摘要：
眾所周知,在波峰焊中使用氮氣保護可以顯著降低錫渣的產生量并提高焊錫的潤濕性能.對于無鉛波峰焊來說,氮氣焊接保護具有更大的好處.但是,目前仍然缺少一種成熟的波峰焊氮氣保護技術.
本文介紹了一種適用于波峰焊的新型氮氣保護系統,它使這項技術更具有成本效益,使用更加簡便.實驗室試驗數據和生產試驗數據均表明,這種技術具有以下優勢：1、低氮氣消耗量；2、低氮氣管堵塞概率；3、低改造成本；4、極少錫渣形成；5、減少機器的清潔次數；6；節省助焊劑使用量；7、降低焊接缺陷率.
在波峰焊過程中使用氮氣,以形成一個惰性保護層來盡量減少焊料氧化是一項廣為人知的技術,該技術不僅節省焊料,降低維護要求,而且提高焊料的潤濕性,并可確保焊點的質量.這種氮氣保護技術可應用于現有的波峰焊機,只需要在錫鍋中安裝一個內部裝有氮氣管的保護罩（見圖1）即可.因為氮氣層可以覆蓋整個錫鍋,從而降低焊料氧化比例.
在電子行業,隨著無鉛焊接逐步取代有鉛焊接,氮氣保護在波峰焊中的價值進一步提升,這主要有以下幾個原因：1、無鉛焊接比錫鉛焊接溫度高30～40℃；2、制程溫度的顯著提高在很大程度上增加了錫渣的產生；3、無鉛焊接工藝的成本一般是傳統有鉛焊接的3～4倍.因此,在無鉛波峰焊工藝中,由于錫渣而產生的成本浪費造成的經濟損失要大得多.此外,與傳統有鉛焊接相比,無鉛焊接的焊料潤濕性先天不足,而且無鉛焊點在形成過程中更易氧化.
但是,目前仍然缺乏一個成熟的波峰焊氮氣保護技術,這在很大程度上阻礙了氮氣焊接技術的推廣應用.具體來說,要取得技術突破,就需要解決以下幾個問題：1、必須盡量減少氮氣消耗量,以提高該技術的性價比；2、錫波表面上的氧氣濃度必須低于可接受的水平,以達到低錫渣產生率和低焊接缺陷率目標；3、必須防止焊料飛濺以及助焊劑蒸汽堵塞氮氣管,以確保氮氣管的導通和持久工作要求；4、改造工作必須盡可能簡單,以降低成本.
本文介紹了新一代波峰焊氮氣保護系統的最新研發成果,該系統解決了上述難題,實驗室和生產試驗數據表明,這項已取得專利的新技術具有出色的性能和諸多優勢.
技術研發
氮氣管的選擇
氮氣波峰焊惰性保護系統使用的氮氣管通常是使用多孔不銹鋼管制成.氮氣管的參數經過優化,以形成層流狀的氮氣保護層,有利于減少焊接區域外空氣的滲入.我們對氮氣管的氣體滲透性進行了詳細的研究,如表1所示,三根氮氣管分別被評定為A、B和C級,其中A級具有最小的孔隙率,C級具有最大的孔隙率,較高的孔隙率源于較大的孔徑.
進行測試時,氮氣被通入每根無縫氮氣管內,在給定氮氣流量下,測量每根氮氣管的進口(Pup)和出口(Pdown)的壓力.氮氣管進出口之間壓降的計算公式如下：
氮氣管上下游之間平均壓力的計算公式如下：
如果P/Pave遠小于1,則可以認為多孔管流出氣體是層流模式；反之,如果P/Pave接近1,則說明湍流氣體占主導地位.如圖2所示,A級氮氣管的P/Pave值最小,遠低于1,完全符合氮氣氣流的要求.雖然A級氮氣管從層流的角度來看是最佳選擇,但還是應該考慮其他一些因素,如氮氣管中的氣流量和層流氣體可覆蓋的最遠距離等.
三維計算模型是沿氮氣管壁壓力下降與氮氣管單位面積氮氣流速的對數坐標圖,氮氣管的氣流阻力根據氮氣管對應曲線的斜率估計得出.
