- 選擇性波峰焊迅速發展的主要原因
- 選擇焊帶來高品質低成本
- 采用選擇性噴涂、頂部預熱模塊
- 線路板傳送系統精度高
現代焊接技術的發展歷程中，經歷了兩次歷史性的變革。第一次是從通孔焊接技術向表面貼裝焊接技術的轉變，第二次便是我們正在經歷的從有鉛焊接向無鉛焊接的轉變。雖然目前表面貼裝技術已成為電子產品組裝技術的主流，但是由于以下一些原因，通孔焊接技術在電裝行業仍占有一席之地：
1. 一些連接器、傳感器、變壓器和屏蔽罩等通孔元件的使用仍是難以避免的；
2. 由于成本原因，不少企業在元器件的選擇上仍會考慮通孔器件；
3. 在某些可靠性要求非常高的行業，例如國防軍工，汽車電子和高端通訊傳輸，為了追求焊點在極限條件下的可靠性，通孔器件仍是最佳選擇。（表面貼裝的焊接是在一個面上完成，而通孔器件的焊料則包裹了整個引腳，力學可靠性更佳。）
由于上述原因，在表貼和通孔焊接技術的選擇上出現了這樣兩個方向：
1. 線路板上所需焊接的通孔器件越來越少；（見圖1 ）
2. 通孔器件的焊接難度越來越大（大熱容量的電路板和細腳間距的器件），可靠性的要求也越來越高。（見圖2）
圖1 整塊線路板上僅有兩個通孔器件的焊接
圖2 熱容量非常大的黃銅器件的焊接
在處理通孔器件的焊接時，目前采取的主流焊接技術有手工焊接，波峰焊焊接和選擇焊焊接。讓我們簡單對這些技術做一些分析。
手工焊接技術由于具備成本低，靈活性強的優勢，在大多數的行業中仍在被廣泛采用。但是手工焊接在可靠性要求高，焊接難度大的行業，則由于以下原因受到相當的制約：
1. 烙鐵頭的溫度難以精確控制。
烙鐵頭溫度過低容易造成焊接溫度低于工藝窗口的下限而形成冷焊，虛焊。同時由于烙鐵的熱回復性畢竟有限，也非常容易導致金屬化通孔內透錫不良。烙鐵頭溫度過高則容易使焊接溫度高于工藝窗口上限而形成過厚的金屬間化合物層，從而導致焊點強度下降，同時還有可能造成焊盤剝落而使線路板報廢。
2. 焊點質量的好壞往往受到焊接操作者的技能，心情和情緒的影響而變得較難控制。
3. 中國的勞動力成本迅速上升，勞動力相較機器設備的成本優勢正在逐漸喪失。
[page]波峰焊設備發明至今已有50多年的歷史了，在通孔元件電路板的焊接中具有生產效率高，產量大，自動化程度高等優點，因此曾經是電子產品自動化大批量生產中最主要的焊接設備。但是在實際生產應用中，波峰焊焊接也存在一定的局限性：
1. 同一塊線路板上的不同焊點因其特性不同（熱容量，腳間距，透錫要求），其所需的焊接參數也可能大相徑庭。但是波峰焊的特點則是使整塊線路板上的所有焊點在同一焊接參數下完成焊接，不同焊點對焊接參數需要彼此“將就”。這樣的特性使波峰焊較難完全滿足高品質線路板的焊接要求。
2. 波峰焊在實際應用中比較容易出現的問題：
a. 整塊線路板由于熱沖擊過大容易造成板子變形而使線路板頂部的原器件焊點開路；（見圖3 ）
圖3線路板變形而導致QFP器件出現開路
c. 焊好的熱敏器件（電容，LED等）容易因溫度過高而損壞；
d. 為防止上述現象出現而使用的工裝夾具容易形成焊接陰影而造成冷焊。
3. 波峰焊較高的使用成本
在波峰焊的實際使用中，助焊劑的全板噴涂和錫渣的產生都帶來了較高的使用成本。尤其當使用無鉛焊料時，由于無鉛焊料的價格是有鉛焊料的3倍以上，錫渣產生所帶來的使用成本增加是驚人的。此外，無鉛焊料不斷溶解線路板焊盤上的銅，時間一長便會在錫缸中產生晶須（銅），這需要我們不斷添加昂貴的錫銀來加以解決。（見圖4）
