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选择性焊接系统的优点和技术分析

导言

电子工业,包括元器件领域的迅速发展,逐步使电子产品提高功能和小型化成为可能。例如移动电子产品,全球化的竞争促使这类产品的制造商们通过缩短其产品的市场反应时间来应对客户对产品不断增长的期望和新要求,从而激化了挑战。但是全球化竞争也使企业承受了巨大的降低成本的压力。面对不断提高的质量要求,生产成本和资金消耗的降低是个永恒的课题。

似乎这还不够,不断出台的全球环境保护的法律规范也在给电子产品制造商设置障碍。对于消费类产品,另一个问题是产品需求的季节性波动,只能通过灵活多变的生产来解决。

摆在企业面前的这些严格的要求自然反映在生产设备上,这也正好说明了为什么在过去几年中,选择性焊接技术会在电子生产领域比其它工艺发展得更迅速。由于无铅焊接技术的要求,新的生产工艺问题在不断出现。例如,无铅焊接工艺需要更高的焊接温度;无铅焊料冷凝得更快;金属,如铜在无铅合金焊料中要比在锡铅焊料中溶解得快。这些更严苛的条件意味着,生产中需要合适的焊接设备来有效、可靠地应对无铅焊接所带来的腐蚀性。埃莎的VERSAFLOW系列一贯坚持其特性必须符合无铅选择性焊接工作艺的要求,并向用户提供了针对各种类型选择性焊接应用的多种产品选择范围。

质量方面

从根本上说,质量问题已促使选择性焊接成为一个不可缺少的工艺。生产工艺和参数在应用中是必需的,一致性也是一个方面,人工焊接因而落伍了,因为一个好的工艺在人工焊接中很难完全重复,完全依赖于操作者的主观能力。焊接结果还受到烙铁头磨损的影响。还有一个重要因素是烙铁头上的高温。遗憾的是对人工焊接工艺的研究显示,许多操作者根本没有意识到烙铁头温度和接触时间会影响到基材和焊点的形成。焊台也经常被设置在最高温度,因为这样焊接会很“快”,众所周知,“时间就是金钱”。而这可能会导致低质量高成本的生产工艺,以及不良的工艺重复性。如果遇到敏感的器件和PCB板,这样会极其危险。而且从视觉上来说,人们在看一个成品时,很难区分人工焊接的焊点和返修过的焊点之间的区别。

在要求高质量和高可靠性的组装电路板领域中,如汽车行业的安全装置的组装电路板,使用人工焊接工具的焊接是不允许的。事实上,在这些应用中人工焊接被视为影响质量的风险。

与波峰焊相比,选择性焊接工艺也具有更多的优势。一方面,由于可以对逐个焊点或器件进行精确的参数设定,焊接缺陷几乎不存在了。另一方面,精确设置过的助焊剂喷涂,只施用于焊盘和插脚上,可以确保PCB板的高洁净度,无须另外清洁。

另外,在用波峰焊焊接双面PCB板时,锡槽中升高的焊料温度经常会使顶部器件重复熔化。在与焊锡波接触中发生的PCB板弯曲会导致多点SMD器件在冷却过程中的机械应力。这对BGA器件很重要,因为这个应力是无法通过视觉检查、ICT或功能测试识别的。      这样,产品在使用中发生故障显然是由不良焊接造成的。而另一方面,选择性焊接则只将热传导到需要焊接的焊盘和插脚处,这样就极大地消除了电路板弯曲造成的缺陷。

这些特性在使用无铅焊料和水溶性助焊剂时也尤为重要。

由于无铅焊接需要相对高的温度,多重焊接过程给器件和基材带来更大损害,会超出允许的范围。这都是由于无铅焊料更高的熔解温度和许多器件的熔解温度和许多器件的耐热温度限制引起的。这样就会缩小熔点(217-227)和工作温度(260-280)之间的温差,从而显著地缩小工艺窗口。

选择性焊接工艺中出色的喷嘴设计可使焊接参数对应确定的焊点,而无须让整个组装件承受不必要的热应力。这样可以基本上消除损坏表面贴装器件的风险。

鉴于其工作方式,选择性焊接在相对低的温度下可以减少铜的溶解。锡槽中铜的溶解性所导致的扩散在无铅焊料中要远高于锡铅合金焊料,扩散率取决于焊接温度、接触时间和波峰和动态性。测试明确显示了具有高效的预热系统的选择性焊接设备可以在相对低的焊接温度下工作。有了选择性焊接工艺,可以在提高通孔填充时减少铜的溶解。

