現有封裝生產(chǎn)線(xiàn)的改造問(wèn)題

摘 要：根據無(wú)鉛回流焊的工藝特點(diǎn)，論述了對回流爐加熱、冷卻、助焊劑管理和氮氣保護各系統的改造原則和方案，給出了氮氣保護系統的評價(jià)標準，對罐裝氮氣和氮氣發(fā)生器兩種供應系統進(jìn)行了成本估算和對比。

電子整機行業(yè)的無(wú)鉛化技術(shù)發(fā)展是國際信息產(chǎn)業(yè)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國信息產(chǎn)業(yè)部也要求在2006年7月1日前，全國實(shí)現電子信息產(chǎn)品的無(wú)鉛化，當電子組裝逐漸實(shí)現無(wú)鉛后，無(wú)鉛釬料的高熔點(diǎn)、低潤濕性給實(shí)際的焊接生產(chǎn)工藝帶來(lái)了很大變化。設備生產(chǎn)廠(chǎng)商應該對爐子結構和性能進(jìn)行新的設計和改進(jìn)，滿(mǎn)足無(wú)鉛化焊接的要求，主要包括加熱系統、制程控制系統、助焊劑管理系統、冷卻系統和氮氣保護系統。

1 無(wú)鉛再流焊設備的改造原則

實(shí)施無(wú)鉛化電子組裝，許多企業(yè)并不主動(dòng)，而是在各種壓力下才轉為無(wú)鉛技術(shù)，壓力主要包括法令規定、環(huán)保意識、市場(chǎng)利益、用戶(hù)需求，有害物質(zhì)管理處理和無(wú)鉛技術(shù)方面等。

無(wú)鉛化對再流焊設備提出了許多新的要求，主要包括：更高的加熱能力、空載和負載狀態(tài)下的熱穩定性、適合高溫工作的材料、良好的熱絕緣、優(yōu)良的均溫性，氮氣防漏能力、溫度曲線(xiàn)的靈活性、更強的冷卻能力等。 目前國內市場(chǎng)存在成千成萬(wàn)舊生產(chǎn)線(xiàn)，如果要全部通過(guò)購買(mǎi)新設備更換來(lái)實(shí)施無(wú)鉛化改造，對設備制造商而言是個(gè)很大的機遇，但對電子組裝廠(chǎng)來(lái)說(shuō)是個(gè)沉重的負擔。目前一臺新的再流焊設備一般在30萬(wàn)左右，再加上附加功能，如快冷、氮氣保護等，費用相當大。對于電子組裝廠(chǎng)，尤其是利潤較低的企業(yè)，力求尋找一些簡(jiǎn)單的改造方法來(lái)迎接無(wú)鉛化的挑戰。面對這樣的問(wèn)題，根據舊生產(chǎn)線(xiàn)設備的特點(diǎn)和新產(chǎn)品的要求，對舊生產(chǎn)線(xiàn)可以從以下所述進(jìn)行改造。

2 加熱系統

在選擇無(wú)鉛熱風(fēng)再流焊設備時(shí)，加熱系統是非常重要的一個(gè)性能指標，其中包括加熱效率、溫控精度、溫度均勻性以及穩定性等。

2.1 溫度高效性

溫度高效性是熱傳導效率的一個(gè)直接反映。熱傳導率高，設備的設定穩定和實(shí)際穩定就相差較小，溫度補償能力快，生產(chǎn)柔性系數就大，可以適用不同的生產(chǎn)量，不同熱容大小的產(chǎn)品，如果溫度高效性不好，實(shí)際的無(wú)鉛焊接峰值溫度240℃，設定溫度就會(huì )達到290℃甚至更高，導致高溫下熱風(fēng)電動(dòng)機的使用壽命減少，溫度高效性是一個(gè)很重要的參數，它決定了設備是否能做到無(wú)鉛化生產(chǎn)要求。

2.2 溫度均勻性

當溫度曲線(xiàn)穩定之后，常用測試板上任意兩點(diǎn)的最大溫度偏差ΔT來(lái)衡量溫度均勻性，一般情況下，溫度偏差越小，溫度均勻性就越好，SnPb共晶釬料的溫度均勻性要求為±5℃，而無(wú)鉛釬料的溫度均勻性要求為±2℃。

