作者：Baran Thompson

未来的混装技术着眼于尺寸更小、使用更复杂封装的电路板。为了提高组装密度，把比较高的插装元件装在电路板的反面。双面电路板必须由人工或者用波峰焊来焊接。本文讨论另一个方法：机器人选择性焊接技术。单面电路板一般可以用标准的波峰焊来焊接，而双面电路板要用人工来焊接，在元件高度不是很高的情况下，借助掩蔽板或者专门设计的开孔板用波峰焊来焊接。这两种方法增加了成本，降低了生产速度。因此，很多公司改用机器人选择性焊接技术，这是一个可行的方法。与借助非标准开孔板用电烙铁或标准波峰焊相比，小型选择性波峰焊接技术能够减少缺陷。然而，如果没有真正理解这种设备，用户可能会感到灰心或失望。

图1焊锡泵通过一个小喷嘴向上喷出熔化的焊料，形成一个小焊锡波，再有选择地焊接引脚。

    操作人员习惯于使用操作起来比较简单的机器，例如贴片机或传统的波峰焊机，设置好之后就不用再去调整。而小型选择性波峰焊接系统需要更多的互动。这些系统由几个运动轴（一般是五个），预热、选择性涂布助焊剂和选择性涂布焊膏等部分组成。它们能够根据要求对需要焊接的引脚进行加热、防止周围的元件受到影响，并且可以采取措施防止短路。有效控制和使用这些工艺变量需要更高的制造技术水平。要充分发挥这类设备的优点，必须加强培训，严格地定期进行维护保养。
既然技术支持解决了性能方面的问题，要做的一般就是例行维护和培训了。在进入这个领域之前，许多潜在的用户必须了解这类机器的要求，并且学会正确使用和维护。

它是如何工作的
选择性焊接系统是使用机器人的部件，它有X、Y、Z、θ轴四个主轴，以及夹爪机构，它牢牢地抓住和固定住电路板。这种机器可以生产线上使用，或者用于批量生产，大部分高档机器两者都可以，并且备有符合SMEMA标准的接口，用于安装传送带。这种机器的基本配置包括一个或几个专门用来存放不同焊料合金的焊料槽。根据应用的要求，每个焊料槽有一个或几个焊锡泵。焊锡泵输送熔融焊料，通过一个小喷嘴喷出焊料、形成一个小焊锡波，然后再有选择地焊接引脚（图1）。系统的四个主轴--X、Y、Z、θ轴操纵电路板，在焊锡波上面移动。有一些系统是操纵焊料槽和焊锡泵喷嘴组件，在电路板下面移动，电路板则固定不动。这种方法缩小了整个机器的尺寸，但牺牲了工艺的灵活性。它用机械人操纵的轴有选择地涂布助焊剂，有以下几种办法实现：
● 喷雾：喷嘴喷雾形成预定图案，类似于喷雾器喷涂。
● 喷射嘴：利用一个上下快速振动的小活塞迫使助焊剂穿过一个很小的孔从喷嘴喷射出一丝细流。
● 超声波：它利用超声波换能作用把助焊剂变成薄雾，除此之外，这个喷嘴与喷雾头很相似。用一个气孔把助焊剂喷雾集中起来，与光学透镜的作用相似。

图2三种助焊剂涂布技术和它们的喷雾或涂布的图案。


根据用户应用的具体要求，任何系统都可以配置一种、两种或者三种助焊剂涂布技术。它们各有优点，对维护以及编程的要求也不同。
喷雾涂布的湿润区域最大，覆盖范围的直径从四分之一英寸到三英寸。它的困难在于如何防止助焊剂过度喷涂，但是，可以用它喷涂几乎所有类型的化学材料。超声波涂布的覆盖范围为直径八分之一英寸到八分之三英寸，对维护的要求最低，这是因为它利用超声波作用不停地清洗自身而且没有运动件。但它的设置时间较长，而且要小心处理焊锡槽的初始压力，但是，一旦设置好了之后就不再需要人工干预。
喷射式助焊剂涂布技术可以进入最窄的场所，并且能够把一滴助焊剂涂在一个引脚上。它的缺点是要求助焊剂中的固体含量大约为5%甚至更少，否则会出现堵塞（图2）。

