺陷。由于这个过程是如此简单，今天的板是如此复杂，使得电路板必须精确地通过波峰。有头脑的工程师已经知道，似乎很小的板与波峰过程的变化可以导致很大的品质变化。 温度曲线的限制那些坚持认为波峰焊接控制主要是温度的人，通常选择严格地依赖温度粘结剂、高温计或温度曲线。虽然温度是重要的，但它不能说明板与焊锡波峰的相互作用。没有板与波的精确数据的波峰焊接可能造成连续的缺陷、生产危机和停机时间。实际上，生产管理人员了解这样的结果，看到工位上需要修理工人，承受产量与品质的压力。尽管有温度管理的Herculean效应、波峰焊机品质的惊奇进步、以及助焊剂与焊锡化学
32、成分的不断发展，波峰焊接还可能是有问题的。如果问一个制造工程师从哪里主要出现装配缺陷，最常见，他或她会指向波峰焊机。因此，返工人员每天、每班工作只是为了修整生产线上的缺陷。修理现在的水平不是看作对生产失效的一个补偿性活动，可以去掉的一样事情，而是经常看作生产线本身“可以接受的”部分。这个看法的直接结果就是允许生产成本的大幅增加和波峰焊接严重的表现不佳。例如，调节预热器永远不能消除由于太长驻留时间引起的锡桥或者由于浸锡深度太浅所引起的不焊(skipping)。这里所陈述的研究结果将表明，现有的波峰焊接缺陷的大多数只能通过对板与锡波相互作用的精确、直接的测量与控制才能 消除。 板与锡波的相互作用假
33、设板与波峰是平行的，板与波峰相互作用有三个清楚的同时发生的面，可以直接准确地测量： 驻留时间(dwell time): 驻留时间是一个引脚在焊锡波内的时间数量，需要以0.10秒的递增来控制。 浸锡深度(immersion depth): 浸锡深度是板浸在焊锡波内有多深。由于最好的波峰具有1020-mil 之间的波峰高度变化，这个参数最好是通过其穿过一个过程窗口的通道来测量。用于本研究的设备使用12-mil的递增量。 接触长度(contact length): 接触长度是一个引脚通过波峰的距离。 图一解释了板的浸锡深度与接触长度的相互关系，显示浸锡深度直接决定接触长度。接触长度又直接影响驻留时间
34、，因为： 驻留时间 = 接触长度 传送带速度 传送带速度的设定将不能单独控制在焊锡波峰上的驻留时间。必须有精确测量与控制浸锡深度的方法。 波峰形状我们许多人都有在两台不同的波峰焊机上运行同一个装配的经验，看到的是两个很不同的板的品质的出现。在两台波峰焊机设定成相同的泵的速度、传送带速度、传送带角度、锡缸高度、预热与焊接温度；使用相同的化学品；相同的维护计划；以及显示相同的温度曲线的时候，为什么波峰焊机还会产生不同的结果？作为一个工业，我常常已经退而接受“不同的波峰焊机有不同的个性。”有些人责怪操作员。但是这个答案是简单的，可测量的：所有波峰焊机产生的波峰是不同形状的。 图二显示波峰形状对接触长
35、度的影响。一个较宽的波意味着较长的接触长度。 因此，驻留时间较长 - 以相同的浸锡深度。 机器设定的限制控制波峰焊接过程涉及直接测量板在波峰上实际所经历的。波峰焊机永远不能保证可重复性。板看不到传送带速度；但感受到驻留时间。同样，板不知道泵的速度，但感受到浸锡深度。还有，波峰焊机的设定不显示波峰焊机的可变化性。因此，波峰焊接的参数必须主要基于板与波峰的相互作用，而不是波峰焊机的设定。装配工厂没有必要责怪它们的波峰焊机，助焊剂或操作人员，因为实际的挑战是波峰焊接工艺过程本身。波峰焊机不能测量板与波的相互作用；好的设备不是用来补偿一个不受控的工艺。 用于研究的驻留时间基线一家主要的消费电子公司让其
36、北美的工厂完成为期一个月的研究，以评估驻留时间优化与可重复性的重要性。选择了最大批量的装配来用作研究，它代表在该地生产的所有电路板的19%。为了这个用途，使用一台电子设备和直接板与波峰接触传感器。由于能够进行每排四个运行，该设备可以在将数据卸载到PC之前记录多个读数。还有，该设备的LCD显示器允许从波峰焊机出来时即时的数据读数，并提供浸锡高度的直接测量。下面是进行的步骤： 测量与建立平行度。 测量现时板的驻留时间，以前是 1 秒。 测量现时板的浸锡深度，以前是 24-mil。 评估板的质量。得出 312 ppm(parts per million)的缺陷率，这个被认为在工厂内是正常的，按工业标