2.3 溫度穩定性

無(wú)鉛再流焊爐必須具有穩定的溫度曲線(xiàn)，如果溫度曲線(xiàn)不穩定，就沒(méi)有可靠穩定的產(chǎn)品質(zhì)量保證，目前一些電子制造商在生產(chǎn)時(shí)，會(huì )每一個(gè)工作日和半個(gè)工作日測試一次溫度曲線(xiàn)，來(lái)保證溫度曲線(xiàn)的穩定性，而先進(jìn)的設備制作商已開(kāi)發(fā)出一套溫度監控系統，對爐體內各溫區實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，確保溫度曲線(xiàn)穩定性。

加熱系統改造應注意以下幾個(gè)方面： （1）如果舊設備為上下兩面同時(shí)加熱的各模塊獨立控制強制熱風(fēng)對流系統、爐腔隔熱系統良好，且熱風(fēng)電動(dòng)機能承受300～350℃高溫，此設備具有較強的加熱效率，容易實(shí)現較高的峰值溫度，可用于無(wú)鉛化生產(chǎn)。

（2）如果舊設備為局部上下兩面同時(shí)加熱或單面加熱的各模塊獨立控制強制熱風(fēng)對流系統，爐腔隔熱系統不良且熱風(fēng)電動(dòng)機不能承受300～350℃的高溫，此設備加熱效率較低，達到較高峰值溫度較難，一般不適合無(wú)鉛化生產(chǎn)。

（3）如果舊設備為局部上下兩面同時(shí)加熱或單面加熱的各模塊獨立控制強制熱風(fēng)對流系統，且加熱模塊容易增加、更換和維修，熱風(fēng)電動(dòng)機能承受300～350℃高溫，此設備可通過(guò)適當的增添加熱模塊來(lái)提高熱效率，可以用于無(wú)鉛化生產(chǎn)。

（4）如果舊設備帶有紅外加熱系統，此設備溫度均勻性較差，不能滿(mǎn)足無(wú)鉛化生產(chǎn)所需溫度均勻性要求，一般不適合無(wú)鉛化生產(chǎn)。

（5）如果舊設備為熱風(fēng)強制對流系統，但采用的是大循環(huán)氣流流動(dòng)方式，而不是個(gè)模塊獨立氣流循環(huán)，此設備溫度各溫區溫度不易控制，均溫性和穩定性較差，一般不適合無(wú)鉛化生產(chǎn)。

3 冷卻系統

無(wú)鉛化后再流焊峰值溫度升高，在同等條件下產(chǎn)品出口溫度升高，不便于焊后工人檢測，這就要求快速冷卻以達到新工藝的要求，另外一些研究表明，快速冷卻可以細化組織，防止金屬間化合物（IMC）增厚，提高可靠性[1]，目前無(wú)鉛再流焊設備一般采用循環(huán)水冷系統，并配有一臺制冷機進(jìn)行強制冷卻。相應地，設備的價(jià)格要增加3萬(wàn)左右，而且還要占用一些資源。

冷卻系統改造應注意以下幾個(gè)方面：

（1）如果舊設備為強制風(fēng)冷進(jìn)行冷卻，其冷卻速率一般為1～2℃/s，此設備一般不能滿(mǎn)足無(wú)鉛化生產(chǎn)，如果設備冷卻系統可更換，那么就可以方便升級為水循環(huán)冷卻，用較低的成本來(lái)進(jìn)行無(wú)鉛化生產(chǎn)。

（2）如果舊設備為水循環(huán)冷卻，其冷卻速度一般為2～4℃/s，可以滿(mǎn)足一般的無(wú)鉛化生產(chǎn)，對特殊要求的溫度曲線(xiàn)，如冷卻速率要求大于4℃/s就不能滿(mǎn)足，需要將冷水管與外界冷水機連通進(jìn)行升級或更換，其冷卻速率可達到4～6℃/s。

4 助焊劑管理系統

無(wú)鉛化后助焊劑污染由于高溫氧化的影響而顯得格外明顯，無(wú)鉛再流焊設備一般都配有助焊劑管理系統，防止還有大量助焊劑的高溫氣流進(jìn)入冷卻區而凝結在散熱片和爐體內，降低冷卻效果并污染設備。圖1為助焊劑管理系統示意圖。