经济效益

选择性焊接工艺得以快速传播的原因除了上述的质量优点以外,还归功于它的经济效益。

以前一直用波峰焊来焊接THT(通孔技术)器件的公司现在也开始改用选择性焊接,这主要是由于资产成本和技术利益之间的差异推动的。组装电路板中通常是99%SMD器件和少数的异形器件,如连接器、变压器、继电器、电解电容器等,这些器件的组装都是由SMT以外的设备和加工系统协同全套波峰焊生产线来补充完成的。高能量、更多的厂房要求以及大量的助焊剂、焊料和氮气的消耗,使波峰焊工艺过程很不经济。在不得不使用复杂的阻焊掩模板来保护PCB焊接面上的器件避免接触到助焊剂和焊料时,这一矛盾就更为突出。

相对于传统的波峰焊,选择性焊接的电力、焊料、助焊剂和氮气消耗降低了很多。在一个具体的个案研究中,通过生产一块通讯电路板,对比从前使用的波峰焊工艺生产,来计算选择性焊接节约的成本。装配总共需要焊接26个有引线器件,220个焊点。结果是,选择性焊接大大降低了能量和耗材的消耗:

助焊剂消耗-97%

锡渣-95%

能量需求-51%

氮气消耗-92%

这些是选择焊接技术具有代表性的数据,可以证明能节省大量成本。下面这个图表比较了使用一台传统波峰焊设备、一台氮气波峰焊设备和一台选择焊设备所产生的运营成本。波峰焊的这个成本还不包括用来做选择焊接的阻焊掩模板。这些阻焊掩模板是不可缺少的,由于它们阻碍组装电路板的均匀预热,增加了组装电路板上的污染和助焊剂残留,需要更多的人工处理。此外,其紊乱的焊料流动也导致了焊接缺陷的增加。

选择性焊接系统技术

助焊剂系统

当今电子产品要达到的严格质量标准表现在所使用的助焊剂上,特别是对于焊接后的残留来说,这些质量要求推动了不同类型“免清洗”助焊剂的发展,焊接后在PCB上留下最少残留。最基本的减少助焊剂残留的方法是精确控制焊接过程中每个焊点的助焊剂使用量。过量的使用助焊剂会导致过量残留和污染。

助焊剂残留问题通常必须认真对待,并在产品质量控制中考虑进去,因为在特定的气候条件下它会导致焊接失败。许多类型助焊剂的一个关键的要素是会长期不断降低电路板的表面阻抗,特别是在较小器件细间距的位置。

埃莎VERSAFLOW选择性焊接系统可实现助焊剂最小面积的精确应用。这只有使用合适的喷头来形成微小的点滴直接滴在焊点上来实现。类似的方法采用工业喷墨技术,代替通常采用的助焊剂雾化方式。PCB技术的变化为此类系统的推广应用起到了推波助澜的作用。PCB上用作键盘功能的铜箔触点,不是作为焊接的焊点,在任何情况下,甚至胶带封接面和COD接合表面也不能被焊料或助焊剂残留所污染。

电路板被置于X-Y轴系统的喷头下,其移动顺序被储存在焊接程序中。有2个喷头可供选择使用,在混合生产线中可以使用2种不同的助焊剂。

如果将选择性焊接、人工焊接和使用阻焊掩模板的波峰焊所焊接的电装板的洁净度做个比较,结果是显而易见的。如果要获得选择性焊接工艺所达到的洁净度,其他两种工艺的成本将高得多。

预热

预热方法及其参数是根据组装电路板的焊接热量要求选定的。预热的要求对于组装一些简单的THT器件的单面和双面PCB并非很重要。越复杂的装配,如多层板,包括不断增加的内层数,大型器件及不同器件规格,都要求预热系统有极好的灵活性。特别是大量不同的组装电路板在一条生产线上混合生产中,不允许改变预热曲线的设置从而导致延迟整个系统的生产周期。

在组装电路板已单面或双面组装了SMD器件并经回流工艺完成了焊接。选择性焊接系统的预热和焊接工艺仍要考虑SMD器件的规范,以防止加热引起的损坏。此时,尤为重要的是按照器件的规格观测温度曲线斜率和器件对焊接过程的耐热性。

在预热阶段,根据装配器件的工艺要求,组装电路板的加热不仅迅速有效,更要小心谨慎。对于多层PCB,已经证实顶部的补热是很有效的。双面加热不会导致能量的损失,组装电路板可被极其有效地迅速预热到高温。

公司的内部测试显示,采用一致的预热观念,特别是通过使用顶部加热器,埃莎的VERSAFLOW可以降低无铅工艺的焊接温度,同时改善通孔的填充。降低焊接温度的主要优点是减少选择焊接焊点的焊盘上铜的分解置换。

组装电路板的加工是在选择性焊接设备的独立模块中静态下进行的,按预定周期时间从一个模块移动到另一个模块。周期时间取决于最长的工艺时间,通常由焊接过程决定。由于预热是处于静态下,因此减少了预热段的预热模块数量。选择性焊接设备因此比传统的波峰焊设备占用更少的厂房面积。