典型的高档焊接机有X轴、Y轴、Z轴、θ轴，进料、宽度、倾角1、倾角2，还有其他的泵需要编程。除了泵之外，仍有八个主要的轴同时运动，需要编程。加上六个焊锡泵轴，意味着有14 个不同的轴在运动，它们共用一个闭路反馈。可能还有多达八个不同的温度控制系统在同时运转。每个焊锡泵都有各自独立的氮气加热温度控制，使用氮气是为了防止喷嘴和所选择的焊接目标氧化。这保证了焊料的清洁，避免短路和浮渣。氮气加热器是独立的，可以通过动态调节氮气温度来补偿电路板对加热的要求。每个焊锡槽也需要独立的温度控制。所有这些问题说明，在选择性焊接设备中所有动作都是同时发生的，因此需要对机器编程和控制（图3）。

图3进行选择性焊接时，机器会同时执行许多操作，必须对机器进行编程和控制。


学会编程
在对复杂的助焊剂涂布和焊接喷头的移动进行编程时，如果是人工操作，操作人员就必须考虑怎样接近电路板。然后，必须对机器编程，让机器来再现这个动作。其中需要考虑的变量有：要求的温度、元件的温度灵敏性、避免出现障碍物和防止短路。座标的第一次编程非常重要。许多人以为这类系统的编程和贴装机一样容易，把电路板计算机辅助设计（CAD）得到的图形数据输进去就可以了，这是错误的。在选择性焊接中，这个信息的作用是有限的，无法用在整个焊接中。举个例子，在焊接多块电路板时，连接器J1会使用数百次。用户以为，既然要在几块电路板上焊接同一种连接器，可以把它做成模板数据，无论什么时候需要使用它时，都可以重复调用这个数据。事实上这样做是行不通的，这是因为选择性焊接技术是根据元件在电路板上的位置来控制加热的，需求作相应的变化。可能在一端是地线，而在另一端是个又大又重的散热元件。因此，驻留时间、速度、角度和方向都必须根据元件所在的位置来改变。
许多选择性焊接系统都能够避免冲突。每次把同样的元件放在不同的地方，因为周围的元件不同，必须区别对待。选择性焊接不是直接从一个引脚开始的。它是从两个引脚之间或者就在一个引脚的前面开始的。当移动结束时，编程点实际上是在刚过去的引脚旁边。因为没有地方可以得到这些信息，所有坐标都要用手工编程。相对于问世已有二、三十年的其他自动化系统，这类选择性焊接系统比较新。每一台选择性焊接机都有自己的软件和摄像机。编程人员把电路板装上去，然后，在摄像机下面移动电路板，摄像机显示出在什么地方采取防护措施（图4）。在理想的情况下，电路板应该把所有的表面贴装元件以及必须用波 峰焊焊接的元件都装上。

图4摄像机显示在什么地方采取防护措施。


编程人员利用摄像机中的十字准线和圆把用于助焊剂或焊料涂布的喷嘴的图像移到适当位置。在十字准线上圆圈的直径是可以调节的，并且显示出各个喷嘴覆盖的范围。编程人员在元件和引脚的迷宫中移动着喷嘴的投影图像，要确保它走过所有需要焊接的点，同时避开不需要焊接的区域。任何接触到那个圆圈边缘的东西都要用焊料来湿润。从A点到B点是直接走过去的。但是，如果在移动过程的中间要考虑到加热的问题，那么用户可以把它分成A、B、C、D四个点。它们都在同一条直线上，但是现在用户把它们分成几个不同的部分，各部分的速度可能不同，或者可能要在某个点上额外增加驻留时间，把热量送给需要高温的引脚。
在移动过程中，焊料会在喷嘴中心后面形成一条尾巴；因此，在焊接一排引脚时，喷嘴要以一个微小的角度离开引脚，避免在引脚的端部出现搭接短路。
所有的程序编制都要分成许多部分，或者需要连续涂敷焊剂或者助焊剂的部分，每一部是进行选择性焊接的场地。平均起来，一块典型的电路板可以分成五个部分。元件密集的电路板可能有15个地方要涂敷助焊剂，有50个地方要加上焊锡，加起来就是65个。然而，问题这并不在于实际的元件、引脚或端子的数量有多少。一个场地可能含有一个或几个、甚至上百个引脚。在工艺方面取得了经验之后，就可以调整程序，以获得完美的电路板，但是，操作人员仍然需要时刻对工艺进行监视，以便及时维护设备。


