低碳圈

表面安装技术的迅猛发展促进了越来越多的表面安装电子元件在高密度电子产品中的广泛应用。即使如此，一些连接器、传感器、变压器和屏蔽罩等通孔元件的使用仍是难以避免的。表面安装设计标准IPC-SM-782A中介绍的双面电路板组装方式Type 2中的CX类就是这种典型的组装方式。电路板的双面装有大量的表面安装元件，但在某一面上还有一些通孔元件（比如图1）。在高端大型电子计算机产品中某些高性能微处理器芯片仍是多引脚PGA（针阵列式）封装的通孔元件，在电路板的两个表面都装有通孔元件的连接器，而且是相对方向插入的。（图2）

图1：IPC标准介绍的组装方式
这种电路板的组装工艺是采用双面回流焊把两个面上的表面安装元件先焊接好，而电路板上的一些通孔元件以往多数生产厂商是用手工焊接方法来解决的。然而众所周知手工焊的质量是因人而异的，一致性和可重复性难以保证，因此一些现代的大公司及一些高质量要求的电子产品规定不准使用手工焊接方法。
       近几年来开发的通孔元件回流焊工艺较好的解决了这个问题。但在实施中遇到很多问题。首先是要认证所使用的通孔元件能否承受回流焊的温度，因为原先的通孔元件焊接都是采用波峰焊工艺，仅仅是元件的引脚承受焊接温度，而在电路板上方的元件封装体承受的温度远远低于焊接温度。因此实际能应用回流焊工艺的通孔元件并不多，这是阻碍通孔元件回流焊工艺广泛应用的最主要因素。无铅焊料的应用使这一问题变得更加严峻，以往铅锡焊膏的回流焊峰值温度一般设定在220℃ 左右，而锡银铜无铅焊膏的回流焊峰值温度一般设定在240℃左右，因而能承受无铅回流焊温度的通孔元件的更是少之又少，使通孔元件无铅回流焊工艺解决方案受到严重阻碍。

图2：高端计算机中的电路板
      
       德国ERSA（埃莎）公司是焊接工具和焊接设备的专业生产厂，ERSA公司于1995年发明的全世界第一台选择性波峰焊接设备为表面安装电路板上通孔元件的无铅焊接提供了最佳的解决方案。德国ERSA公司的选择性波峰焊接设备有多种型号，为不同应用提供了多种选择方案，其中单喷嘴或双喷嘴顺序式选择性波峰焊接设备，主要部件有导轨式板子传送机构、助焊剂喷头模块、电路板底部预热模块、电路板顶部预热模块、带有喷嘴的锡槽等。其中锡槽温度、助焊剂喷射位置、助焊剂喷射量、波峰喷嘴的锡波高度、波峰喷嘴的运动路径以及波峰喷嘴的X、Y、Z三个方向的座标位置都可由专用软件精确编制控制。这种设备可以对电路板上通孔元件的单个焊点或成排焊点进行焊接，在应用上具有高度的灵活性。

       另一种设备是多点同步选择性波峰焊接设备，主要部件有导轨式板子传送机构、助焊剂喷头模块、电路板的预热模块以及为某特定的电路板或拼板而设计的多喷嘴平板，多个喷嘴中锡波同时上升到电路板的相应位置进行同步焊接。为提高喷射助焊剂的效率，可以使用一种掩模钢板，把板子上不需要喷涂助焊剂的位置掩盖掉。这种设备在应用上大大提高了生产效率，适用于品种少，批量特大的产品生产。图3为上述两种设备的焊接模块照片。
       还有一种选择性波峰焊接设备是上述两种设备的组合，既有单点顺序焊接模块又有多点同步焊接模块。这种设备具有生产速度快但又具有较高的灵活性，图4为该设备的示意图。
  
