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选择性焊接为PCB设计者提供新的选择
烽火通信科技股份有限公司 鲜飞
摘要: 本文介绍了选择性焊接的概念、特点、分类和使用工艺要点。选择性焊接是现代组装技术的新概念，它的出现促进了SMT（表面贴装技术）的发展，并为PCB设计者提供了新的工艺选择。可以确信选择性焊接将会被更多地应用于电子组装上，成为一种具有竞争力的焊接技术。
关键词：选择性焊接；印刷线路板；波峰焊
Selective Soldering Provides a New Choice for PCB Designer
Xian Fei
(Fiberhome Telecommunication Technologies Co., Ltd, Wuhan 430074,China)
Abstract: The things of selective soldering’s concept, characteristics, division and technical gist are described in this paper. Selective soldering is a new concept of the contemporary assembly technology. It is said that selective soldering has developed and innovated SMT since it was appeared and also provides a new choice for PCB designer. It is believed that selective soldering will more be adopted in electronics assembly, and will also be a competitive soldering technology.
Keywords：Selective Soldering；PCB；Wave Soldering
1 引言
回顾近年来电子工业工艺发展历程，可以注意到一个很明显的趋势就是回流焊技术。虽然这并不意味着波峰焊已经消失，但确实已失去了其主导的地位。令人遗憾的是，目前元器件尚未彻底片式化，或者是有些元件的SMD形式远比相应的插装形式贵得多，在许多场合中，插装元件仍得到了较为广泛的应用，如在汽车工业中，继电器、连接器及一些在使用过程中需要承受较大机械应力的元件，仍需采用具有高结合强度的通孔型连接。常规的波峰焊可以实现 插装元件的焊接，但在焊接过程中需要专用的保护膜保护其它的表面贴装元件，同时贴膜和脱膜均需手工操作。手工焊同样可以实现插装件的焊接，但手工焊的质量过于依赖操作者的工作技巧和熟练程度，重复性差，不适于自动化的生产。在上述背景下，新的生产工艺便应运而生。
原则上传统插装件也可用回流焊工艺，这就是通常所说的通孔回流焊接。其优点是有可能在同一时间内完成所有的焊点，使生产成本降到最低。然而温度敏感元件却限制了回流焊接的应用，无论是插装件还是SMD。另外，通孔回流焊接时必须考虑许多其它因素，例如：引脚长度或焊点大小与引脚尺寸的关系等等。在插放元件时常导致锡膏量或多或少的损失，根本无法精确掌握，因此成为一个不定的参数。继而人们把目光转向选择焊接。大多数应用中都可以在回流焊接之后采用选择焊接。这将成为经济而有效地完成剩余插装件的焊接方法，而且对于将来的无铅焊接完全兼容。
世界上第一台选择性波峰焊设备是在1995年由德国ERSA公司发明的，为提高高端电子产品中通孔元件的焊点质量，ERSA公司的选择性波峰焊设备采用了多种有效的技术措施，包括助焊剂喷射位置及喷射量的精确控制，微波峰高度的精确控制，焊接位置的精确控制等[1]。
2 选择性焊接的概念
2.1 选择性焊接的工艺特点
可通过与波峰焊的比较来了解选择性焊接的工艺特点。两者间最明显的差异在于波峰焊中PCB的下部完全浸入液态焊料中，而在选择性焊接中，仅有部分特定区域与焊锡波接触。由于PCB本身就是一种不良的热传导介质，因此焊接时它不会加热熔化邻近元器件和PCB区域的焊点。在焊接前也必须预先涂敷助焊剂。与波峰焊相比，助焊剂仅涂覆在PCB下部的待焊接部位，而不是整个PCB。另外选择性焊接仅适用于插装元件的焊接。选择性焊接是一种全新的方法，彻底了解选择性焊接工艺和设备是成功焊接所必需的[2]。
2.2 选择性焊接的流程
典型的选择性焊接的工艺流程包括：助焊剂喷涂，PCB预热、浸焊和拖焊。
2.2.1 助焊剂涂布工艺
在选择性焊接中，助焊剂涂布工序起着重要的作用。焊接加热与焊接结束时，助焊剂应有足够的活性防止桥接的产生并防止PCB产生氧化。助焊剂喷涂由X/Y机械手携带PCB通过助焊剂喷嘴上方，助焊剂喷涂到PCB待焊位置上。助焊剂具有单嘴喷雾式、微孔喷射式、同步式多点/图形喷雾多种方式。回流焊工序后的微波峰选焊，最重要的是焊剂准确喷涂。微孔喷射式绝对不会弄污焊点之外的区域。微点喷涂最小焊剂点图形直径大于2mm，所以喷涂沉积在PCB上的焊剂位置精度为±0.5mm，才能保证焊剂始终覆盖在被焊部位上面，喷涂焊剂量的公差由供应商提供，技术说明书应规定焊剂使用量，通常建议100%的安全公差范围。例如：每平方米（m2）焊剂量为12.5g/m2，公差量上达25g/m2可保证可靠焊接质量[3]。
