選擇性去橋連技術(shù)提高焊接成品率

在用波峰焊進(jìn)行線(xiàn)路板組裝的過(guò)程中，焊接橋連是經(jīng)常出現的缺陷之一。

　　要解決這一問(wèn)題，除了改進(jìn)工藝參數外，還可以在波峰焊設備上加裝一種新型的選擇性去橋連裝置。試驗證明，用這種系統能大大減少線(xiàn)路板的橋連。

　　印刷線(xiàn)路板組裝包含的技術(shù)范圍很廣，從單面通孔插裝到復雜的雙面回焊組裝，以及需要進(jìn)行選擇性波峰焊接的球柵格陣列(BGA)器件等。對這些板子進(jìn)行波峰焊接時(shí)，經(jīng)?？梢钥吹皆谀承┕潭ǖ膮^域(如連接器等處)會(huì )形成橋連，而這些缺陷其實(shí)事先就可以預計到。橋連通常是因板子設計的原因或者焊接時(shí)使用的托架造成的，要想徹底解決不是很容易，因此只有靠返修來(lái)消除缺陷，從而延長(cháng)了生產(chǎn)周期。

　　從電子制造商(EMS)的角度來(lái)看，更改板子設計一般是不大可能的，只有從工藝上想辦法。實(shí)驗證明用選擇性去橋連技術(shù)可以大大提高組裝的成品率。

　　焊接橋連

　　焊接橋連是由于焊料處于一種不穩定的變化狀態(tài)引起的，它發(fā)生在波峰焊接后段的焊料回流區域。板子離開(kāi)波峰時(shí)焊料突然回縮造成焊料回流，回流區里大量熔融的焊料最后就形成橋連。熔融狀態(tài)下的焊料遇到任何微小擾動(dòng)其潤濕性都會(huì )很容易改變，因此焊料橋連的形成與PCB和波峰焊工藝都有很大的關(guān)系。

　　選擇性去橋連

　　過(guò)了波峰焊之后再去查找橋連然后進(jìn)行返修將增加生產(chǎn)的成本和工作量，而且人們普遍認為經(jīng)修補的焊點(diǎn)會(huì )降低產(chǎn)品的可靠性。經(jīng)過(guò)多年研究，工程人員開(kāi)發(fā)了很多種在波峰焊接的最后階段減少橋連的技術(shù)，例如焊后對整塊板熱風(fēng)刀處理(用一束空氣或氮氣吹向熔融的焊點(diǎn)以去除橋連)就是一種在波峰焊中應用了多年的標準技術(shù)。但是這種方法對焊接區域沒(méi)有選擇性，使好的焊點(diǎn)也受到一定影響。最近，隨著(zhù)工藝控制與計算機控制的逐漸成熟以及線(xiàn)路板跟蹤系統的應用，已經(jīng)能夠開(kāi)發(fā)出實(shí)用的選擇性去橋連工具加裝到波峰焊過(guò)程中，這種新技術(shù)可挑選易出現焊接缺陷的區域進(jìn)行去橋連處理，而不會(huì )碰到其它好的焊點(diǎn)。

　　選擇性去橋連通過(guò)調整氣流方向，使其只對準橋連可能發(fā)生的區域達到去除橋連的目的。該工具用在線(xiàn)路板剛剛退出波峰的地方，此時(shí)焊料仍處于熔融狀態(tài)，噴射范圍和其它工藝參數先用程序設定，并由焊接系統里的計算機進(jìn)行控制。實(shí)現選擇性去橋連的關(guān)鍵是要準確地調整氣流，并使噴嘴在不接觸的情況下盡可能地靠近PCB。 在決定使用選擇性去橋連系統之前，我們先將它與常規的熱風(fēng)刀技術(shù)作一對比。經(jīng)比較發(fā)現，由于種種原因而使得熱風(fēng)刀技術(shù)不能夠滿(mǎn)足我們的要求，如與現有設備不兼容以及整體成本太高等等。為了進(jìn)一步確定選擇性去橋連系統的效果，我們選用8個(gè)試驗板進(jìn)行評估，并參考與線(xiàn)路板設計相關(guān)的橋連缺陷歷史數據。

