[分享] 无铅时代的模块对流回流技术

aaron_yan

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1^# 大中小发表于 2007-9-2 06:49 只看该作者

无铅时代的模块对流回流技术

随着无铅的切换，市场上缺乏柔性、高端的SMT焊接回流炉，导致模块对流技术的发展，该技术具有更好的温度均匀性等众多优势，能避免传统和无铅工艺的局限。

无铅焊接工艺的需求导致回流炉的革新，回流炉正变得越来越长，温区和控制参数增加，以满足产能需求。使用这样的设备，回流炉温曲线的调制变得越来越复杂，为了保证焊接效果，需要进行严格的工艺控制。

现有的在线回流炉的确已有相应的解决方案来解决上述调整和困难，但业界仍然在寻找性能、柔性和拥有成本之间最折衷的解决方案。现有的已知解决方案都是短期解决方案，它是用现有技术在无铅要求的较窄工艺窗口下应用，但由于它们在质量、柔性或拥有成本方面都存在这样那样的弊端，所以它们无法保证完全达到用户的要求。例如，在新回流炉的热扩散方面就存在以下的弊端或局限：

• 提高回流炉长度可以降低热扩散，但回流炉的占地面积变大，占用了昂贵的厂房空间，同时限制了生产线布局柔性

• 提高对流速度是另一个解决方案，但它可能导致元器件在回流时移位，并会导致氮气消耗增大

解决回流问题

多年以来，各种回流炉制造厂商都试图找到一种可以解决现有回流炉所有相关问题的解决方案，这些需求包括：

• 减少占地空间

• 提高产能和柔性

• 极佳的温度均匀性

• 避免传送轨道翘曲和变形

• 带高温计的SPC控制

• 减少电量和氮气消耗

• 自清洗系统

• 环保

模块对流是一种使用对流的技术，由ViTechnology公司开发，它能满足上述所有需求。它是一种具有汽相技术所有特点的一种技术（并不是汽相技术），但没有使用液体、产能低、焊点空洞增加、小片式元件（0402和0201）产生墓碑等缺点。

系统柔性

以ViTechnology推出的X-600模块对流系统为例，它由两个上板和下板升降台：一个在入口，一个在出口；它们用来进行上下板，可与两或三个堆叠的模块对流单元通道之一进行接驳，每个通道都由四个模块对流单元组成(图3)，每个模块对流单元都可单独控制（这点与传统的纵向回流炉不同）。

每个具有四个模块对流单元的通道都可同时加工处理四或八块单板（取决于单板大小），每个模块单元中可以同时处理一或两块板。通过每个通道的逐层上下板[按照先入先出（FIFO）原则]，整个炉子总共可以同时处理12块单板(如果是小板，可以达到24块)，故产能和生产率是很高的。由于每个“模块对流”单元和每个通道都是单独控制的，如果需要可以在每个通道调制出不同的回流曲线，这样保证了系统的总体柔性。

温度均匀性

每个通道都有四个模块对流单元：三个加热模块单元和一个冷却模块单元（图4）。特殊设计的先进单板传送系统支撑PCB在模块间传送，PCB在每个模块内是静止的，对应预热、均热、回流和冷却阶段。

PCB在模块室内保持静止状态，模块室内的温度是均匀的，这样能保证整个PCB区域的同时加热（图5），这样就避免了传统回流炉内PCB前后会产生温度梯度的问题，传统回流炉加工导致的PCB温度梯度会导致单板产生翘曲、焊点弱化等缺陷，反过来也会影响回流炉内的温度均匀性。

每个加热和冷却模块室之间是物理隔离的；另外，单板处理系统的专利技术系统可实现模块室间热隔离，可避免模块室间的边缘效应和热传递。在传统的回流炉中，传递带会导致横向温度不均匀，虽然有些回流炉增加了侧面加热模块可以有所缓解，但温度不均匀还是会存在。

已申请专利的顶部和底部强制对流模块（图6）减少了横向对流，这样保证了PCB区域内的温度均匀性和热传递效率。对流喷嘴的布局、设计和分布，可以确保作用在PCB上的热风锥流尽可能地均匀，确保每个热风锥流的影响区域刚好相邻；由于对流喷嘴分布合理，在加热单板时，空气接触到PCB变冷后，不是在PCB上漫流，而是直接返回抽风扇。所有这些参数，包括对流喷嘴直径、喷嘴分布和吹风单元到PCB之间距离，都进行了仿真分析，从而保证了最佳效果，这些子系统也都申请了专利。

这一分布能让模块室尾端的加热空气和PCB之间的温度梯度非常低（图7），优化的热传递方式可以限制热扩散（具体取决于元器件情况），可以保证用同一回流曲线焊接各种单板的数量非常多，大大减少了工艺验证的工作量以及制造控制的必要性。