图4：VERSAFLOW Highspeed设备示意图  
       全自动无铅选择性波峰焊接设备的主要特点：
1、具有良好的连线能力，可以和SMT生产线有机地组合在一起。
2、电路板的进板方式与全自动贴片机完全一样，电路板通过导轨传送机构进入选择性焊接设备的助焊剂喷射模块，在需要焊接的部位喷涂定量控制的助焊剂后再进入预热模块，预热后进入焊接区。焊接过程仅仅是焊接喷嘴在X、Y、Z三个方向作精确运动，而电路板是不动的，因而电路板上所有的通孔元件位置不会受振动而偏斜。
3、电路板上方及下方都安装有预热模块（可选用红外预热模块或热风对流预热模块）。无铅焊料与铅锡焊料相比较，浸润能力较差，为提高无铅焊料在多层电路板通孔中的透锡能力，在电路板上方装有预热模块就显得非常必要。市场上某些选择性焊接设备在焊接过程中焊接喷嘴是固定不动的，而由机械手抓住电路板作X、Y、Z三个方向运动到喷嘴上面进行焊接，在电路板上方无法安装预热模块，通孔器件的透锡量就无法保证。而且板子运动可能会影响通孔元件的正确姿态。电路板上方具有预热模块的ERSA选择性波峰焊接设备在通孔中的透锡高度远比波峰焊，手工焊或机械手焊接好得多。
4、采用电磁泵作为焊料泵。很多波峰焊设备的焊料泵都采用涡轮泵，涡轮泵叶轮的旋转运动在液态焊料中会产生涡流，把焊料表面形成的锡渣及氧化物搅拌进液态焊料中，不仅影响焊点质量也增加了锡槽的维护成本。而电磁泵是根据感应式直线电动机原理而设计的，焊料只是作一个方向的流动而不会产生涡流，不仅可以减少锡渣的形成，提高焊点质量而且可以降低锡槽的维护成本。而且电磁泵内部没有机械运动，部件通常是不会有机械磨损的。
5、氮气环境下对改善无铅焊料的浸润能力及降低焊料的氧化是很有效的，设备结构上保证了最低的氮气消耗量，使设备的运行成本降为最低。
6、锡槽及喷嘴接触高温焊料的金属部分将会溶解于无铅合金的焊料中，无铅焊料对这些金属的腐蚀性比铅锡焊料还要强。与此同时，耐高温的不带有机溶剂的水基助焊剂（VOC free flux）在无铅选择性波峰焊接工艺中呈现出良好的特性，但也增加了金属部件的腐蚀性。因此不仅选用了抗腐蚀性更强的特种不锈钢材料，并在表面施加有高抗腐蚀性的保护镀层，增加了设备的使用寿命。
7、焊点形状的控制设定。这是德国ERSA公司的又一创举，他使我们的工程师能够第一次控制焊点的“胖”与“瘦”程度。在一些高密度的焊点中，一般的波峰焊很容易形成桥连短路，在这种情形下，我们可以在机器上设定“瘦”这样的焊出来的焊点就不容易造成桥连短路。（见图5）。
8、选择性波峰焊接可以对每个焊点的焊接工艺参数进行优化，如助焊剂喷射量、在喷嘴上方的停留时间（即焊接时间）以及需要的焊料与电路板的分离功能对某一焊点都可以单独设定，以达到最佳的焊接质量。因此选择性焊接的焊点质量远优于手工焊接、机械手焊接以及波峰焊接的焊点质量（见图6）。更为重要的是，由于助焊剂是点对点喷射，大大减少了它的使用量（可能3个月才用了1公斤助焊剂），离子污染大为减低，焊点的可靠性，质量当然就有了大大的提高。
9、多种编程方法。CAD编程方法、触摸显示屏上编程方法及摄像机示教编程方法使得设备的操作更加方便。
10、提供多种选择性波峰焊接设备便于各种应用。


图5：不同的设定可以获得                           图6：几种焊接工艺焊点质量比较
“瘦”或“胖”的焊点
       选择性波峰焊接工艺在欧美，部分中国电装行业已获得较为广泛的应用，随着中国汽车电子，军工电子，通讯电子等高端电子制造业的飞速发展，表面安装电路板上的通孔元件焊接，将会越来越多地采用选择性波峰焊接技术。