　　這些樣板的情況如下：

　　·樣板A和B 尺寸約12.7×7.5cm，雙面表面貼裝板。兩種板均含有過(guò)波峰焊后經(jīng)常會(huì )于底部產(chǎn)生橋連的穿孔(PTH)連接器，焊接時(shí)不使用選擇焊托架而是用可調節托架;除連接器以外，所有底面的表面貼裝元件都要經(jīng)過(guò)波峰焊，但只有連接器需要去橋連。

　　·樣板C和D 尺寸約30×15cm。兩種板具有不同的表面貼裝元件，但卻有相同的PTH元件和多種連接器，橋連隨機發(fā)生在連接器上及某些表面貼裝元件中間。焊接時(shí)不使用選擇焊托架，而是由傳送帶上的卡爪傳送，去橋連裝置不是選擇性使用而是對整板進(jìn)行。

　　·樣板E和F 尺寸約53.3×12.7cm，雙面表面貼裝板。兩種樣板在一個(gè)邊上都有多個(gè)PTH連接器，并使用選擇焊托架進(jìn)行波峰焊接，連接器上有隨機性橋連發(fā)生。

　　·樣板G 尺寸約38.1×35.6cm，板上含有需雙面回流焊的表面貼裝元件和用于PTH元件的選擇焊托架。PTH元件中包含多個(gè)連接器，位置遍布整個(gè)板子，板子可允許有一點(diǎn)點(diǎn)翹曲。由于有選擇焊托架，所以去橋連裝置無(wú)法離板子太近，得不到充分利用。

　　·樣板H 尺寸約50.8×38.1cm，板子其它情況和樣板G完全一樣，但是多了一個(gè)PGA插座。它也有選擇焊托架，而且允許出現翹曲。 試驗顯示，使用選擇性去橋連系統后產(chǎn)品的缺陷大為減少，但是被試驗的小尺寸樣板卻看不出去橋連工具的效果，所以我們又進(jìn)行了更大范圍的內部評估。

　　測試參數選擇性去橋連系統在正式安裝前先進(jìn)行了為期三個(gè)月的內部評估，在得到客戶(hù)同意后，設備供應商將去橋連系統安裝在一臺波峰焊機上，然后我們對成品率、停機時(shí)間、運行成本以及維護等各種數據進(jìn)行全面評估。

　　 如前所述，此次內部試驗采用了8種不同的復雜線(xiàn)路板。

　　結果表明，每塊板的缺陷率平均改善了84%，選擇性去橋連系統的效果主要取決于PCB設計、工藝參數的優(yōu)化以及所用的工具，不過(guò)系統軟件也確實(shí)能使設置更加系統化并且可重復使用。

　　噴射形狀因為去橋連工具是有選擇性地破壞焊接橋連處的潤濕性，所以，確定噴射的形狀并加以控制是一個(gè)應重視的問(wèn)題。我們用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的測試托架研究噴嘴的噴射形狀，將一張感熱紙夾在托架和試驗PCB之間，測試PCB表面的溫度變化情況。在所有熱源都不開(kāi)啟的時(shí)候，感熱紙上記錄的圖形就是由去橋連裝置產(chǎn)生的。我們設計了一個(gè)簡(jiǎn)單的程序來(lái)做這個(gè)實(shí)驗。

　　通過(guò)觀(guān)察感熱紙上記錄下來(lái)的圖形，可以很容易確定出程序設置的參數與實(shí)際噴射位置之間的差異。紙上深色區域表示高熱量傳導區，顏色深度取決于感熱紙的吸熱能力。該項測試得到的主要結果有：

　　·寬度與程序設定完全一致

　　·在低速傳送時(shí)長(cháng)度方向控制得很好

　　·在低速傳送時(shí)外形輪廓非常清晰 為了改進(jìn)噴嘴的噴射形狀，在最初的測試位置中再加入一個(gè)新區域，新增區域的主要作用是改變噴嘴的方向使它噴到不影響焊點(diǎn)的位置。結果發(fā)現，加入新的區域后所得到的形狀變得更加穩定和清晰。

