韓 彬，史建衛(wèi)，檀正東，周 旋，王海英，李明雨

(1. 深圳市艾爾摩迪精密科技有限公司，廣東深圳，518103；2. 哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，廣東 深圳，518055)

SMT 技術是表面安裝元件SMC/ 器件SMD、PCB、點膠、涂錫膏、表面安裝技術、焊接及在線測試等一整套工藝技術過程的統(tǒng)稱[1]。隨著微電子組裝技術的進一步發(fā)展，很多電子元器件呈現(xiàn)微型化、多功能化的趨勢，這對傳統(tǒng)的電子封裝技術提出了新的要求。對于大多數(shù)的表面貼裝元件，已經(jīng)成熟的回流焊技術可以滿足其組裝要求。但是對于可靠性要求高，精密度高的通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、汽車電器電子、航空航天、軍用設備等產(chǎn)品，其PCB 板往往是高密度雙面板，并含有一定量的通孔插裝元件，傳統(tǒng)的回流焊技術并不能滿足其組裝需求。在這種情況下，人們把目光轉(zhuǎn)向了選擇性焊接，以實現(xiàn)對某些通孔插裝元器件或其它高精密元器件組裝。目前，選擇性焊接使用較多的是選擇性波峰焊和激光焊，其次為選擇性回流焊[2,3]。本文將主要介紹選擇性波峰焊的優(yōu)點和應用。

1 選擇性波峰焊接技術

選擇性波峰焊主要是為了滿足含通孔插裝元器件的混裝產(chǎn)品高品質(zhì)的組裝需求而發(fā)展起來的新型波峰焊工藝。與傳統(tǒng)的波峰焊類似，選擇性波峰焊一般由助焊劑噴涂、預熱和焊接3 個模塊構成。通過程序設定，助焊劑噴涂模塊可對每個焊點進行助焊劑選擇性噴涂，經(jīng)預熱模塊預熱后，再由焊接模塊對每個焊點進行選擇性焊接。選擇性波峰焊的優(yōu)點是提高焊接品質(zhì)和節(jié)約成本。

1.1 提高焊接品質(zhì)

當使用選擇性波峰焊對PCB 進行焊接時，每一個焊點的焊接參數(shù)都可以通過編程進行單獨制定，這使不同性能的元器件擁有了專屬的焊接工藝，極大地滿足了其組裝要求。針對不同焊接要求的元器件，焊接工程師可以就助焊劑噴涂量，焊接波峰高度，焊接時間這幾個方面進行焊接工藝調(diào)試，有效的降低了波峰焊缺陷率，甚至做到了焊接的零缺陷。圖1 為采用不同的焊接參數(shù)對兩個相同焊點進行的焊接，可以看出，焊點的外觀和形狀有很大的差別。

同時，使用選擇性波峰焊時，噴嘴只對需要焊接的焊點進行焊接，焊接所造成的熱影響區(qū)域有限，混裝線路板上貼裝元器件的引腳與通孔插裝器件的引腳只要不是距離過近，基本不會發(fā)生焊點重熔，避免了熱沖擊的產(chǎn)生。這樣，就不需制作大量復雜的工裝卡具對已焊好的貼裝器件進行遮蔽和保護。

圖1 不同焊接參數(shù)下的兩個焊點

1.2 節(jié)約成本

對于目前混裝線路板，通孔插裝器件的焊接只占整體線路板焊接的小部分。在這種情況下，選擇性波峰焊體現(xiàn)出了很大的成本優(yōu)勢[3]。

（1）設備占地面積較小。與傳統(tǒng)的波峰焊相比，選擇性波峰焊不需要較大的錫爐和很長預熱區(qū)，因此其占地面積一般不到傳統(tǒng)波峰焊一半。與手工焊相比，由于每個焊接工人都需要面積一定大小的焊接桌面來擺放焊接器具和進行焊接，因此選擇性波峰焊占地面積也小于手工焊[4]。

（2）節(jié)省助焊劑。通常情況下，混裝線路板中通孔插裝器件的焊接面積只占整個板面的小部分[5]。傳統(tǒng)的波峰焊需要對線路板進行大面積助焊劑噴涂，而選擇性波峰焊只針對需要的焊接部分進行噴涂，在很大程度上減少了助焊劑使用量。據(jù)某公司統(tǒng)計，采用選擇性波峰焊，兩臺機器兩班工作，年助焊劑用量不過百公斤，而普通波峰焊生產(chǎn)將消耗助焊劑達4 噸以上。圖2 為某款設備選擇性助焊劑噴嘴。