单板的快速传送

模块对流技术中专门应用了一种已申请专利的单板处理系统（图8），它能保证PCB从一个模块室到下一个模块室的无振动、快速传送；同时，单板支撑系统定位功能强大，非常方便，并且能够能用同一套系统支持双轨应用。

单板经过模块对流单元的过程简介

图9图示了单板经过一个模块对流系统的各个阶段的回流温度曲线。

单板首先进入第一个模块对流单元，在这样它被缓慢加热，以保证元器件缓慢升温（不超过元器件所允许的耐升温速率规格），单板一直加热到回流曲线所要求的均热温度；一旦达到均热温度，四个模块室的隔离门就会快速开启，让单板进入到第二个模块对流单元中，这个过程中不会对单板回流曲线造成任何不利影响。

一旦达到回流温度，焊膏温度超过液相线，第三和第四模块对流单元之间的隔离门会开启，单板进入冷却单元；一旦进入冷却单元，冷空气会吹向单板以所需的冷却速度进行冷却，整块单板被均匀地冷却，避免翘曲和焊点弱化。

SPC统计过程控制

通过应用每个模块单元内部的高温计进行温度监控，整个对流系统实现完全的闭环和统计过程控制 (SPC)。高温计可精确测量PCB周边空气气流及PCB板上的温度。在传统的回流炉中，空气和单板都在移动，只能定期校准回流通道内的气流温度和传送带速度。

高温计测量得到P C B 上的实际温度，系统可以实时收集这些数据并用软件进行SPC控制，每块单板的实际温度和回流曲线可以提交系统存储或进行SPC趋势分析和跟踪。

柔性和成本优势

模块对流是一种柔性技术，不仅体现在P C B的温度控制是通过高温计测量单板温度实现的，而且体现在系统的框架上。四个模块对流单元可保证每个通道的最大温度和回流曲线的柔性，它们完全能进行独立编程控制，而且每个通道也都是相互独立的，可以进行单独编程控制。

通过可编程的输入和输出单元，可以同时加工不同尺寸的单板。它的好处是如果产能下降，不需要一个或两个通道时，这些通道可以关掉，以避免耗电。还有一个好处是，回流炉可以依次开启各个通道，从而避免系统启动的大电流需求。许多公司仅仅为了满足回流炉启动时的大电流需要，不得不在工厂内增加电站，这种电站的安装和维护也较为昂贵。

为了降低停机时间，模块对流X-600回流炉具有能够在一个通道进行炉温设置的同时，另两个通道仍然正常工作的特性；这是因为这些单元能进行单独控制，对流单元是在没有外在联系和干扰的状态下闭环工作。当使用氮气时，整个回流炉的氮气使用量可降低50%，同时残氧量水平非常低。

自清洗系统
模块对流技术的另一个主要优势在于系统具有内嵌式助焊剂清洗系统，它能确保每个模块单元保持干净，不受任何助焊剂残留物的污染影响。空气经过加热模块单元时进行了过滤，在每个单独独立通道中，助焊剂残留被归集到收集模块中。

这些助焊剂收集模块（图10）在回流炉使用的同时收集助焊剂残留，每个助焊剂收集模块都与助焊剂清洗系统相连，助焊剂清洗系统是闭环控制的，它可清洗出助焊剂残留物，使其流入回流炉底部的易更换的助焊剂残留物收集器中。在助焊剂收集模块中的液体需要每周更换一次，这样将设备的保养停机时间降低到每周不到五分钟。一旦完成清洗，空气会在回送到加热模块对流单元前，先循环到冷却模块中。

结论
无铅焊料回流存在两个主要的永恒难题：回流温度更高和助焊剂残留物增加。使用模块对流技术，可以使单板加热温度受控。传统的回流炉为了达到这一高温，需要处理传动带变形、加热器寿命降低、温度均匀性变差和助焊剂残留物难以处理等难题。对于模块对流技术而言，即便温度再高，其温度也是可控的，而且干净。该技术还有减少占地空间、自清洗、减少停机时间、易于维护和环保等优势。这项技术有望成为未来的标准。

无铅工艺的挑战和需求

无铅工艺的需求会对焊接工艺提出新的挑战，再加上原有的焊接工艺问题，这些挑战和困难可归结为以下几点：
• 需要减少组装单板上的ΔT；因为无铅工艺的焊接温度更高，锡膏熔点接近于元器件供应商所允许的最大耐温
• 需要提高助焊剂残留管理系统的效率和可维护性，以降低设备停机时间；因为无铅锡膏中的有机成分比重增加了，助焊剂的残留物会增多
• 在焊接温度高于PCB Tg点（玻璃化转化温度）时，需要确保PCB的完整性（各种材料参数）
• 需要提高柔性，包括制造设备的柔性，以更好地实现多品种小批量产品生产的快速换线
• 需要改善整改焊接工艺的质量控制，因为无铅工艺的工艺窗口较窄

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索

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