高文 林杉 張琪 陸玉

摘要：本文對(duì)適用于SMT工藝的自主研發(fā)真空回流焊爐進(jìn)行了介紹，包括了設(shè)備組成、傳動(dòng)的設(shè)計(jì)、真空腔的設(shè)計(jì)、抽真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)邏輯控制原理。簡(jiǎn)要的介紹了真空回流焊爐的設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用，為回流焊工藝提供了可靠解決方案。

關(guān)鍵詞：回流焊爐、傳動(dòng)、真空

1引言

熱風(fēng)回流焊一般采用加熱器和風(fēng)扇使?fàn)t內(nèi)空氣或氮?dú)馍郎夭⒀h(huán)來(lái)均勻加熱工件，具有加熱效率快、溫度均勻度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也帶來(lái)處理后的焊接空洞率較高的問(wèn)題，影響產(chǎn)品的使用效果和可靠性，針對(duì)此問(wèn)題，最有效的方法是在熱風(fēng)回流區(qū)后面增加真空腔，使焊接后的焊接空洞率大大下降，基本可以將空洞率降至2%以下[1]。為了掌握最新的工藝技術(shù)、跟上行業(yè)發(fā)展的主流、提高產(chǎn)品的科技含量，我司研制了一臺(tái)真空回流焊爐。

2真空回流焊工藝

真空回流焊接工藝是在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)回流焊接的新型焊接技術(shù)，近些年才隨著設(shè)備一同引入國(guó)內(nèi)。真空回流焊接工藝之所以能夠在減少焊點(diǎn)空洞的原因在于三個(gè)方面，一是真空環(huán)境下熔融焊料的流動(dòng)阻力小，焊料表面張力降低，氣泡容易突破焊料的阻力排出[1]，二是由于氣泡和外部真空環(huán)境存在著壓強(qiáng)差，氣泡變大，靠近邊緣的氣泡更容易逸出，三是氣泡組分的沸點(diǎn)隨壓力降低而降低，沸騰的氣體組分更容易擺脫焊料阻力的束縛[2]。真空回流焊工藝流程見(jiàn)圖1，將進(jìn)入回流區(qū)后半段的產(chǎn)品送入獨(dú)立的真空倉(cāng)內(nèi)，在焊點(diǎn)還處熔融狀態(tài)時(shí)將真空倉(cāng)內(nèi)氣壓降低到500pa以下并保持一定的時(shí)間，迫使氣泡從焊料內(nèi)逸出，然后再將產(chǎn)品輸送至冷卻區(qū)冷卻，從而獲得空洞率低的焊點(diǎn)。

真空回流焊接工藝增加了4組工藝參數(shù)，即真空度、真空保持時(shí)間、抽真空時(shí)間與充氣時(shí)間（見(jiàn)圖2）。真空度和真空保持時(shí)間關(guān)系著能否有效排出焊點(diǎn)氣泡。控制抽真空時(shí)間與充氣時(shí)間是為了控制升降壓速率，防止因壓力變化過(guò)快導(dǎo)致焊點(diǎn)炸錫或器件移位。一般常用焊膏的總加熱時(shí)間有限，為了保證焊點(diǎn)的成型質(zhì)量，整個(gè)真空工藝循環(huán)時(shí)間通常不超過(guò)60s。

3設(shè)備組成

真空回流焊爐主要由加熱段、真空段、冷卻段組成，傳動(dòng)部分由前級(jí)傳動(dòng)組件、真空腔傳動(dòng)組件、后級(jí)傳動(dòng)組件組成，抽真空系統(tǒng)由真空腔、抽真空控制管路和真空泵組組成，另外輔有助焊劑回收及過(guò)濾裝置、進(jìn)出口收集裝置、冷卻裝置、框架及外圍掛板等。設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖3所示、設(shè)備長(zhǎng)度及溫區(qū)劃分如圖4所示。

3.1主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)回流焊設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)為鏈條傳動(dòng)或鏈條加網(wǎng)帶的傳動(dòng)形式，輸送鏈或網(wǎng)帶貫穿整個(gè)設(shè)備。真空倉(cāng)的引入迫使傳動(dòng)系統(tǒng)必須采取分段形式，使得結(jié)構(gòu)和控制更為復(fù)雜。圖5是一種的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意，采用可調(diào)寬的鏈條傳動(dòng)形式，沿設(shè)備長(zhǎng)度方向分為升溫段傳動(dòng)、真空段傳動(dòng)和冷卻段傳動(dòng)，每段傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括獨(dú)立的軌道、鏈條、動(dòng)力單元、中央支撐機(jī)構(gòu)，進(jìn)口和冷卻段的傳動(dòng)還設(shè)計(jì)有自動(dòng)注油系統(tǒng)。