圖4波峰焊錫缸中的“積銅”現象
生產中殘余的助焊劑會留在波峰焊的傳送系統中，生產中產生的錫渣需要不斷除去，這些都給波峰焊的使用者帶來較為繁復的設備維護與保養工作。
5 線路板設計不良給生產帶來的困難
有些線路板在焊接時，由于設計者沒有考慮到生產實際情況，無論我們采取什么樣的波峰焊參數，采用什么樣的夾具，焊接效果總是難以讓人完全滿意。比如某些關鍵的地方還是有透錫不良，或者橋連。 波峰焊后續的補焊必不可少。
讓我們進一步看一下全球電裝行業所面臨的新挑戰：
• 全球競爭迫使生產廠商必須在更短時間里將產品推向市場以滿足客戶不斷變化的新要求；
• 全球競爭迫使生產廠商在提升品質的前提下降低運行成本；
• 無鉛生產已是大勢所趨；
• 產品需求的季節性變化要求靈活的生產制造理念。
這些挑戰都自然地反映在生產方式和設備的選擇上。這也是為什么選擇性波峰焊在近年來比其他生產方式都發展得快的主要原因。當然，無鉛時代的到來是另外一個原因。無鉛焊接所需溫度高，焊料可焊性和流動性差，焊料的溶銅性強。ERSA早在1995年就預見了這些趨勢并發明了全世界第一臺選擇性波峰焊。最新的ERSA Versaflow系列選擇焊更是完全滿足了無鉛需求，提供給用戶全系列的選擇焊設備以寬泛滿足所有產品對選擇焊的需求。
[page]選擇焊所帶來的高品質
由于使用選擇性波峰焊進行焊接時，每一個焊點的焊接參數都可以“度身定制”，我們不必再“將就”。工程師有足夠的工藝調整空間把每個焊點的焊接條件（助焊劑的噴涂量，焊接時間，焊接波峰高度，波峰高度）調至最佳，缺陷率由此降低，我們甚至有可能做到通孔器件焊接的零缺陷。
選擇焊只是針對所需要焊接的點進行助焊劑的選擇性噴涂，線路板的清潔度因此大大提高，離子污染量大大降低。助焊劑中的NA+ 離子和CL-離子如果殘留在板子上，時間一長會與空氣中的水分子結合形成鹽從而腐蝕線路板和焊點，最終造成焊點開路。因此，傳統的生產方式往往需要對焊接完的線路板進行清潔。而選擇焊則從根本上解決了這一問題。
圖6不同焊接方式的助焊劑殘留量比較
圖7熱沖擊下BGA剪切應力的產生
圖8剪切應力造成的BGA分層和微裂縫
選擇焊所帶來的低運行成本
選擇焊的低運行成本是其迅速受到生產廠商歡迎的重要原因。
前面已提到過，現在的線路板往往有可能通孔器件的焊接只占整體線路板焊接的一小部分。在這樣的情況下，選擇焊的成本優勢體現在如下幾個方面：
• 較小的設備占地面積；
• 較少的能源消耗；
• 大量的助焊劑節省；
• 大幅度減少錫渣產生；
• 大幅度減少氮氣使用量；
• 沒有工裝夾具費用的產生。
在一個具體的實際案例中，我們分別用選擇焊和波峰焊對２６個有鉛器件的２２０個焊點進行了焊接，我們對使用成本做了如下比較：
• 助焊劑消耗量 選擇焊節省９７％
• 錫渣產生 選擇焊減少９５％
• 能源消耗 選擇焊節省５１％
• 氮氣消耗 選擇焊節省９２％
選擇焊設備的構造及技術要點
助焊劑噴涂系統
選擇焊采用選擇性噴涂，即助焊劑噴頭根據事先編好的程序到線路板指定位置僅對需要焊接的點進行助焊劑噴涂（含點噴和線噴），不同焊點的噴涂量應能程序調節。由于是選擇性噴涂，因此選擇焊不同于波峰焊，不僅助焊劑用量大大節省，同時也避免了助焊劑污染。
同樣因為是選擇性噴涂，所以助焊劑噴涂的精確性非常重要，這對助焊劑噴頭的驅動方式提出了較高要求，同時助焊劑噴涂也應具備自動校準功能。