图5腐蚀性助焊剂残渣会散发并且附着在机器的零件上。


维护
喷嘴的尺寸越小，维护的要求就越高。如果用较大的喷嘴来重复焊接同一种电路板，这种机器就能够像其他的在线设备一样自动运作。但是，如果进行焊接的地方非常窄，要求使用小喷嘴，很可能残渣会阻碍焊料的流动。在这种情况下，波峰可能会低一点，操作人员必须及时把浮渣清理掉。
所有选择性焊接机都需要焊锡波检测系统不停地检查焊锡波的高度。在这类机器中，材料和温度的都是动态的。它们需要每天进行例行维护，保证机器正常运作。如果使用非常小的喷嘴，可能需要每过一个小时进行一次维护──那怕是每隔一个小时检查一次。
有三种微型焊锡波喷嘴：湿润喷嘴、非温润动态喷嘴和非湿润静态喷嘴。在湿润喷嘴中，焊料均匀地流到电路板的所有面上。在非湿润的动态喷嘴中，焊料是顺着一个方向流出的。静态喷嘴喷出的焊锡形成一个凸起的焊锡波，不会从任何一面溢出。湿润喷嘴的防护能力很好，而且热交换能力极好。非湿润动态喷嘴是单向的，要采取很强的防护措施，而且它只能在一个方向上喷放焊料。对于静态喷嘴，对防护措施的要求属于中等，但是一般说来它的热交换能力较差。操作人员应当像处理电烙铁的烙铁头一样处理湿润喷嘴。偶尔需要在喷嘴表面涂一点助焊剂清洗。对于流动速度较低的非常小的喷嘴，操作人员可能需要更经常地给它们涂上含锡助焊剂（Tinning Flux）。
这些机器有几个运动件是在腐蚀性的环境下工作。焊接加热不仅会影响零件、轴承和塑料制品，腐蚀性助焊剂的存在还会污染系统。不论用什么方法涂布助焊剂，在大气中涂布的任何材料都会形成一层薄雾，这层薄雾会散发并且最终附着在机器的零件上（图5）。一家设备制造商曾把整个机器尽可能盖起来，但是，由于灵活性方面的要求，有的地方必须暴露在空气中不能有任何保护措施。经常擦拭能够避免大修。如果几个月都不擦拭，机器上会积一层有腐蚀性的助焊剂。每个月至少要对放置电路板部位上下面的零件进行一次全面的维护。所有喷涂助焊剂的地方都需要时刻注意是否有残余结留。
和日常的擦拭一样，清除焊料浮渣也是必不可少的。只要搅动焊料，焊锡表面上下都会形成浮渣。浮渣会在泵的叶轮及焊锡泵管道内积起来，并且会影响效率，此外，还要求定期提高焊锡泵的速度以维持焊锡波的高度不变。浮渣积淀的速度往往与喷嘴的大小有关。到一定时间，必须把焊锡泵卸下清洗。没有一台单点喷锡焊接机或标准波峰焊接机的焊锡泵是不需要维护的。
优点
这种机器的好处包括缩短上市时间、没有工具的开支、提高了生产能力、提高了质量和降低消耗和处理成本。选择性焊接技术能够减少不合格的焊点，而且能够用它来焊接其他办法焊接起来很困难的独特电路板，提高了产品质量和成品率。手工焊接经常会出现不合格的焊点。在许多新的设计中，电路板上的元件密度很高，不能用手工焊接的方法焊接。它们当中有一些较高的元件在普通的波峰焊中很难遮蔽，因为焊锡波不会流入这些区域形成焊点（图6）。就这些设计而言，选择性焊接几乎是不可替代的选择──电路板制造商无法用其他方法来生产。
与标准的波峰焊相比，选择性焊接能够减少浮渣的产生和处理。许多公司还报道说，有选择地涂敷助焊剂，能够在短短的三个月内收回设备投资。这样能减少助焊剂的消耗和浪费，环境变得更干净、更安全，并且降低了前后工序的成本。英国SMART集团2002年的调查报告说，根据35个用户提供的数据，波峰焊的平均缺陷率是百万分之3408（ppm），而选择性焊接机在很难做的产品中的百万缺陷（DPM）率是400-1000 DPM。

图6 一些高的元件在普通的波峰焊技术中很难遮蔽。


速度是另一个问题──选择性焊接技术能够节省波峰焊所需要的工具和夹具，而且能够节省掩蔽板的时间和成本。即使90%的双面电路板使用表面贴装元件，仍然需要插装元件，或者其他器件──它们需要用连接器以便满足对大电流或者机械强度的要求。

结论
对一家公司来说，学会怎样编程和维护这类系统的最好办法是把最难的混装电路板连同负责机器运作的操作人员送到系统制造商那里，至少花两到三天的时间亲自学习掌握机器的功能。这些机器很灵活，但是也会令人感到恼火。如果用户让操作人员接受正规的培训并且按照要求来维护机器，他们将会得到回报。

作者简介
Baran Thompson是Robotic工艺系统自动化公司产品开发和工艺工程服务部负责人，电话：（1）509 891-1680；电子邮件：bthompson@
rpsautomation.com。