上述系統是把含有大量助焊劑的高溫氣流從預熱區、再流區及冷卻區前抽出，經(jīng)過(guò)體外冷卻過(guò)慮系統后，把干凈的氣體送回爐內，這樣做還有一個(gè)好處就是使用氮氣保護時(shí)形成閉循環(huán)，防止氮氣消耗。此系統改動(dòng)較大，一般難以升級，如果生產(chǎn)量不是很大，助焊劑污染程度小，可以定期進(jìn)行清理而不用替換。

5 氮氣保護系統

5.1 氮氣使用原則

無(wú)鉛化電子組裝中并不是一定要氮氣保護，原則包括以下幾個(gè)方面的要求：

（1）滿(mǎn)足歐美和日本等客戶(hù)的要求時(shí)；
（2）使用高溫焊膏或低固體、低活性（免清洗、低殘留）焊膏時(shí)；
（3）釬焊比較昂貴的集成電路元器件、小體積元器件、細間距元器件、倒裝芯片和不可以反修元器件時(shí)；
（4）多次過(guò)板組裝工藝或釬焊帶有OPS鍍層的PCB多次再流時(shí)；
（5）釬焊無(wú)保護膜銅焊盤(pán)或儲存時(shí)間較長(cháng)的電路板或可靠性首要時(shí)。 從氮氣保護再流焊工藝來(lái)講，它可以改善性能較差助焊劑潤濕性，提高焊點(diǎn)強度，對部分類(lèi)型焊點(diǎn)缺陷也有一定的防止作用，此外更重要的是它可以減少內部空洞，降低峰值溫度，擴大工藝溫度窗口?？紤]到這些特點(diǎn)，生產(chǎn)中可根據實(shí)際情況選擇是否實(shí)施氮氣保護。

5.2 再流焊設備氮氣系統評價(jià)標準

衡量再流焊設備氮氣系統可用殘余氧氣含量最低值和氮氣消耗量來(lái)評價(jià)此系統的性能。殘余氧含量一般采用氧分析儀進(jìn)行測試，測試氧含量有兩個(gè)指標，即穩定程度和最低氧含量。最低氧含量與氮氣源純度有關(guān)，使用高純度氮氣源時(shí)，一些較好的設備可以降到50×10－6或更低。氮氣消耗量與所需氧含量和設備防漏能力有關(guān)：一般氧含量越低，氮氣消耗量越大；設備防漏能力越差，氮氣消耗量越大。目前市場(chǎng)上的再流焊設備在氧含量為500×10－6時(shí)，氮氣消耗量一般為25～35m3/h。

舊生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)施無(wú)鉛氮氣保護時(shí)，再流焊設備面臨改造和替換兩種選擇。如果原有再流焊設備為過(guò)渡、可升級型，那么氮氣系統的改造就比較容易，否則改造成本就會(huì )很高，推薦替換方案，因為舊設備的設計和加工在機架結構、氣密性、氮氣系統的添加部件（比如氧分析儀，氮氣調節閥）等方面是不可以升級的，即勉強能改造，其效果也不能達到預期的目的，設備的穩定性和效率都有待探討，圖2為具有氮氣保護功能的加熱模塊結構。

再流焊爐氮氣系統，目前國內外已有成熟的技術(shù)得以應用，主要有5種：一是采用可變的風(fēng)扇速度來(lái)降低N2消耗；二是爐內使用可隨意選擇的空置氣流來(lái)檢測是否有PCB板正在通過(guò)，當爐中沒(méi)有PCB板通過(guò)的時(shí)候，系統會(huì )自動(dòng)減小風(fēng)扇速度、空氣循環(huán)和氮氣供應；三是可以在智能控制時(shí)精確的調節對流速率，從而減小N2的消耗；四是可以通過(guò)減小爐子開(kāi)口、出口和采用閉環(huán)氮氣控制系統來(lái)減小N2消耗。爐子開(kāi)口被定制為最小可通過(guò)元器件的尺寸，被抽進(jìn)爐體中的氣體越少；五是安裝一個(gè)簾子或一些百葉窗和門(mén)，這些門(mén)通過(guò)自動(dòng)傳感器激活而允許板進(jìn)出。同時(shí)內部設計的改造可以使氣體以很薄的氣流方式流動(dòng)，并且沒(méi)有犧牲熱效率。 日東電子科技（深圳）有限公司，是國內首家生產(chǎn)無(wú)鉛再流焊爐的設備商，氮氣保護系統綜合上述四和五的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)出國內第一臺無(wú)鉛再流焊設備N(xiāo)T－8N－V2。設備采用爐子出口和入口安裝硅膠簾或高溫材料，并具有可調的進(jìn)出口尺寸，減小氮氣的泄漏和消耗，見(jiàn)圖3。設備還配備了閉環(huán)氮氣控制系統，氧含量檢測系統，進(jìn)而對氮氣消耗量進(jìn)行控制。