2.2.2 预热工艺
在选择性焊接工艺中的预热主要目的不是减少热应力，而是为了去除溶剂预干燥助焊剂，在进入焊锡波前，使得焊剂有正确的粘度。在焊接时，预热所带的热量对焊接质量的影响不是关键因素，PCB材料厚度，器件封装规格及助焊剂类型决定预热温度的设置。在选择性焊接中，对预热有不同的理论解释：有些工艺工程师认为PCB应在助焊剂喷涂前，进行预热；另一种认为不需要预热而直接进行焊接。使用者可根据具体的情况来安排选择性焊接的工艺流程。
2.2.3 选择性焊接工艺
选择性焊接工艺有两中不同工艺：拖焊工艺，浸焊工艺。
(1)选择性拖焊工艺是在单个小焊嘴焊锡波上完成的，如图1所示。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。为保证焊接工艺的稳定，焊嘴的内径小于6mm。焊锡溶液的流向被确定后，为不同的焊接需要，焊嘴按不同方向安装并优化。机械手可从不同方向，即0º~12º间不同角度接近焊锡波，于是用户能在电子组件上焊接各种器件，对大多数器件，建议倾斜角为10º。
与浸焊工艺相比，拖焊工艺的焊锡溶液及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，但单焊嘴的焊锡波质量小，只有焊锡波的温度相对高，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。
机器具有高精度和高灵活性的特性，模块结构设计的系统可以完全按照客户特殊生产要求来定制，并且可升级满足今后生产发展的需求。机械手的运动半径可覆盖助焊剂喷嘴、预热、和焊锡嘴，因而同一台设备可完成不同的焊接工艺。机器特有的同步制程可以大大缩短单板制程周期。机械手具备的能力使这种选择焊具有高精度和高质量焊接的特性。首先是机械手高度稳定的精确定位能力（±0.05mm），保证了每块板生产的参数高度重复一致；其次是机械手的5维运动（X、Y、Z、U、q）使得PCB能够以任何优化的角度和方位接触锡面，获得最佳焊接质量。机械手夹板装置上安装的锡波高度测针，由钛合金制成，在程序控制下可定期测量锡波高度，通过调节锡泵转速来控制锡波高度，以保证工艺稳定性。
尽管具有上述这么多优点，单嘴焊锡波拖焊工艺也存在不足：焊接时间是在焊剂喷涂、预热和焊接三个工序中时间最长的。并且由于焊点是一个一个的拖焊，随着焊点数的增加，焊接时间会大幅增加，在焊接效率上是无法与传统波峰焊工艺相比的。但情况正发生着改变，多焊嘴设计可最大程度地提高产量。例如，采用双焊接喷嘴可以产量提高一倍。对助焊剂也同样可设计成双喷嘴。
(2)浸入选择焊系统有多个焊锡嘴，并与PCB待焊点是一对一设计的，虽然灵活性不及机械手式，但产量却相当于传统波峰焊设备，设备造价相对机械手式也较低。根据PCB的尺寸，可以进行单板或多板并行传送，所有待焊点都将以并行方式同一时间内完成助焊剂喷涂、预热、和焊接。但由于不同PCB上焊点的分布不同，因而对不同的PCB需制作专用的焊锡嘴。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讲是重要的，也是困难的，因为工艺的稳定性可能依赖于它。
使用浸入选择焊工艺，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。选择浸焊工艺，可使用下列参数设置：
·焊锡温度275~300℃
·浸入速度20~25mm/s
·浸入时间1~3sec
·浸后速度2mm/s
·激波泵速率 按焊嘴数量定
3 结论
选择性焊接完全可以替代带有专用保护膜的波峰焊来实现对插装元件的焊接。尽管波峰焊具有较高的生产率，但选择性焊接具有更强的灵活性，而且也不需要使用价格昂贵的夹具。同时，在波峰焊中，焊接过程对板上已焊的表面贴装元件有着很大的影响。对于已焊有表面安装元件的PCB焊接，除了需要在已焊元件的表面贴覆专用的保护膜外，为保证焊点的质量，对焊料波的高度和压力提出了更为严格的要求。通常焊料波的高度要求达12mm，这样增加了锡渣的产生，更容易发生氧化并产生毛刺，必须用氮气加以保护。手工焊接的劳动力成本较高，同时容易产生诸如焊料过多或不足、助焊剂残留、残余热应力过大多种缺陷
。
与高工时成本的手工焊接工艺相比，选择性焊接则极大地提高了焊接的质量，这足以弥补其设备昂贵的不足。目前，在线的绝大多数产品平均约有20到400个待焊接点。选择性焊接由于具有很强的灵活性，同时整个工艺过程可以采用程序控制，从而为PCB的设计者缩小产品尺寸、降低生产成本、提高质量提供了新的工艺途径，并将逐渐成为最佳的焊接方法。
参考文献：
[1] 谢德康.选择性波峰焊：高端产品应用渐广[J].中国电子报，2005.4.22
[2] Gerjan Diepstraten. Selective Soldering[J]. Circuits Assembly, 2002, 13(9):38~42
[3] 第七届表面贴装技术研讨会论文集[D].中国电子学会生产技术学分会编，深圳，2003（8）
作者简介：鲜飞（1978-），男，本科，工程师，从事电子组装工艺技术工作，发表专业论文50余篇。
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