选择性焊接工艺

根据产品的全部要求,你可在选择性拖焊或浸焊工艺中选用其一。
1.           引 言
在你的电子制造厂中，是否正在计划采用选择性焊接工艺？如果回答是的。那么有两个错误的看法必须纠正。第一个是认为采用选择性焊接工艺，只要买一台合适的选择性焊接设备就可以了，其实不仅如此，工艺要比设备更为重要。
所有的选择性焊接工艺都有其特殊性，需要专用的加工方法及焊接工具。要满足这些要求，用户必须完全懂得工艺，与供应商间建立相互沟通的良好联系，及对生产中发生的任何问题和要求作出快速反应的技术支持系统。
第二个错误看法是选择性焊接仅仅是一些变异的波峰焊，其实这两者存在很大差别。也许最大的差别是；波峰焊是整块PCB板，包括不需要焊接的部位完全通过高温焊锡波峰。而选择性焊接只是需要焊接的器件等部位与熔融焊锡接触，而PCB板材料本身导热料性能较差，选择性焊接就能为邻近的器件及PCB区域不会受到焊接的高温影响。
选择性焊接工艺的缺点是；例如，连接器件外排插针与内排插针相比，前者向PCB传导的热量要多得多；这样使得外排插针的温度偏低，在连接器的内外排插针间出现温度差（ΔT）。由此，焊接工艺必须优化，保证连接器的外排插针能达到可靠的焊接质量。
成功的选择性焊接需要全新的传动方法，因此对焊接工艺的了解以及设备如何满足这些要求是用户与供应商间建立良好沟通关系相互协商一起工作的关键。
2.           何为选择性焊接?
PCB板上插装的一些通孔器件,其引脚在PCB底面被选择焊接，不像波峰焊，PCB承载在传送带上，被传动通过固定的焊锡波峰。选择性焊接是使用机械机构在焊嘴或工具上单独移动每块PCB板完成焊接工艺。
选择性焊接有两种不同工艺；拖焊工艺，浸焊工艺焊接PCB上各别部位或器件。
选择性焊接设备的机械臂能全方向移动每一块PCB到需要焊接的部位，如（图 1 ）所示，焊锡造波器固定安装，PCB在其上面移动焊接。
图1 PCB承载机械臂
对各种PCB及器件，焊接工具是专用定制，规格的变化也大。这也可看作选择性焊接增加成本的缺点，所以焊接工具应创新及可变性，具有更大的灵活性能满足各种PCB设计的要求。但焊接工具并非唯一，PCB的设计应与焊接工艺适应，电子制造厂应与PCB设计者相互协商一起工作。
选择性焊接另一个优点是；对每块PCB，直至器件编制专用焊接程序文件。且为实现焊接质量的重复性，一致性。系统能自动对一块PCB板，一批PCB板，生产批量进行编程。
3.           焊接工艺的设置
在选择性焊接工艺中,只有通孔器件被焊接。关键的因素是焊接过程对周边邻近SMD器件及PCB基材的影响减小到最低程度。每块PCB的布局布线设计及PCB材料不同，因此选择性焊接设备可使用系统软件进行工艺配置。
选择性焊接工艺有两种不同工艺；拖焊工艺，浸焊工艺。
简单地讲，选择性拖焊工艺是在单个小焊嘴焊锡波上完成的。拖焊工艺适用于PCB上非常紧密的空间进行焊接。例如；个别的焊点或引脚，单排引脚能进行拖焊工艺。PCB以不同的速度及角度在焊嘴的焊锡波上移动达到最佳的焊接质量。（图 2 ）
图 2  PCB 下方单焊嘴选择拖焊工艺
 