5.3 氮氣供應系統

實(shí)施氮氣保護時(shí)，一般要求氧含量在（100～1000）×10－6之間[2]，這對氮氣供應系統構成參考依據。目前常用氮氣源純度可為97～99.9995％，一般使用99.9％，99.99％和99.999％3個(gè)等級，其供應方式主要有2種：液態(tài)罐裝氮氣和制氮機產(chǎn)生氮氣。

（1）液態(tài)罐裝氮氣

液態(tài)罐裝氮氣是用大型制氮設備制造出氣態(tài)氮氣，然后經(jīng)過(guò)高壓超低溫處理（500MPa，－180℃）使其轉化為液氮，氮氣源純度一般為9.999％，一噸液氮相當于常溫長(cháng)壓下780m3的有效氮氣。

（2）制氮機產(chǎn)生氮氣

膜分離制氮機。單位時(shí)間的產(chǎn)氣量小，只適合配套單臺爐，可達到的氮氣純度較低，一般為99.9％，且對與此配套的空壓機出口壓力要求高。

PSA制氮機。采用不同的流程技術(shù)，分離空氣中的氮氣，直接產(chǎn)生高純氮氣供給設備使用。這種系統提供氮氣流量為1～2000m3/h，純度范圍一般為97％～99.9995％，壓力為0.05～10.MPa。這種方式為目前市場(chǎng)主流。

（3）PSA＋純化裝置制氮機

先用PSA生產(chǎn)出低純氮氣（純度一般為99％），再用"氫除氧"工藝凈化，氮氣純度較高，一般為99.99％～99.9995％，這種制氮法故障率較高，即PSA的故障＋"氫除氧"的故障。"氫除氧"故障主要為點(diǎn)火裝置不能間斷，而且始終保持穩定流量的氮氣。

5.4 氮氣系統配置

如果使用PSA制氮機，生產(chǎn)出來(lái)的氮氣可直接供設備使用；如果使用罐裝液氮供應，由于氮氣溫度極低，使用時(shí)需要一個(gè)氣化過(guò)程：減壓、升溫。一般需經(jīng)翹片管汽化器后，通過(guò)50m長(cháng)的金屬管道提供給再流焊設備使用，如圖4。

每臺再流焊設備與氮氣源接口處都有壓力要求，這在操作手冊中有標明，這個(gè)壓力通常為0.55MPa，0.75MPa，對應制氮機的出口壓力就應為0.60MPa，0.80MPa（因在遠距離傳送過(guò)程中會(huì )有壓降產(chǎn)生）。

生產(chǎn)時(shí)如果采用液態(tài)罐裝氮氣，一般都是"一拖一"，如果采用制氮機供氣，一般實(shí)行"一拖三"（即一臺制氮機供三臺爐子）。使用時(shí)要考慮到留有10～15％的余量，如果一臺爐子耗氮量為30m3/h，那么制氮機的流量應為30×3×1.15＝103.5m3/h。由于氮氣流量與純度成反比，考慮實(shí)施"一拖幾"的時(shí)候，并非拖的越多越好，一般選擇"一拖二"、"一拖三"、"一拖四"。另外考慮到降低風(fēng)險系數，盡可能采用制氮機組，防止出現故障。氮氣罐的儲氣量與內壓之間有以下關(guān)系[3]：
Va＝Vs×[（Pa×14.7）/14.7]1/2 （1）

其中：Va為實(shí)際儲氮量，Vs為實(shí)際用氮量，Pa為實(shí)際罐內壓力。使用時(shí)要注意調節滿(mǎn)足來(lái)滿(mǎn)足以上要求。