37、准也是很好的，尽管有一定量的返工数量。 步骤 1 3 对一排中的三个班次很容易地完成，每班两次，因为所有数据都是在通过波峰焊机的设备一次运行中获得的。步骤 4 是在每一班次结束时完成。 在运行装配板之前，如果测量显示不平行 - 或者驻留时间比 1 秒钟超出 0.1 秒，或者浸锡深度不是 24-mil - 则对波峰焊机作出调整。另外作一些测量以证实发生所希望的板与波的相互作用。始终保持那些与板-波相互作用无关的地方，包括，如，助焊剂类型、预热设定和焊锡温度。在每班结束时，作百万缺陷(dpm, defects per million)记录。这个板的 dpm 持续地在312范围。因此，达到了电路板质
38、量的可重复性。 驻留时间研究方法下一个目标是决定是否板的缺陷率受到以不同驻留时间运行的影响。这个计划涉及以不同的驻留时间运行相同类型 的板，驻留时间以半秒的递增幅度从0.5秒增加到5.0秒，并且涉及将每个驻留时间与其产生的缺陷率相联系。对每个驻留时间进行上述的 15 步。图三的蓝线显示该结果。对这个特定的板产生最低缺陷率的驻留时间是在 2.53 秒之间。然后进行这个板的进一步研究，在 2.8 秒时缺陷持续最低。因此该板现在只以 2.8 秒的驻留时间和 24-mil 的浸锡深度运行。波峰焊机的设定现在是非主要的，与使用的波峰焊机无关。驻留时间的优化已经完成，同样达到在实际任何的波峰焊机上以可预计
39、的品质装配该板的灵活性。对于该消费电子公司，这些结果就是对操作员的有意的波峰焊接工艺文件、更清晰的工作指示，更大的灵活性，因为该板可以可靠地通过任何波峰焊机。该公司也可以实现更少的过程控制图表中的峰值，因为在板运行之前进行了测量；更少的停机时间；较高的产量，减少对工艺工程师的压力；以及更愉快的管理。其它观察包括： 所发现的最佳驻留时间与以前发生的有很大的不同，但是那时没有测量。缺陷率随驻留时间的不同而显著变化。 控制浸锡深度对本研究是关键的，因为浸锡深度的变化意味着接触长度的变化，结果，驻留时间不受控。 逐板的优化正如每钟板在表面贴装炉中使用其自己的温度曲线一样，每种板也在波峰焊机中使用其自己
40、的板与波峰的参数。因此，上述研究也对第二种板进行。图三把结果记录成红线。研究发现，对这种板的最佳驻留时间是 3.6 秒，与第一种板的 2.8 秒形成对比。注意两种板的“驻留时间曲线”是不同的。虽然不太象第一种板所获得的新基线那么低，但该工艺过程得到所研究的第二种板的显著更低的缺陷率，这种板以前也是以 1 秒运行。这些结果强烈地显示诸如非最佳浸锡深度或设计问题等这些缺陷根源与驻 留时间没有关系。 浸锡深度改变浸锡深度会改变接触长度和驻留时间，这使得浸锡深度的直接和准确测量成为关键。泵速产生波峰高度，它随着锡缸的焊锡变空而消失。可是，板的实际浸锡深度决定于几个因素，包括锡缸高度、PCB怎样座落在传
41、送带的指爪上、弯曲、破裂或变钩的指爪、传送带角度、以及是否使用托盘。可是，控制浸锡深度 - 测量和把它保持持续不变 - 只是这个难题中的一小部分。另一个是决定在那个浸锡高度，板的品质是最佳的。在图四中，注意由蓝条形所代表的板的缺陷率，在不同范围上比由黄色条形所代表的板更优化：48 mil 或甚至 3660 mil 分别比 2436 mil。因此，不同板的类型最受益于不同浸锡深度。 结论板与波峰优化的好处是很大的，当决定波峰焊接工作指示时，需要进行逐个电路板地评估。对板实际所经历的进行直接测量与管理是关键的。对所有的板使用相同的波峰焊机设定将永远不会产生对各种装配类型最佳的波峰焊接结果，对波峰焊