对比之下，选择性浸焊设备装有一块专用焊嘴定位板，整块PCB板浸在板上，（图 3）所有焊点一次操作完成。
图 3 选择浸焊工艺的专用焊嘴定位板
 
多焊点一次完成焊接，但因每块PCB设计的不同，需要各自相配的专用定位板，这是与波峰焊工艺最大区别。
当然，被焊接的器件的引脚必须涂布助焊剂，PCB不需要焊接的任何部位，则不必涂布。于是，根据焊接工艺可选用点滴焊剂喷涂器。使用选择型焊剂喷涂器，单头或双头喷涂器固定安装，PCB在其上面通过。一种多点助焊剂喷涂器，PCB固定安装，喷涂头在PCB下方移动，在予编程位置进行焊剂喷涂。
焊接工艺的流程由用户定义，通常，典型焊接工艺的流程是；涂布助焊剂，予热，浸焊或拖焊。然而，有些情况，免去予热，或直接选择拖焊。另一种工艺流程是；予热，涂布助焊剂，予加热，焊接。
4.           PCB设计新规则
1.                                                                                                                                                选择性焊接工艺的主要目的是避免高温影响SMD器件及邻近PCB基材。
 
多年来，对波峰焊工艺必须进行优化，且PCB设计采用与之适应的一些规则。同样，由于拖焊与浸焊工艺特性的不同，应建立新的设计规则。
4.1            单嘴焊锡波拖焊工艺
选择拖焊工艺,可使用下列参数设置;
l         焊锡温度275-300℃
l         拖拉速度10-25mm/s
l         倾斜角  10°
l         激波泵速率 按被选焊嘴规格定
单拖焊波工艺可用于选择-浸焊工艺。为保证焊接工艺的稳定，焊嘴的内径小于6mm。焊锡熔液的流向被确定后，为不同的焊接需要，焊嘴按不同方向安装并优化。机械臂可从不同方向，及0°-12°间不同角度接近焊锡波。于是用户能电子组件上焊接各种器件，对大多数器件，建议倾斜角为  10°。
与浸焊工艺相比，拖焊工艺的焊锡熔液及PCB板的运动，使得在进行焊接时的热转换效率就比浸焊工艺好。然而，形成焊缝连接所需要的热量由焊锡波传递的。但单焊嘴的焊锡波质量小，只有剥喊锡波的温度必须相对高，才能达到拖焊工艺的要求。例；焊锡温度为275-300℃，拖拉速度10-25mm/s通常是可以接受的。在焊接区域供氮，以防止焊锡波氧化。焊锡波消除了氧化，使得拖焊工艺避免桥接缺陷的产生，这个优点增加了拖焊工艺的稳定性与可靠性。
焊锡波的高度必须加以控制，因此，锡槽内的焊锡平面应定期测量。自动焊锡添加装置帮助焊锡平面始终保持一致。而且激波泵速率也应控制，使得焊锡波高度保持恒定。
焊锡波流动方向的设置由焊嘴设计决定的。PCB批量焊接在开始之前，如首件器件的插针被浸湿润，焊锡熔液应以正确方向流动。非湿润的插针会造成在焊嘴的背面焊锡熔液的过溢。如PCB浸入深度太大，也会造成焊锡熔液在焊嘴背面的过溢。
例；由于焊锡波温度高，PCB板发生下沉，造成过浸现象。为防止下沉，采用PCB支承装置。
拖焊工艺除了这些优点外，其主要缺点是焊接周期长。为满足特殊应用要求，将浸焊工艺设备串接焊嘴成拖焊工艺使用。浸焊具有某些拖焊不具有的功能，两者组合起来就可建立焊接时间极短稳定的焊接工艺。
拖焊工艺因焊锡波的高度，使得器件引脚长度受到限止。引脚的最佳长度小于2mm，但引脚长度大到4mm也是可能的。引脚伸出长度最小允许值视PCB设计定，单面PCB板；引脚长度不小于1mm，其他PCB设计；引脚长度不小于0.7mm，可符合焊点检查的要求。
器件直引脚伸出长度大于1mm，在机器焊接中，不可能在焊点上积累更多的焊锡，所以也不可能对焊点增加强度。
为建立一个稳定的工艺质量，已焊接的焊点边沿与相邻器件或未焊接的焊点间的距离应大于等于3mm。从拖拉焊锡波下拉方向，此距离必须大于4mm。