5.5 氧含量確定

所需氧含量與氮氣源選擇有關(guān)，一般可通過(guò)所需氧含量要求來(lái)選擇具體的氮氣供應方式和制作工藝。氮氣源純度選擇時(shí)應該先確定生產(chǎn)時(shí)所需最低氧含量，再確定氮氣源純度。一般氮氣源純度選擇為99.9％、99.99％和99.999％，對應設備中最低氧體積含量為1000×10－6、100×10－6和10×10－6。

生產(chǎn)成本與氮氣消耗量有關(guān)，而氮氣消耗量與所需氧含量有關(guān)，圖5為Alan Tae等人對氧含量與生產(chǎn)生本進(jìn)行的一個(gè)評估，可以看出當氧含量低于700×10－6后，隨著(zhù)氧含量的下降，氮氣消耗量和生成成本急劇增加。在選擇氧含量時(shí)，可以參考表1。

5.6 采用氮氣保護生產(chǎn)成本估算

目前國內市場(chǎng)舊設備改造的面臨的最大問(wèn)題就是投資成本。一臺無(wú)鉛再流焊設備的市場(chǎng)價(jià)格為25～30萬(wàn)元，配套氮氣供應系統，成本會(huì )更高，而這對于流動(dòng)資金不足或低利潤電子制造或組裝廠(chǎng)，比如家電生產(chǎn)商，是一個(gè)很大開(kāi)支。

5.6.1 氮氣發(fā)生器供應系統成本估算

（以下成本估算各計算式中凡下標R表示回流爐，下標O表示氧氣，下標N表示氮氣，下標E表示用電價(jià)格，下標M表示設備，下標S表示消耗品）

（1）再流焊設備成本
所需再流焊設備數量：XR
每臺再流焊設備價(jià)格：QR
購買(mǎi)所需資金：M1＝XR×QR

（2）氮氣發(fā)生器選型
生產(chǎn)時(shí)所需氧含量：LO
每臺再流焊設備每小時(shí)消耗氮氣量：VN
氮氣發(fā)生器供應方式：Y1/2，Y1/3，Y1/4
再流焊設備接口處所需壓力：P＝0.60～0.80MPa
根據以上參數對氮氣發(fā)生器進(jìn)行選型。

（3）氮氣發(fā)生器成本
每臺氮氣發(fā)生器價(jià)格：QN
所需氮氣發(fā)生器數量：XN
購買(mǎi)所需資金：M2＝XN×QN

（4）電能消耗成本
每套氮氣供應系統每小時(shí)消耗電能：EN
當地工業(yè)用電價(jià)格：QE
氮氣供應系統服役期：HM
服役期內工業(yè)用電費用：M3＝XN×EN×HM×QE

（5）氮氣供應系統消耗品成本
每套消耗品費用：QS
服役期內所需消耗品總套數：
消耗品所需總費用：M4＝QS×（XS－1×XN）

（6）工業(yè)用地成本
每套氮氣供應系統占地面積：SN
服役期內工業(yè)用地所需費用：M5

（7）無(wú)鉛氮氣保護再流焊總資本投入：
M＝M1＋M2＋M3＋M4＋M5

（8）每小時(shí)消耗成本
M6＝（M2＋M3＋M4＋M5）÷（HM×XR）

5.6.2 罐裝液氮供應系統成本估算

常用罐裝液氮公稱(chēng)工作壓力為115kg，氮氣摩爾質(zhì)量為28g/mol，即一罐液氮在室溫下的體積為： VA＝115÷28×22.4＝92（m3）

考慮使用后留有10～15％的余量，實(shí)際氮氣體積為： VA＝92×（0.85～0.90）＝78.2～82.8m3

特定的氧含量下，假設每臺再流焊設備每小時(shí)消耗氮氣量為VN，則每罐液氮可以供應生產(chǎn)時(shí)間約為： T＝VA/VN

目前市場(chǎng)價(jià)每公斤液氮價(jià)格為3元，每罐液氮的價(jià)格為345元，每小時(shí)的成本消耗為：M7＝345÷T

6 舉例說(shuō)明

以上資本估算是可以量化的，而在具體的生產(chǎn)中，實(shí)際資本投入一般要大于上述估算值M。為了比較兩種氮氣供應系統的優(yōu)缺點(diǎn)，暫不考慮不可量化因素。