圖4是一個建模計算結果示例,顯示整個雙波焊錫鍋的氧氣分布狀況.
具體地說,助焊劑污染可能來自于氣相階段或液相階段.在波峰焊過程中,當線路板進入焊接區時,液態的助焊劑會均勻的噴到線路板上,一部分在線路板進入預熱區時蒸發,其余部分在線路板進入錫鍋波峰時揮發,特別是當線路板接觸到波峰時,揮發得更快.當溫度低于助焊劑的沸點（約150℃）時,助焊劑蒸汽可凝結在固體的表面,而接近波峰焊區域的氮氣管很容易被助焊劑蒸汽凝結物堵塞；此外,當線路板接觸到波峰時,其上的助焊劑殘留物可能會污染熔融焊料,當熔融焊料接觸氮氣管時,這些殘留物可能會沉積在氮氣管表面.為了防止氮氣管堵塞,有必要消除液相污染和氣相凝結.
如圖1所示,一般來說,雙波峰焊氮氣保護系統的保護罩內部有三根氮氣管,它們分別位于擾流波的前部、平流波的后部和二者之間.中間氮氣管極易受到兩端焊料飛濺和助焊劑污染,這主要歸因于波峰的持續動態運動和波峰間狹小的空隙.前面的氮氣管非常接近熔融焊料表面,很容易通過直接接觸熔融焊料受到污染；后面的氮氣管由于距離熔融焊料表面較遠,其相對較低的溫度可使助焊劑蒸汽凝結在氮氣管表面.
為了防止前端和后端氮氣管受到熔融焊料飛濺和助焊劑蒸汽凝結而污染,一種設計方案是將前端和后端氮氣管置于錫鍋之外（見圖5）.為了保持氣體流通,每根氮氣管之間留有一個氣道.這種設計的目的是確保每根氮氣管的氣體單向流入錫鍋,從而消除或減少助焊劑蒸汽在氮氣管表面的凝結.
防止中間氮氣管堵塞是一個復雜的挑戰,因為堵塞可能是由于焊料飛濺、助焊劑凝結或與熔融焊料直接接觸所造成的.為了解決前面兩個問題,一種設計方案是提高中間氮氣管的溫度,具體的做法是在中間氮氣管上安裝一個金屬鰭片,即將金屬鰭片插入熔融焊料（見圖6）.通過保持高于焊料熔點的氮氣管溫度,可以防止焊料飛濺物固化,并避免助焊劑蒸汽凝結在表面上；這種設計利用了氮氣管表面的高表面張力和非潤濕性,可以使飛濺的焊料自動滑落.
如前所述,助焊劑殘留物可以與熔融焊料混合,從而在氮氣管接觸熔融焊料時沉積在氮氣管表面.我們正在考慮多種選擇方案,以減少或消除這個問題.
實驗室評估
氧氣濃度分析
我們使用NovaStar雙波峰焊機進行實驗室研究.波口寬度為十英寸（254mm）,保護罩和三根氮氣管如圖6所示安裝在錫鍋內部,錫鍋溫度保持在260℃,將一塊模擬線路板用的石英板安裝到活動鏈條上并固定于錫鍋頂部.為了檢測氧氣濃度,在錫鍋周圍安裝了八根氣體取樣管（見圖7）,每根取樣管中的氧氣濃度通過氧氣分析儀進行測量.如圖8所示,錫鍋周圍所有八個位置的氧濃度低于400ppm,氮氣總流量為12 Nm3/ hr或更低,從三根氮氣管中流出的氮氣流量值以“前/中/后”（單位：Nm3/hr）的形式表示.
中間氮氣管 ?br /> 犖搜櫓だ酶呶呂捶樂怪屑淶鼙緩肝廴鏡撓行?，晤U親急噶艘桓齟薪鶚赭⑵牡埽?）.圖10表明,在溫度為260℃的雙波錫鍋中,安裝在工作位置的氮氣流速為4 Nm3/ hr的中間氮氣管表面沒有任何焊錫殘留.飛濺到氮氣管表面上的焊錫都會從氮氣管表面滑落,因為金屬鰭片的導熱性能使中間氮氣管的溫度高于焊錫熔點,從而使飛濺到上面的焊錫無法凝固.