4.2            多嘴焊锡波浸焊工艺
选择浸焊工艺,可使用下列参数设置;
l         焊锡温度275-300℃
l         浸入速度20-25mm/s
l         浸入时间1-3sec
l         浸后速度2mm/s
l         激波泵速率 按被选焊嘴数量定
使用多个焊嘴的焊接工艺是浸焊工艺，似乎浸焊好象是简单地将PCB浸入焊锡熔液中然后取出，但并非如此，可用选择浸焊工艺自有的特性来表述其原理。在待焊器件涂布助焊剂及予热时，焊嘴使用一块玻离板复盖，在其下面保持一层惰性气体。焊锡的所有氧化物被清除，且焊嘴内的焊锡温度保持不变。
在浸焊工艺中，焊锡波的高度及焊锡温度要求严格。全部焊嘴的温度应该相同，焊锡波的高度一致。支承针可用于防止PCB材料的弯曲变形。
最简单的浸焊工艺是将PCB浸入焊锡中。在焊接时，焊锡熔液不过溢到焊嘴的边缘，否则周边器件可能与焊锡接触。
第二种方法是当PCB向下浸入时，焊锡高度保持在焊嘴边缘下，直到与边缘相接触。接下激波泵速率增速，将焊锡提升与PCB接触，然后激波泵速率减速，PCB离开焊锡。PCB待留时间内，激波泵速率不能太大，防止氧化物沉积。离开速度须优化，以防桥接发生。
焊嘴的尺寸尽可能大，保证焊接工艺的稳定，不影响PCB上的周边相邻器件。这一点对设计工程师来讲是重要的，也是困难的，因为工艺的稳定性可能取赖于它。
焊嘴板尺寸加工精度小于0.1mm。为减少温度的影响，可使用几种计算方法补偿。
使用选择浸焊工艺，可焊接0.7mm-10mm的焊点。短引脚及小尺寸焊盘的焊接工艺更稳定，桥接可能性也小。相邻焊点边缘，器件及焊嘴间的距离应大于5mm。
5.           不同工艺的实验结果
从选择性焊接工艺得到的实验结果与波峰焊是不同的。由于拖焊与浸焊工艺的供热特性及PCB热传递形式的不同，两者也存在差别。
在波峰焊工艺中，PCB予热为焊接工序作准备。在选择性焊接工艺中，予热是为了减少PCB上的温度差（ΔT），PCB只是需焊接的部份与焊锡接触，并非整块PCB板。因此全部热量对整块PCB板影响很小，减少了热应力对PCB造成缺陷问题的可能。
使用拖焊工艺，工艺实验确定PCB通过焊锡波的最佳速度。在浸焊工艺中，待留时间的定义是焊锡熔液与PCB焊接器件相接触的持续时间。
待留时间与焊锡温度决定了焊接区域的全部热量流，这些参数对通孔中焊锡的良好穿透是有影响的。浸焊工艺的设置包括；对不同温度及材料，变更待留时间，由此得到某PCB的最佳待留时间。
5. 待流时间的确定
通过浸焊连接器插针焊接实验得到优化的待留时间。在焊接前后，对PCB板称重，这两个重量之差就是焊锡的重量。实验用的连接器去插针的镀层（Ni/Au），PCB有机可焊性涂复层（OSP），热风整平(HASL)
焊锡温度分别为270℃/300℃, 270℃的实验结果如图4所示;
图 4 270℃的实验结果
 
在电子产品的焊接工艺一文（In Soldering in Electronic）中，Wassink解释道；（PCB样板厚1.6mm,焊盘直径1.5mm）焊点的上焊锡量界限/下焊锡量界限由于液相压力的不同,其比为1.25-0.69。据此，通孔的灌锡百分比可计算得到（表 1）。
                                表 1  通孔灌锡百分比
                          
此数据显示；在浸焊工艺中，对1.6mm后PCB板较短的待留时间可达到可靠的焊接质量.较短戴流时间另一个好处,助焊剂仍稳定可防止桥接的发生。
6.   结 论
今天的选择性焊接工艺能适用于无铅焊料及铅锡焊料.此工艺具有很高的灵活性,先进的控制及自动化能力。其工艺的稳定性及宽大的工艺调整窗口可适用于无铅焊料的焊接。选择性焊接工艺提供产品高质量，高重复性及高可靠性。