由于選擇性波峰焊只針對所需焊接的焊點進行助焊劑噴涂，對其他部分沒有影響，因此，PCB 離子污染率大大降低，而清潔度提高。助焊劑一般含有腐蝕性離子，如果殘留在PCB 上會腐蝕板面和焊點，造成電路開路。傳統(tǒng)的波峰焊因為需要對PCB 進行大面積噴涂，焊后還需對線路板進行清潔。

圖2 選擇性助焊劑噴嘴

（3）錫渣產(chǎn)生量和氮氣使用量減少。與傳統(tǒng)波峰焊相比，由于錫爐尺寸和噴嘴尺寸的減少，錫渣產(chǎn)生量和氮氣使用量均有大幅度的減少[6]。在不充氮的情況下，波峰焊一天的錫渣產(chǎn)生量可能高達10～20 kg。與之相比，選擇性波峰焊一周產(chǎn)生的錫渣量只有0.5～1 kg。與此同時，波峰焊的錫爐比較大，耗氮量達15 m3/h，而選擇性波峰焊采用封閉小錫爐方式，單一錫爐的耗氮量大約為1.5 m3/h，且氮氣環(huán)境焊接更好。

（4）工裝載具費用減少。在波峰焊生產(chǎn)中，一個品種需制作10～20 個工裝載具，而目前合成石制作的工裝載具價格約為1 000～2 000 元/ 個。在選擇性波峰焊生產(chǎn)中，一般不需要工裝載具，由此減少了大量的成本。

由于選擇性波峰焊具有很多傳統(tǒng)波峰焊難以相比的優(yōu)點，因此，在電子元器件組裝行業(yè)中正得到越來越廣泛的應用。

2 選擇性波峰焊技術的應用

2.1 選擇性波峰焊的應用領域

近幾年來，選擇性波峰焊作為高品質(zhì)高精密的組裝技術，在多個領域內(nèi)的著名企業(yè)正得到廣泛的應用。

首先，選擇性波峰焊廣泛應用于汽車電子領域，如偉創(chuàng)力汽車電子(上海)有限公司，惠州西門子VDO(大陸集團)，上海聯(lián)合汽車電子（德國博世合資廠），聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司等。

其次是通信電子領域，如華為技術有限公司，中興通訊股份有限公司，北京大唐通訊，上海貝爾阿爾卡特通訊，杭州貝萊勝通訊，南京愛立信熊貓通訊有限公司等。

第三是電力系統(tǒng)，如南京南瑞繼保電氣有限公司，國電（南京）自動化有限公司，南京南瑞成套公司，上海思源電氣，山東GE 魯能等。

此外，采用選擇性波峰焊的院所還有南京第14 所，南京北方光電，華東電子研究所，北京電子應用研究所，以及航空，航天的蘭州飛行控制有限責任公司，陜西寶成航空儀表有限公司，西安618所等[7]。

2.2 選擇性波峰焊的技術要點

選擇性波峰焊作業(yè)流程一般由助焊劑噴涂、預熱、焊接3 個部分組成。通過設備的程序設置，可對將要焊接的焊點依次完成助焊劑噴涂工作，然后焊點經(jīng)預熱模塊預熱后，再由焊接模塊對其進行逐點焊接。

2.2.1 助焊劑噴涂

助焊劑的噴涂方式可以分為單咀噴霧式，微孔噴射式，同步式多點/ 圖形噴霧等多種方式[2]，可根據(jù)PCB 的線路布局特點及元器件引腳進行選擇。在保證噴涂位置精確度的情況下，根據(jù)焊點的不同，參考傳統(tǒng)波峰焊噴涂量，選擇性助焊劑的噴涂可以分為以下幾種情況[8]：

（1）單點噴涂時，助焊劑量一般控制在20%以內(nèi)（與元件引腳、孔徑的大小有關），噴涂時間為1 s以內(nèi)，噴涂時間不宜過長，否則會造成PCB 板面助焊劑殘留。