42、机设定的依赖不包装板与波峰相互作用的可重复性。优化要求对板上实际缺陷有关的调整。只记录机器设定和/或注重板与波的数据将不会产生所希望的结果。波峰焊机不一定是可重复的。要开始是简单的。该过程只要花几分钟，并且将马上产生对你有帮助的信息： 象平时你对特定的板一样设定波峰焊机。 一旦你已经建立板对波的平行度，记录驻留时间和浸锡深度读数。 处理其中一块板，记录其波峰焊接品质。 作为确定最佳驻留时间的第一步，将传送带速度减少到每分钟0.75英尺，再运行设备，得到新的驻留时间读数。 再运行相同板类型中的一个，记录其波峰焊接品质。 如果板的质量已经改善，那么你已经得到一个比你现在用于运行板的驻留时间更优越的
43、驻留时间。你现在可以每天在每一次运行该类板之前记录驻留时间读数，以保证你的波峰焊机对你的板给予所希望的、更好的经验。因此，你可用该数据来保证可重复性和最佳效果。如果板的品质恶化，那么增加传送带速度，重复相同的步骤。你将很快找到最佳的板与波相互作用参数。为了评估浸锡深度对波峰焊接品质的影响，改变泵的速度，另外进行相同的步骤。要理解的另一个重要方面是工艺窗口(process window)。所有波峰焊机有其自己的数据变化和可重复性的正常范围，这个只有通过在机器保持在使用的每个设定时，对驻留时间和浸锡深度的直接测量来确定。理解波峰焊机的对驻留时间、浸锡深度和平行度的工艺窗口，将帮助你优化对每个板的波
44、峰焊接工艺。如果你的工厂一个产品高度混合的工厂，那么从最普通或最棘手的板开始。对于大批量、的混合的运作，你有机会来优化你运行的每一个板。对于两类工厂，在不同的波峰焊机之间，甚至工厂位置之间可靠地移动一种特定板的灵活性也要增加。许多工厂已经将可得到的技术与简单的程序相结合，以优化其电路板的驻留时间、控制浸锡深度和得到其波峰焊接工艺的真正可重复性。对于那些想要迅速降低成本和与波峰焊接品质的工业规范保持步伐的工厂，这里所叙述的技术与程序值得调查研究。 电装工艺改进“短插一次波峰焊”工艺实践作者：唐经球 胡明昌 周红(七二一厂) 我厂在八十年代研制生产的海鹰牌清纱器等纺织电子产品，海底牌 B超类医用电
45、子产品，生产过程中印制板部件的装联工艺主要是采用手工操作方式。生产效率不高，装焊工艺水平低，质量不稳定，是产品各批次生产引起波动的因素之一。 九十年代初，工厂为提高产品印制板部件装焊水平，购置了24工位回转式插件台，引进一台西德产波峰焊机，采用当时电装工艺普遍使用的“长插切脚二次焊”工艺(元器件长脚插入印制板、一次波峰焊或浸焊切脚二次波蜂焊)，由于生产线布局不够合理，产品插件板往返搬运，工作效率低。切脚机是自制设备，操作不够安全。对尺寸较大的元器件板，由于基板变形及压紧装置等原因切脚不整齐，高度不容易控制，装焊质量、生产效率不理想。当时纺电大批量生产有2/3印制板电装靠外协完成生产成本高，外协
46、电装质量更难控制。医电产品电装安排了较多人员。印制板部件成品的参数离散性较大。所以电装工艺成为影响产品大批量生产及提高质量的关键。 在市场经济形势下，要求民用产品不断提高质量而且尽可能降低成本。企业主管领导要求当时负责全厂工艺技术归口管理的科技处极好改进产品电装工艺及管理水平，使产品在可靠性、一致性、稳定性等质量方面提高一步，改进电装工艺方法，提高生产效率，降低产品成本，拿出物美价廉的产品供应用户，提高产品市场占有串，为企业的发展多作贡献。 主管工艺的副总工程师组织工艺管理及工艺技术专业人员到几家工艺先进的企业调研后，参考外厂经验结合我厂产品特点，决定开展印制板部件电装“短插一次波峰焊”新工艺
47、的研究与应用。(元器件加工成短脚插装上印制板自动波峰焊)。此工艺方法实施后可改变我厂电装工艺面貌，提高产品生产质量，提高操作工人技术水平，提高劳动生产串，有利于开展规模生产，挖掘企业潜力，在不增加电装工人数的前提下将因工作量大而扩散外协电装印制板部件收回来，节约外协费用，且有利于改善生产现场管理，提高装焊生产线的综合管理水平。 电装工艺改进是一项综合工程，列入九三年工艺技术措施计划主要项目。工作内容涉及到工厂多个部门，在工艺试验及应用过程中许多工作需相关部门密切配合，为此由工厂科技处牵头成立QC小组，将有关部门的主要参与人员组织起来，为实现同一目标、统一认识，共同研究课题内容，订出实施计划，分工负责，开展工作，促进电装工艺上水平。 为实现“短
