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小 发表于 2007-6-10 06:43 只看该作者
气相再流焊的新方法
作者：John Bashe
随着无铅再流焊工艺的引进，气相再流焊再度引起人们的兴趣，把它用于加热困难的电路板。现在，人们针对传统气相再流焊系统的局限性，引入一种基于喷射原理的新方法。用这种方法，用户能够精确地控制焊接介质蒸汽的数量同时在密闭腔体内对电路板进行再流焊。这种方法的再流焊温度曲线的控制程度和灵活性高于现有的气相焊接系统。它也降低了气相焊接系统的运作成本。
气相再流焊是利用热媒介质蒸气冷凝转化成液体的过程中释放出大量的热，用来加热组装件，迅速提高组装件的温度。对气相焊接而言，传热系数达到300 W/m2K的数量级，而强制对流焊（空气或氮气）的传热系数一般较小，是它的十分之一。在介质状态变化（气相转变）过程中，在PCBA表面上的温度始终保持恒定。因此组件均匀加热，与电路板的形状和设计无关。然而，由于传热很快，必须注意保证加热速度不能超过焊膏和元件供应商推荐的温度——通常最高是每秒2℃至3℃。选择一种沸点适中的液体，就能够把电路板和元件的最高温度控制在很小的温差（ΔT）范围内。气相再流焊工艺的优点就是ΔT小，特别是对于无铅焊接，它的工艺窗口一般较窄。这也可以避免出现元件过度加热的风险，因为印刷电路板和元件的温度不会超过所选择的焊液的沸点。最后，因为在焊接工艺中使用的液体不会发生化学反应，也就不需要再用惰性氛围来焊接了。这些是气相再流焊比强制对流焊炉更强的三个主要优点。
传统的气相再流焊
至今，所有气相再流焊系统都使用垂直槽。在一个槽里，把合适的液体加热到沸点，在液体上方产生蒸汽。把需要焊接的PCBA放到蒸汽里，蒸汽就会在温度较低的印刷电路板和组件上迅速凝结。此时的凝结速度是不容易控制的。没有办法影响加热速度。再流焊过程中控制加热（和冷却）速度受到垂直槽的限制。
在过去，人们用不同的方法来解决如何影响加热速度的问题。通常会在蒸汽区前设置另外的加热区，通过辐射或对流的办法预热组装件。这种方法的缺点是，在决定性（最高）焊接阶段，无法明显地左右温度的变化。如果在预热阶段使用红外（辐射）加热，就会造成加热不均匀，再流焊之前，元件之间就存在很大的温差。
在再流焊过程中用来控制温度上升速度的另一个办法是把组装件按顺序垂直地浸入蒸汽中。组装件浸入蒸汽层越深，能够得到的蒸汽就越多（图1）。在这个过程中，不需要考虑蒸汽（这是一种气体）和周围空气的接触面是否一致（是否是平的）。
图1渐渐浸入蒸汽中。用红线标出来的区域是有效的蒸汽体积。
图1渐渐浸入蒸汽中。用红
线标出来的区域是有效的
蒸汽体积。
把组装件浸入蒸汽层可能会产生湍流，并导致蒸汽与周围空气部分混合。一方面，这会导致蒸汽凝结量不可预测，另一方面，蒸汽凝结温度也会因为局部混入空气的压力曲线而改变。这个过程受到温度变化可重复性的限制。在再流焊之前，最好不要上下移动组装件。传统气相再流焊的局限性是：
● 在再流焊过程中控制温度上升速度的能力受到限制；
● 垂直传送印刷电路板难以适应生产线的要求；
● 在再流焊之前，垂直移动PCBA；
● 由于要消耗焊接介质（蒸汽损耗），运营成本高；
● 难以和真空（无气泡）焊接工艺相结合。
喷射法