（2）連續(xù)焊點噴涂時，助焊劑量應控制在30%～40%，噴頭的移動速度應控制在15～30 mm/s。

（3）對于一些特殊位置，特殊元器件焊接時，助焊劑噴涂量有所不同，在保證焊接效果的情況下，盡量減少助焊劑噴涂量。

2.2.2 預熱

評價通孔插裝元器件的焊接質(zhì)量時，釬料在焊盤上的鋪展面積和對通孔的填充率是兩個重要的指標。PCB 在焊接前的預熱對這兩個方面有很大的作用。

在波峰焊過程中，PCB 承受的溫度一般為215～255 ℃。在此溫度下，PCB 處于高彈狀態(tài)，已發(fā)生形變。而選擇性波峰焊是局部焊接，冷的PCB 直接焊接會帶來焊接質(zhì)量差、板材易變形等缺陷。因此，預熱過程是選擇性波峰焊不可缺少的過程。日本電子機械工業(yè)協(xié)會標準分會推薦的預熱工藝參數(shù)：預熱溫度80～150 ℃，預熱時間20～120 s。一般情況下，預熱溫度控制在135 ℃以內(nèi)，時間為30 s，而頂部預熱系統(tǒng)的溫度控制在110 ℃左右，時間為10 s[8]。

預熱系統(tǒng)的另一作用是活化助焊劑，并對焊盤和覆銅通孔進行預熱[9]。選擇性波峰焊一般采用整體預熱方式，防止線路板因受熱不均而發(fā)生變形。選擇性波峰焊多采用松香型助焊劑，它的活化溫度一般是在120～150 ℃，超過這一溫度則活化作用消失。因此，松香型助焊劑必須在焊接之前活化，同時，松香是一種大分子多環(huán)化合物，具有一定的成膜性，在活化過程中去除金屬氧化物后可以在金屬表面成膜防止其再氧化[10]。

當選擇頂部預熱時，可以選擇熱風預熱方式。但與其相比，紅外預熱的效率較高，但卻存在著如下三個問題[11]：

（1）對于插裝器件，其母體均在頂部，而引腳在底部。在整塊PCB 中可能存在少量的熱敏感元器件。熱風預熱方式在對線頂部PCB 和熱敏感器件的預熱過程中，溫度控制方面比短波紅外方式更加有效和安全；

（2）短波紅外線在照射到PCB 頂部插裝元器件的母體時，母體本身會使其下方的部位出現(xiàn)陰影，這會使的不同部分出現(xiàn)溫差；

（3）短波紅外屬于亮紅外，也叫可見光紅外，對不同顏色的吸收率和反射率存在著顯著差異；而PCB 本身及其所布置的大量元器件母體必然會有較大的顏色差異。因此，當選擇紅外預熱方式時，要考慮PCB 板實際情況與以上的問題。

對于熱容較大的電子元器件，或厚度較大的多層板，預熱過程顯得尤為重要。對于大熱容量和多層線路板，為了達到良好的焊接效果，一般需采用底部紅外預熱和頂部熱風預熱的聯(lián)合預熱方式，可以明顯的改善透錫效果[7]。

2.2.3 焊接

選擇性波峰焊最主要的優(yōu)點就是對PCB 上的每個焊點都可以單獨設置焊接參數(shù)，確保其得到最優(yōu)的焊接效果。在傳統(tǒng)的波峰焊過程中，由于焊接范圍大，PCB 大部分元器件都會經(jīng)歷同樣的溫度變化過程。選擇性波峰焊只是針對特定點的焊接，只會在焊點及其鄰近極小區(qū)域產(chǎn)生熱沖擊，可以避免熱沖擊帶來的危害[12]。無鉛波峰焊的溫度一般為260 ℃左右，對于上錫難的元器件，其波峰焊溫度可調(diào)到280 ℃。

在選擇性波峰焊系統(tǒng)中，正是由于各個焊點的焊接參數(shù)可以單獨設置，單個噴嘴一次只能焊一個點或一排點，這使其焊接的效率有所降低。目前，很多選擇性波峰焊設備配備了雙模組串聯(lián)工作方式。一模組使用較小的噴嘴，用于完成單點焊接；另一模組采用較大噴嘴，用于完成某些元器件雙排針的焊接，這樣生產(chǎn)效率得到了很大的提高。圖3 為某款單點焊設備的雙噴嘴結構。對于多噴嘴選擇性波峰焊系統(tǒng)，由于多個噴嘴（如圖4）一次性實施浸焊，生產(chǎn)效率可大幅提高。