另外，助焊劑噴射系統中，在材料的選擇上必須能要考慮到ＶＯＣ Ｆｒｅｅ助焊劑（即水溶性助焊劑）其強大的腐蝕性 ，系統中，凡有可能接觸到助焊劑的地方，都必須能承受其強大的腐蝕性。
預熱
預熱模塊的關鍵在于安全，可靠。
首先，整板預熱是很關鍵的。整版預熱可以有效防止線路板的不同位置受熱不均而造成線路板的翹曲和變形。
其次，預熱的安全可控非常重要。預熱的主要作用是活化助焊劑。由于助焊劑的活化是在一定溫度范圍下完成的，過高和過低的溫度對助焊劑的活化都是不利的。此外，線路板上的熱敏器件也要求預熱的溫度可控，不然熱敏器件將很有可能被損壞。
頂部預熱模塊的使用
當我們焊接大熱容量和多層線路板時，頂部預熱模塊的使用至關重要。頂部預熱有兩種方式，一種是紅外預熱，一種是熱風預熱。 由于線路板頂部一般會有不同高低不同的元器件，為防止預熱陰影，建議最好采用熱風對流的預熱方式。（見圖9）
圖9 頂部熱風預熱模塊
[page]在焊接大熱容量和多層線路板時，光有底部紅外預熱是不夠的。由于熱容量大，底部熱能很難完全傳遞到線路板上方，焊接時焊料在從底部向頂部滲透的過程中溫度越來越低，最終焊料凝固而不能達到ＩＰＣＩＩＩ標準所規定的７５％以上透錫。對于無鉛焊接，焊料流動性差，這樣的問題就愈發突出。而頂部熱風預熱可以很明顯地改善透錫效果。（見圖10）
圖10采用頂部熱風預熱可以改善透錫效果
在線路板進入焊接模塊后，整個焊接的完成需要一定時間。當我們焊第一個焊點時，溫度可能是理想的，但當我們焊最后一個焊點時，有可能溫度已經偏低了。為了使所有焊點都在理想的溫度下完成焊接，可以考慮在焊接模塊上方添加頂部熱風預熱模塊。
焊接模塊
• 氮氣的使用
氮氣的使用可以將無鉛焊料的可焊性提高４倍，這對全面提高無鉛焊接的質量 是非常關鍵的。
• 選擇性波峰焊與浸焊的根本不同
浸焊是將線路板浸在錫缸中依靠焊料的表面張力自然爬升完成焊接。對于大熱容量和多層線路板，浸焊是很難達到透錫要求的。選擇性波峰焊不同于浸焊，焊接噴嘴中沖出來的是動態的錫波，這個波的動態強度會直接影響到通孔內垂直透錫度。特別是無鉛焊，因為其潤濕性差， 更需要動態強勁的錫波。另外， 流動強勁的波峰上不容易殘留氧化物,，對提高焊接質量也會有幫助。 （見圖11）
圖11選擇性波峰焊焊接模塊示意圖
根據焊點的不同情況，焊接模塊應能對不同焊點的焊接時間，波峰頭高度和焊
接位置進行個性化設置，這便使操作工程師有足夠的空間來進行工藝調整從而使每個焊點的焊接效果達到最佳。有的選擇焊甚至還能通過控制焊點的形狀來達到防橋連的效果。（見圖12）
圖12焊點形狀控制
選擇焊的線路板傳送系統
選擇焊對線路板傳送系統的最關鍵要求是：精度。
為了滿足精度要求，傳送系統應做到以下幾點：
• 軌道材料防變形，穩定耐用；
• 在助焊劑噴涂模塊和焊接模塊，軌道需加裝定位系統；
選擇焊技術的發展遠景
看看未來的生產給我們提出的要求：
• １００％的一次通過率；
• 6 sigma質量管理體系；
• 設備的自我校準系統；
• 智能化的操作系統以使生產對人的倚賴降到最低；
• 一致性，重復性，可靠性，可追溯性。
因此對未來選擇焊設備的要求將是：
• 產品品質更高；
• 運行成本更低；
• 設備靈活性更強；
• 設備的產量更高；
不同行業對選擇焊設備的要求已呈現越發多樣化的趨勢，因此針對不同行業開發不同系列的選擇焊是未來的發展趨勢。“要好，但更要適合”，我們看到的是行業與設備的細分，這也是焊接行業進步的標志。