分段式傳動(dòng)帶來(lái)的最大影響在于影響了傳動(dòng)的平穩(wěn)性。對(duì)接處的間隙限制了工件的最小長(zhǎng)度，一般工件長(zhǎng)度要大于間隙尺寸的3倍以上時(shí)才能保證平穩(wěn)過(guò)渡，這是需要特別注意的。不同段傳動(dòng)的水平高度差和軌道間距差異也影響著傳動(dòng)平穩(wěn)性，因此在結(jié)構(gòu)上采用了可調(diào)結(jié)構(gòu)，用于補(bǔ)償裝配誤差（圖6）。

獨(dú)立的動(dòng)力單元能實(shí)現(xiàn)每段傳動(dòng)鏈速可單獨(dú)調(diào)整，但是加工誤差的存在使得每段傳動(dòng)的實(shí)際鏈速存在細(xì)微差異，對(duì)含有小型器件（如Chip封裝器件）的產(chǎn)品是不利的，需要在在設(shè)備調(diào)試階段就要完成鏈速的校準(zhǔn)。然而，分段獨(dú)立傳動(dòng)也有優(yōu)點(diǎn)，可以在滿足真空工藝循環(huán)節(jié)拍的條件下將冷卻段鏈速降低，在不增加冷卻長(zhǎng)度的情況下提高產(chǎn)品的冷卻效率。

3.2真空腔設(shè)計(jì)

真空腔體結(jié)構(gòu)分為上腔體、下腔體、內(nèi)部傳動(dòng)裝置和上腔體頂升機(jī)構(gòu)，如圖7所示。真空腔體置于爐體高溫區(qū)，在產(chǎn)品焊料處于熔融狀態(tài)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行抽真空消除焊接空洞。從產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入真空腔至產(chǎn)品完全出真空腔，時(shí)間周期約90秒鐘左右（實(shí)際以工藝需求為準(zhǔn)），隨后進(jìn)入冷卻區(qū)冷卻，抽真空流程如圖8所示。下腔體有四個(gè)支撐，可調(diào)整運(yùn)行平面度。下腔體連接CF50法蘭波紋管，與抽真空控制管路連接。上下腔體采用密封圈進(jìn)行密封。

真空腔內(nèi)部采用鏈條式傳動(dòng)，一側(cè)導(dǎo)軌與中央支撐調(diào)寬均采用斜齒輪與梯形絲杠組合式進(jìn)行調(diào)寬，采用編碼器進(jìn)行位置定位，斜齒輪遠(yuǎn)離高溫區(qū)，兩根梯形絲杠傳動(dòng)之間增加聯(lián)軸器，獨(dú)立調(diào)整相對(duì)位置。傳動(dòng)軸與真空腔壁采用動(dòng)密封連接。整體結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精度高。如下圖9所示。

上腔體頂升機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠與同步帶組合式傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)上腔體的周期性上升下降，開(kāi)啟和關(guān)閉真空腔。采用伺服電機(jī)傳動(dòng)，功率100W，額定扭矩0.32Nm，總體安全系數(shù)可達(dá)7，開(kāi)關(guān)腔最快時(shí)間可達(dá)3秒左右。

3.3抽真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抽真空組件布置于爐體真空段靠近爐體背面，遠(yuǎn)離爐體高溫區(qū)，真空管路上布置有破真空裝置、過(guò)濾裝置、真空計(jì)、閥門、真空泵等部件，實(shí)現(xiàn)周期性抽真空動(dòng)作。假設(shè)抽真空預(yù)定值為200Pa，最快抽真空時(shí)間為6秒，查閱真空手冊(cè)可計(jì)算泵體的抽速。抽速計(jì)算方式如下：

其中真空腔體積：

修正系數(shù) 取1.5，目標(biāo)真空度在（查閱真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]）

真空設(shè)備極限壓力p取10Pa（查閱真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]）

可以計(jì)算出泵的名義抽速：

選擇真空泵抽氣速度為 ，可達(dá)到預(yù)想的真空預(yù)定值及抽真空時(shí)間。

3.4傳動(dòng)運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)