　　溫度參數如波峰焊操作手冊中所述，所有焊接面元件承受的溫度都不能高于270℃或溫升率大于4℃/秒。為了確保使用去橋連系統后不會(huì )對這些限制條件產(chǎn)生影響，我們對一個(gè)樣板的溫度曲線(xiàn)進(jìn)行了測量。溫度曲線(xiàn)顯示焊接面元件承受的熱應力相對來(lái)說(shuō)比較小，重要的是去橋連裝置不會(huì )影響所規定的溫度限制條件。但是感熱紙也顯示出一些熱量不均勻的問(wèn)題，為了更好地了解去橋連裝置的熱特性，我們在一塊PCB樣板上放置了6個(gè)熱電偶探頭，希望能測出去橋連系統程序所設定的噴射區域的溫度變化。為了模擬去橋連系統的熱量變化效果，先編程設定一個(gè)7.6×7.6cm的噴射區。噴射區存在過(guò)高的溫度梯度會(huì )造成噴射區局部出現翹曲。試驗發(fā)現，1號熱電偶和6號熱電偶之間測得的溫差為12℃，該溫差應盡量減小以使基板及元件所承受的應力最小。另外，試驗還證實(shí)邊界部分溫度略微偏高，出現熱量不均勻主要是因為在噴嘴的起止位置噴射會(huì )有重疊。

　　生產(chǎn)數據對于去橋連系統性能的最終檢驗要看其在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的效果，希望去橋連系統能夠準確地去除波峰焊后線(xiàn)路板上面的橋連。 與以前的工藝相比，選擇性去橋連系統確實(shí)可以減少橋連。圖2是安裝選擇性去橋連系統之后的缺陷數據統計，從圖中可看到，使用選擇性去橋連系統后，8個(gè)樣板中有6個(gè)(A～F)橋連減少了80%以上，其中A和B達到100%，C和D則達到95%。

　　造成結果改善主要是由于在焊接面沒(méi)有表面貼裝元件(樣板A和B)或只有很少的表面貼裝元件(樣板C和D)。這種技術(shù)在板子過(guò)波峰焊時(shí)不需要用選擇焊托架，請注意樣板A、B上的橋連全部消除了，而它們并沒(méi)有用任何托架。 由于如今線(xiàn)路板采用的技術(shù)和設計使得用傳統波峰焊托架進(jìn)行加工越來(lái)越困難，所以橋連也越來(lái)越多。樣板G的橋連減少75%，樣板H由于各種原因減少得最少，只有20%多一點(diǎn)。

　　樣板H的尺寸為50.8×38.1cm，由于焊接面有很復雜的表面貼裝元件，所以需要用選擇焊托架，托架上針對需要進(jìn)行波峰焊的元件設計了開(kāi)口，但托架的這種設計卻使得焊料不能很容易地進(jìn)入或流出所開(kāi)的口，因而影響了波峰的運動(dòng)，造成隨機性橋連。如果用熱風(fēng)刀進(jìn)行去橋連的范圍太小，則發(fā)揮選擇性去橋連的優(yōu)勢就有一定困難，另外選擇焊托架本身的厚度也無(wú)法使去橋連裝置與線(xiàn)路板的間距達到最佳。

　　成本分析使用去橋連系統后在線(xiàn)路板修理方面節省了約9.8萬(wàn)美元，此數據是以相同的產(chǎn)量一年花費在橋連檢修上的費用估算出來(lái)的。根據一年的使用維護估計，它的運行成本約為8,000美元，另外以五年折舊和閑置計算，設備方面的成本約1.2萬(wàn)美元。

　　橋連的減少在某種程度上取決于元件的形狀、混裝程度、托架類(lèi)型和波峰焊設備，針對不同的情況，在修理方面節省的估算值會(huì )有所不同。本文結論 與以前的缺陷數據相比，正確使用新型選擇性去橋連系統后缺陷數量可成功地減少20～100%。并且對不適合作波峰焊接的板子進(jìn)行有效組裝的能力也提高了。評估結果表明，去橋連系統的性能受線(xiàn)路板設計和托架類(lèi)型的影響，因此在確定選擇焊托架設計時(shí)必須給予足夠的重視。

　　把線(xiàn)路板放在選擇焊托架上比直接放在卡爪或可調節托架上需考慮的問(wèn)題更多一些，部分原因是由于選擇焊托架的開(kāi)口很小。此外，去橋連系統在用于多腳PTH元件時(shí)效果特別好。