焊接模块

对于选择性焊接工艺来说,通常有两种方法,设备既有间波焊接模块,也有多波焊接模块,是根据电路组装板上选择焊点的位置,通过焊接喷嘴的尺寸和数量变化来选用的。这些焊接喷嘴模板是根据产品特性来设计的,并可以同时焊接选择焊接的所有焊点。两种设备都有其一定的优点,选择使用哪种设备取决于生产线的生产观念。多波峰焊接设备的生产周期很短,但是应用不够灵活。单波峰焊接设备因其易改变的可编程的动作顺序使得应用非常灵活,尽管组装板上的器件一般是按顺序焊接的。

下一部分将介绍单波峰设备的具体要求。在实践中,由于很多组装电路板的装配密度,我们很少意识到选择焊点周围的间隔面积。

在非常小的面积进行可靠焊接的先决条件是一直持续的焊料波峰高度和焊点上准确的波峰位置。为了尽可能缩小润湿面积,经常要避免使用单一流向的焊接喷嘴。因此,埃莎VERSAFLOW的焊接喷嘴都具有润湿表面的圆形尖端。此润湿表面使焊料可以全向均匀流动。只有这一技术才能确保在非常小的布线面积上可靠地、一致性地工作,并且有效避免桥连,因为多余的焊料会通过润湿的喷嘴表面从焊点上流出。

从技术角度来讲,这个技术提供了一个深层的决定性的优点,焊接喷嘴的焊料的润湿力施加了一个额外的向下压力,从而帮助焊料因自得而剥离。对比只向一个方向流出的焊料波,这种效果结合焊料波可均匀地全向流出的事实,意味着大面积的布线间隔(如连接器底部条状焊盘)不再必要了。同时,采用了这一技术的工作区是完全水平的,组装电路板不必以一定的倾角运动来排出多余焊料。焊料波全向排出还有一个更深层的优点是器件在组装电路板上无论其方向如何都可以焊接,不必像其他系统受制于焊接工艺而转换方向。

由于焊点上热能的不同断传导和焊料的持续流动,有利于无铅焊接工艺提高的能量需求,便于设置较低的焊接温度。焊料待机液位平面和焊料波峰工作高度之间不存在温度波动,因为即使在待机状态,焊接喷嘴也是被焊料润湿且不会冷却。

焊料缸本身也为了获得最小的焊料面积和储锡量而做了优化。并由氮气保护而呈惰性使焊料氧化降到最低。当焊料流出锡缸,氮气就集聚在焊料波上,为焊接工艺形成理想的惰性气体环境。较小的锡缸表面积可以减少对无铅合金焊料的侵蚀,10公斤左右的小容量将使用户为更换昂贵的无铅焊料锡缸支出的投资更少。焊料电磁泵是为了持续输送精确的最少量焊料和无机械运动机件而设计。它大大简化了锡缸的维护,将维护费用降至最低。

未来和前景

选择性焊接的起源是显而易见的-它可以追溯到十年前混装技术PCBSMTTH)发展得很普遍的时候,使我们从冶金学及PCB产和的应力的角度来关注两次PCB整体加热引起的质量问题。究竟该选择什么呢?最简单和灵活的自然是人工焊接,但这会造成劳动力成本的增加和难以实现的致性。更好的“工艺控制”方式是波峰阻焊掩模板,但是不够灵活且成本也很高。

埃莎VERSAFLOW选择性焊接技术于1998年开始进入市场,现在已被完全应用于PCB的生产线中。一致性的焊点质量和最高的产量不再需要牺牲灵活性就能实现了。随着无铅焊的应用,选择性焊接的地位改变了,更高的焊接温度和更小的工艺窗口引发了更多的工艺风险,为了降低这些风险,今天的PCB生产需要一个一致性的、可追溯的、自动化的生产工艺。这个质量趋势最初是由高质量标准的汽车行业驱动的。100%的一次通过率、六西格玛质量管理和自动或自校正工艺是未来的发展主流。图像处理硬件和软件中的进步所提供的创新技术使设备可以在特定的工艺窗口中运行。偏差会在工艺结果超出公差范围前被发现和纠正。对于GUI图形用户界面及编程复杂性的设备软件的改进,必须设计得简单易用,降低对操作者的技能依赖!今天,设备技术水平可以媲美于模糊逻辑控制。明天,我们行业设备的未来必将走向人工智能化。μm

那么选择性焊接的前景是什么呢?简而言之,所有的选择性焊接应用最终达到100%的一致性和可追溯性是最主要的目标。每块PCB板上的每个单独的焊接接点的质量都由设备的自动化工艺确保。全自动选择性焊接设备一定会从现在的生产线设备发展到明天的独立工作单元,最终成为未来的工作平台。

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