圖3 選擇性波峰焊的雙噴嘴結構

圖4 多噴嘴選擇性波峰焊結構

2.3 選擇性波峰焊的關鍵技術

合適的噴嘴形狀、尺寸及采用的技術（如潤濕性、非潤濕性焊接噴嘴，去橋接刀），可有效降低焊接缺陷，大大提高生產(chǎn)效率和控制品質(zhì)。

某公司單噴嘴設計有如下要求（圖5 為單噴嘴周邊空間要求）：

圖5 單噴嘴周邊設計要求

（1）噴嘴內(nèi)徑不超過6 mm，一般為3 mm，外徑一般為4 mm，可實現(xiàn)0～12°傾角；

（2）單噴嘴多為潤濕性材料制成，主要應用于浸焊和拖焊工藝。常見與金屬錫可以潤濕的金屬材料有Au、Ag、Fe、Ni、Pt 等，非金屬材料有合金、經(jīng)表面處理的陶瓷等；

（3）除潤濕外，還要保證噴嘴材料耐腐蝕性，正常工作溫度下275～300 ℃，最低5 000 h 的壽命。

某公司多噴嘴的設計要求為：

（1）最小噴嘴設計尺寸為5 mm×8 mm；

（2）多噴嘴多為非潤濕性焊接噴嘴，主要應用浸焊工藝。圖6 為多噴嘴周邊設計要求

圖6 多噴嘴周邊設計要求

不同噴嘴結構對PCB 板上引腳的伸出長度和間距有著不同的要求。圖7 和圖8 分別說明了在采用單噴嘴和多噴嘴進行焊接時，PCB 板上引腳的設計要求。

圖7 單噴嘴焊接時引腳的設計要求

圖8 多噴嘴焊接時引腳的設計要求

焊點和鄰近元器件間如果間距過小，會使選擇性焊接的工藝產(chǎn)生問題[13]。單點焊時要求焊接位置處相鄰元器件的距離大于噴嘴直徑1.25 倍，或噴嘴外邊緣距離最近元件1.5 mm，如圖9 所示。如果噴嘴中心偏離焊點中心，則相鄰元器件距噴嘴外邊緣或焊點距波峰邊緣最小為1 mm。多點焊時，要求焊點孔環(huán)邊緣到表面貼裝焊盤邊緣的最小距離為1 mm，如圖10 所示。

圖9 單點焊接時相鄰元器件尺寸要求

圖10 多點同時焊接時焊接空間尺寸要求

為保證焊接的質(zhì)量，如果PCB 有不可使用邊緣，則焊點中心到PCB 板邊距離可為3.0 mm，如有可使用邊緣，則到板邊最小距離為6.0 mm[13]。對于元器件的引腳及引腳與通孔的孔徑比，選擇性波峰焊也有一定的要求。多噴嘴浸焊工藝要求引腳長度應不小于2.5 mm，以保證熱量的傳導。孔徑比對焊接質(zhì)量有一定的影響，比例過大時就不能形成毛細作用，釬料爬升緩慢；比例過小，助焊劑無法深入通孔，也不能得到良好焊點。一般要求通孔直徑等于引腳直徑加0.3～0.5 mm。

在波峰焊過程中，要注意3 個高度的設定，即移動高度，焊接高度與波峰高度[8]。移動高度是指焊接頭移動到焊接位置時的行走高度，一般要高于焊接面最高元器件5 mm 以上，防止行走過程中焊接頭對PCB 造成撞傷。但是，移動高度越高，焊接時間越長。焊接高度是指焊接頭完成焊接動作時的高度，一般要高于被焊元件伸出PCB 引腳長度的1 mm 以上，防止焊接頭對元器件造成碰傷，但高出的值不應大于2.5 mm，否則影響焊接質(zhì)量。波峰高度指焊料高出焊接頭的高度。理想情況下，80%的波峰高度形成的焊接面可以達到焊接噴嘴的外徑。相同的波峰高度，型號越小的噴嘴形成的波峰越不穩(wěn)定，所以在保證焊接質(zhì)量的情況下，盡量減小波峰高度（一般控制在60%～85%）。