假設一電子組裝廠(chǎng)現有生產(chǎn)線(xiàn)15條，要進(jìn)行無(wú)鉛流焊生產(chǎn)工藝，下面對其舊生產(chǎn)線(xiàn)改造投資成本進(jìn)行簡(jiǎn)單的估算。

（1）再流焊設備投入成本：M1＝15×30＝450（萬(wàn)元）；

（2）生產(chǎn)時(shí)氧含量控制在1 000×10－6左右，每臺再流焊設備每小時(shí)消耗氮氣25m3，則15條線(xiàn)每小時(shí)共需要消耗氮氣375m3。氮氣供氣方式采用"一拖三"，接口處壓力取0.6MPa，氮氣源所需純度為99.999％。所需氮氣發(fā)生器共5套，每套設備價(jià)格約65萬(wàn)元，則氮氣發(fā)生器設備投入成本： M2＝65×5＝325（萬(wàn)元）

（3）氮氣發(fā)生器每小時(shí)耗電量為50kW，設備服役期按照30 000h計算，工業(yè)用電按照0.6元/度計算，則服役期內工業(yè)用電費用： M3＝5×50×30000×0.6＝45（萬(wàn)元）

（4）假設每年使用一套消耗品，那么服役期內所需消耗品總費用為： M4＝0.5×（5×5－5×1）＝10（萬(wàn)元）

（5）占地費用暫不考慮，則無(wú)鉛氮氣保護再流焊總資本投入： M＝M1＋M2＋M3＋M4＝450＋325＋45＋10＝830（萬(wàn)元）

（6）每臺爐子每小時(shí)消耗成本： M6＝380÷（30000×15）≈8.4（元/小時(shí)）

如果使用罐裝液氮，每臺爐子每小時(shí)消耗氮氣25m3，每罐氮氣實(shí)際使用氮氣體積按照80m3計算，則每罐液氮可以供應生產(chǎn)時(shí)間約為： T＝VA/VN＝80÷25≈3.2（小時(shí)）

每臺爐子每小時(shí)的成本消耗為： M7＝345÷3.2≈107.8（元/小時(shí)）

由上述分析可知，使用罐裝氮氣生產(chǎn)附加成本要遠遠高于氮氣發(fā)生器成本，所以大批量生產(chǎn)一般不推薦采用罐裝液氮，而罐裝氮氣并不是沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)，一次性投入資本小，使用方便，占地面積小，可根據實(shí)際生產(chǎn)量靈活搭配，生產(chǎn)柔性系數大，對于小批量，間斷性生產(chǎn)較為合適。其缺點(diǎn)也是很明顯的，需要停機進(jìn)行氮氣源更換，壓力不穩，使用到最后壓力不足，氧含量會(huì )隨之升高，對于一個(gè)企業(yè)來(lái)講，怎樣進(jìn)行決策，應該根據實(shí)際的生產(chǎn)量、生活長(cháng)期性等因素來(lái)決定，擇優(yōu)選擇。

7 小結

（1）舊設備改造是無(wú)鉛化電子組裝面臨的一個(gè)大問(wèn)題，對于舊設備的改造，各電子組裝廠(chǎng)應該根據自己舊設備的特點(diǎn)和新產(chǎn)品的需求制定合理的改造方案，把成本降到最低。

（2）氮氣保護是無(wú)鉛化電子組裝提出的一個(gè)新問(wèn)題，目前研究表明：氮氣保護對無(wú)鉛再流焊工藝有一定的改善作用。

（3）在使用氮氣保護的條件下，需要建立無(wú)鉛氮氣保護系統，這需要從再流焊設備和氮氣工藝系統兩方面著(zhù)手。對于再流焊設備而言，要增加氮氣供應接口和防止氮氣泄露相關(guān)措施，另外還需氧含量檢測設備，氮氣輸入管道等等。

（4）氮氣源的供應要考慮實(shí)際生產(chǎn)量而定，對于小批量生產(chǎn)，而且不間斷更換生產(chǎn)線(xiàn)的企業(yè)，可以采用罐裝液氮作為發(fā)生器，反之就要采用氮氣發(fā)生器來(lái)提供氮氣。