焊渣的形成
我們對氮氣保護條件下的錫渣產生率進行了研究,并將它與空氣條件下的錫渣產生率進行了比較.用于研究錫渣產生的錫鍋內部表面積為10”× 11.5”.進行氮氣保護條件下的錫渣產生進行分析時,錫鍋中安裝了帶有三根氮氣管的保護罩（如圖6所示）.錫鍋溫度維持在260℃且雙波峰同時運轉.將一塊模擬線路板用的石英板裝到活動鏈條上,并固定于錫鍋頂部.每根氮氣管的氮氣流速被設定為4Nm3/hr.進行空氣條件下的錫渣形成分析時,將保護罩和三根氮氣管拆除,其他條件保持不變.如圖11所示,使用氮氣保護時,錫渣產生率大大降低,僅為空氣條件下的3～6％.在此實驗中,氮氣氣源中的氧氣濃度約為5ppm.
生產試驗
為了進一步驗證氮氣保護技術的有效性,我們與研華股份有限公司（中國臺北）合作,進行了一系列的生產試驗.在這些生產試驗中,由于機器和制程的限制,我們使用了一個經過改造的氮氣保護系統.改造內容如下：
在錫鍋上方安裝了一個上保護罩,保護罩的兩側都裝有軟簾,以進一步加強氮氣保護效果,如圖12、圖13所示.
中心氮氣管安裝在上罩內部.
系統中三根氮氣管的氮氣流速均為4 Nm3/hr.錫鍋周圍區域的平均氧氣濃度為2000-3000ppm.為了測量氮氣保護區域的氧濃度,我們使用了一臺帶有采樣泵的氧氣分析儀.下面是使用氮氣保護系統進行一個月試驗之后測得的結果：
1、錫渣產生量減少；
從表2可以看出,焊渣產生量減少了6.4～2.9千克,實際錫渣減少率為53%,超過了預先設定的目標（減少50%）.條件：氮氣氣源的氧氣濃度44ppm,壓力：3kg；波峰高度95%的最大高度,波峰寬度350mm.
2、設備維護時間縮短；
在未應用氮氣保護技術之前,研華公司每天需要花40分鐘來清除錫鍋中的焊渣.在氮氣保護生產試驗期間,日常錫鍋維護時間減少至15分鐘,機器停機時間減少了60%.
3、助焊劑用量節??；
表3顯示,應用氮氣保護技術可以降低助焊劑用量.在生產系統中應用氮氣保護技術之后,每天可以減少10%的助焊劑使用量.
4、缺陷率降低； 這相當于返工率下降了10%.在通孔填充改善方面,在應用氮氣保護和空氣條件下的標準生產過程中觀測到的數據沒有顯著差異.
5、實際效果小結.
表4給出了在研華公司波峰焊接工藝中應用氮氣保護系統所獲得的實際效果.如上所述,每月可實現45,800 NTD的總體成本節約.
總結后氮氣管蓋、中間氮氣管金屬鰭片和雙層頂蓋,經過驗證可有效減少焊料和助焊劑堵塞,從而縮短停機時間.通過在研華工廠進行初步測試,該系統具有的優勢得到了進一步的證實.
為了盡量減少定制的影響和使系統能夠適用于各種型號的波峰焊,我們目前正在評估多項標準設計方案,包括進一步優化中間氮氣管的設計以減少堵塞,提供更有效的保護性能和設計靈活性,以解決不同波峰焊爐大小/形狀差異問題.
經過驗證,新型波峰焊接氮氣保護系統設計可靠而靈活,只需進行簡單的改造,就可以適應設備變化.生產力和質量的改進以及維護工作量的減少使這種新系統能夠幫助印刷線路板組裝行業的客戶降低營運成本.
欲聯系作者,請email致: wangvy@airproducts.com.