在焊接過程中要避免PCB 移動。當釬料還未完全凝固時，如果元器件引腳或者釬料發(fā)生抖動，會使焊點失去光澤，甚至使焊點產(chǎn)生裂紋。在元器件有很多引腳的情況下，如果焊盤發(fā)生移動，可能導致焊錫撕裂，浮起甚至焊盤的撕裂。因此，在對設備進行評估時，要盡量選擇焊接過程中錫爐移動而PCB 不動的波峰焊設備。焊接速度一般控制在2.5～4.5 mm/s，速度過快或過慢都可能造成橋連、堆錫、拉尖等不良現(xiàn)象。

3 選擇性波峰焊設備的維護[13]

對于選擇性波峰焊設備，一般有3 個保養(yǎng)維護模塊：助焊劑噴涂模塊、預熱模塊和焊接模塊。

3.1 助焊劑噴涂模塊的維護與保養(yǎng)

助焊劑噴涂針對每一個焊點進行選擇性噴涂，正確的維護可以保證其穩(wěn)定的運行和精度。在噴涂過程中，一般會有少量助焊劑殘留在噴嘴上，其溶劑揮發(fā)后會產(chǎn)生凝結。因此，在每次開機生產(chǎn)之前，需要用蘸了酒精或其他有機溶液的無塵布來清潔噴頭和周圍，清除掉噴頭的助焊劑殘留，避免噴頭被堵住致使在連續(xù)生產(chǎn)中前幾塊板的噴涂不良。

需對噴頭進行徹底保養(yǎng)的三種情況：（1）設備連續(xù)運行達3 000 h；（2）設備連續(xù)運行1年；（3）設備停工一周后重新開始投入生產(chǎn)。徹底保養(yǎng)時要注意對噴頭內(nèi)部的清潔，其霧化裝置最好使用超聲波清洗。在使用超聲波清洗前，清潔溶液加熱到65 ℃左右，這樣可以增強去污能力。同時，還要徹底檢查噴涂模塊的管路和密封部件。

3.2 預熱模塊的維護保養(yǎng)

每次設備開機使用前都要檢查預熱模塊，看看高溫玻璃是否有破裂和皴裂，若有要及時更換。如果沒有則需用軟棉布蘸水或酒精擦去其表面的污染物。當其表面有頑固的助焊劑殘留時，可使用專用的清潔液對其表面進行清潔。

在預熱模塊中，熱電偶用來測量預熱溫度，有著很重要的作用。一般情況下，熱電偶與加熱管平行安裝。在使用過程中，如果熱電偶與加熱管不平行，要檢查其是否發(fā)生損壞，需要時及時更換熱電偶。

3.3 焊接模塊的維護保養(yǎng)

焊接模塊是選擇焊機器上最精密最重要的模塊，它一般由位于上部的熱風加熱模塊、中間的運輸模塊和下部的焊接模塊部分組成，其工作狀態(tài)直接影響到線路板焊接的質(zhì)量，所以其維護保養(yǎng)也是非常重要的。

當波峰開始運行時，如果噴嘴沒有完全被焊錫浸潤，則沒浸潤的部分會使焊錫流動受阻，波峰的穩(wěn)定性和焊接的精密性會受到很大的影響。此時要及時進行噴嘴去氧化工作，否則噴嘴會迅速氧化并報廢。

波峰焊的過程中會產(chǎn)生一定量的氧化物（主要是錫灰和錫渣），當其過多時會影響錫流動性，它是造成空焊和橋連的主要原因，同時還會堵塞氮氣口，降低氮氣保護作用，使焊錫迅速氧化。因此在焊接過程中要注意清除錫灰錫渣，還要檢查氮氣出氣口是否堵塞。

4 選擇性波峰焊技術的前景

目前，為了進一步改善焊接品質(zhì)，提高焊接效率，選擇性波峰焊系統(tǒng)也一直處于改進與優(yōu)化進程之中。根據(jù)各企業(yè)的生產(chǎn)實際情況，其預熱模塊配備了多種加熱單元，如熱風對流及長波，中波，短波等多模塊加熱方式，并可以聯(lián)合使用以提高預熱效果。同時，針對不同的焊接引腳，焊接模塊正由單噴嘴焊接方式向多噴嘴焊接方式轉(zhuǎn)變，通過多噴嘴同時運動方式來成倍的提高生產(chǎn)效率，并可選用多種波峰大小與高度，多區(qū)域可編程的靈活焊接方式來提高焊接效果，選擇性波峰焊必將擁有越來越廣闊的發(fā)展前景。

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