傳動(dòng)的邏輯原理主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝的應(yīng)用以及各種異常工況的報(bào)警，以下圖12為例，傳動(dòng)主要由升溫段傳動(dòng)、真空段傳動(dòng)、冷卻段傳動(dòng)組成，在真空段前端和后端分別布置光纖傳感器，正常工況條件下，工件觸發(fā)S1信號(hào)，延時(shí)X/V1 s后，真空段傳動(dòng)電機(jī)停止，V2=0，上腔體開(kāi)始下降，當(dāng)?shù)轿婚_(kāi)關(guān)S4觸發(fā)后，腔體關(guān)閉，開(kāi)始執(zhí)行抽真空程序。當(dāng)S1信號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)大于t1=L/V1，系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)料異常報(bào)警，強(qiáng)制終止后續(xù)動(dòng)作，直至手動(dòng)消除報(bào)警，可能的異常原因?yàn)楫a(chǎn)品未正確進(jìn)入真空腔的傳動(dòng)軌道，卡在兩段傳動(dòng)之間。報(bào)警可防止強(qiáng)行關(guān)閉腔體，而導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。以此邏輯實(shí)現(xiàn)整體傳動(dòng)的運(yùn)行及控制，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的需求。

3.5助焊劑回收系統(tǒng)

受助焊劑特性影響，長(zhǎng)期運(yùn)行的回流焊爐膛內(nèi)表面殘留凝結(jié)有大量的助焊劑，會(huì)污染產(chǎn)品表面，降低焊接質(zhì)量。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)在的回流焊設(shè)備上都配備有助焊劑回收裝置。最常見(jiàn)的是冷凝過(guò)濾回收方式，利用換熱器將含有助焊劑的氣體冷卻到低溫（<100℃），借助濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)氣液分離，將凝結(jié)的助焊劑匯集后定期處理。而以SMT、ERSA、REHM為代表德國(guó)廠商則采用催化裂解的方式，利用分子篩在較低的溫度下實(shí)施物理裂解，過(guò)濾后回收助焊劑，其中分子篩中含有貴金屬涂層的顆粒能促使長(zhǎng)鏈烴裂解解成水和二氧化碳。這種新的回收方式更為環(huán)保，維護(hù)間隔更長(zhǎng)，會(huì)逐漸成為回流焊設(shè)備的主流配置。本次設(shè)計(jì)低溫區(qū)（<180℃）采用冷凝回收器和高溫區(qū)（>180℃）采用催化裂解器的方式。

4真空回流焊設(shè)備的應(yīng)用

在通信、新能源汽車、光伏、軍事、航空航天等領(lǐng)域，大功率晶體管、射頻電源、LED、IGBT、MOSFET等器件的應(yīng)用越來(lái)越多，其共同的特點(diǎn)是器件功耗大，這類產(chǎn)品散熱焊盤(pán)的空洞率直接直接影響產(chǎn)品的可靠性。普通熱風(fēng)回流焊焊盤(pán)的空洞率在25%左右，而采用真空焊后，焊點(diǎn)空洞率顯著降低;真空度越低，空洞率越低;真空保持時(shí)間越長(zhǎng)，空洞率亦越低。具體效果見(jiàn)參見(jiàn)圖14。真空回流工藝條件下，空洞率可以降低到1%以下。

5結(jié)束語(yǔ)

相較于熱風(fēng)回流焊爐等，真空回流焊爐一方面使產(chǎn)品的焊接空洞率降低，提高了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，熱能利用率進(jìn)一步提高;另一方面解決了連續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題，只需首次完成參數(shù)的設(shè)置，后續(xù)就可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

隨著國(guó)內(nèi)高端行業(yè)對(duì)相關(guān)器件（如PCB板）的可靠性要求更高，真空回流焊無(wú)疑是解決焊接空洞率問(wèn)題提高產(chǎn)品質(zhì)量的理想設(shè)備，真空回流焊的國(guó)產(chǎn)化之路才剛起步，雖然以歐美為代表的相關(guān)設(shè)備已經(jīng)能夠達(dá)到較高的水平，但從成本及后期及時(shí)性均不能達(dá)到理想的效果，國(guó)產(chǎn)化之路便顯得格外重要且有意義，依托相關(guān)材料的不斷進(jìn)步及創(chuàng)新，國(guó)產(chǎn)真空回流焊設(shè)備也不失為各位廠商的一種可靠的選擇。

6.參考文獻(xiàn)

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