喷射法是专门为了解决垂直槽法的局限性而研制的。它先用横向传送带把组件送到处理腔中，然后把处理腔密封起来。处理腔的底面和侧面有加热元件，可以把处理腔内表面加热到预先设定的温度。然后，把一定数量的液体介质氟油喷入处理腔中。当液体接触到处理腔的内表面，就会沸腾并形成蒸汽雾。测量喷入腔内的液体数量，就能够控制加热速度并根据每一种PCBA的受热特性进行调 节。加热速度与腔内的蒸汽量成正比（图2）。在这个过程中，用真空泵从处理腔内抽出一部分蒸汽，也能够在再流焊之前降低加热速度，形成不同类型的温度曲线（马鞍型和直线型）。也可以通过编程来控制在再流焊之后的抽出蒸汽的速度，从而控制冷却的速度，一般是每秒2℃至3℃。抽出来的蒸汽再次凝结、滤去助焊剂，再回到存储槽中。整个过程的循环时间和对流再流焊炉相差无几。这个工艺也与市场上的锡铅和无铅焊膏兼容。有不同等级的氟油液体，根据工艺要求，沸点在210℃到260℃之间。
一般而言，大多数气相再流焊适合于小批量生产。使用喷射技术的系统足以满足这类生产的要求，然而，因为它使用的是水平传输系统，所以这种技术也可以很容易地用到产量较高的在线生产中。在线系统的传送带既可以是单向的也可是双向的。对在线系统而言，输入传送带一边接收多个印刷电路板，一边就把它们送给处理腔。在同一时间内，处理腔里的印刷电路板的数量取决于电路板长度。当再流焊工艺完成时，把焊接好的印刷电路板送到输出传送带上，在传送到下一个工艺之前，需要把它们冷却到安全的温度上。
图2 利用介质喷射量来影响温度曲线（Ts=230℃）。
真空焊接
气相再流焊系统可以在焊接后形成真空，能够清除熔融焊点中的气泡。因为基于喷射技术的气相再流焊系统在焊接过程中使用密封腔，这就很容易把真空处理纳入到这个工艺中去。在压力小于20毫巴的真空中，能够得到优良的无气泡焊点。在生产用于高功率产品的组装件时这个功能非常有用，对于这些产品，把元件的热量有效地传给电路板十分重要。除去焊点中大量的气泡能够保证这些组装件的性能可靠。
真空度可以是固定的也可以是变化的。利用变化的真空度可以让大气泡逐步移到焊盘的外缘，防止焊点飞溅。在焊接和真空处理过程中，组装件固定在密闭处理腔内。使用垂直槽的传统系统，要求在液相阶段把电路板垂直传送到它的上面，形成密封腔，然后进行真空处理。在再流焊结束之前，最好不要移动组件，增加这一步也会增加整个工艺的循环时间。
图3 使用喷射技术的在线气相再流焊系统。
关于成本的考虑
在成本方面，与对流再流系统相比，气相再流焊系统有若干优点，其中有功耗较低（一般为5－7千瓦），不需要使用氮气来进行惰性氛围焊接。
长期以来，气相再流焊系统的运作成本之所以高，是因为焊接介质液体会因蒸发而损失以及再流焊后电路板不能完全干燥。而基于喷射技术的系统是封闭的，可以防止蒸汽逃逸到周围环境中。所以，这些系统的损耗率低，每个循环消耗的液体一般在1克至1.5克。
氟油液体的价格约为每加仑650美元（一加仑是6850 克），以此计算，每个再流循环需要0.10美元。由于液体是惰性而且无毒的，因此，处理废物的费用也是最低的。而且，由于处理腔并不总是装着液体，所以可以根据需要定期清洗。
结论
因为气相再流焊的传热特性好，所以最适合用来焊接批量大、热处理困难的组装件。对于工艺窗口较窄的无铅焊接，气相再流焊是理想的工艺。气相再流焊技术的最新发展提高了工艺的灵活性并降低了运作成本。
作者简介
John Bashe是美国REHM公司总经理
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