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如何考虑自动焊锡机的运作原理

自动焊锡机由助焊剂涂布器、预热器、焊锡炉、输送机构、通风系统五部分构成。

1                  助焊剂涂布器(Flux Deposition)

将助焊剂涂在焊件上最简单的方法是用刷的方式,但只适用于少最的焊锡工作,或进行不

同助焊剂的试验,或在制作样品,大批量生产时不适合。

1、泡沫式助焊剂涂布器

在电子工厂中,90%以上的自动焊锡机都采用泡沫式助焊剂槽,此助焊剂槽必须使用含有发泡剂的助焊剂。当压缩空气被压入满是细孔的发泡管时,助焊剂产生稳定的泡沫,自发泡管上方的通道中上升至顶部,缓慢地自顶部的开口溢流回槽中,同时在开口处形成6至12mm落差的泡沫高度,基板经过且焊剂槽,下方沾到泡沫,造成一层薄而均匀的助焊剂分布于底部。如果基板与泡沫的相对高度调整正确,则不致泡沫自基板前缘冲到其上方。

为了避免过多的助焊剂留在基板的底部,可用空气刀或手刷置于泡沫通道的后方,刮除多余的助焊剂,空气刀比毛刷好用。附加刮除装置主要是为了减少助焊剂的使用量;其次,保持机器清洁,防止燃的助焊剂,滴落在预热器上。

1)      进入发泡管中的压缩空气宜缓慢调整,以产生细小的泡沫为原则,控制泡沫达到需要的高度。

2)      非常细小的发泡管孔锡被干固的助焊剂堵塞,因此发泡管应经常保持在润湿的状态,使用时,助焊剂的液面须高于发泡管。

3)      助焊剂多是粘性较高的材料,干固后不易清除,不用时,尽量将助焊剂再倒回储存桶

4)      夹具必须在已冷却的状况下轮流使用,避免破坏泡沫的结构。

5)      压缩空气必须够清洁,以免油或水污染助焊剂。

2、波式助焊剂槽

主要部分包含泵及助焊剂流动的通道。泵将助焊剂加压后,流径通道,在通道的顶部形成一波石,然后流回槽中,基板经过波式助焊剂槽,底部的焊锡完全浸入助焊剂中,上部零件面则不与助焊剂直接接触,但底部的助焊剂会穿过零件孔渗入基板上方,焊锡面形成薄且均匀的一层助焊剂。

波式助焊剂槽常以高波面使用,在波面涌出的开口部分装一网状的隔板,可以稳定波流成一平坦的波面,最适用于两次焊锡作业。

3、喷雾式助焊剂槽

喷雾式助焊剂槽适用基板底部的零件脚很长,制程要求零件脚不被外物触动基板底部助焊剂少,免洗 ,缺点是不锡维持周围工作环境清洁,我们公司使用的都是喷雾式助焊剂槽。

1)      压缩空气喷雾式

2)      无气喷雾式

3)      网筒空气刀式

4)      高压抽吸喷雾式

最常用的为压缩空气喷雾式,在使用时,一般都有附加装置,控制其在基板正好达到助焊剂槽上方时才喷雾,基板离开其喷雾范围时即停止,以减少污染机器,同时须注意通风,以避免火灾及爆炸的可能。

4、助焊剂比重控制器

生产线在大量制造时,焊锡机中的助焊剂测量比重及稀释剂添加非常重要。最简单的方法,就时定时使用比重计测定,但如何添加正确数量的助焊剂或稀释剂,使比重维持在原来的值,则不容易。

比重控制器是利用置于机器上方的助焊剂及稀释剂容器接至助焊剂槽的管路上,装有电磁阀,电磁阀的开放及关闭受比重及液面感应器控制,助焊剂及稀释剂藉重力流入助焊剂槽中,而完成比 重控制的工作。

目前使用较为普遍的为数字式自动比重控制方式。为了达到焊锡作业的零缺点,助焊剂的比重正确与否很重要的。自动控制比以作业员用传统比重计测定要可靠,其测定误差在0.003到0.005之间,且可以结合传统的标准的比重计及试管互相比较。

2     预热器(Preheater)

1、预热的主要目的

减少基板在与高温锡波接触时的热冲击,活化助焊剂及烘干助焊剂中的熔剂成分,因为未经适当烘干的基板在与熔锡接触时,熔剂气体扩张会造成焊点的气孔。

2、预热器的种类

1)      它能够快速加热及冷却;

2)      能够有效率地使用能源;

3)      清洁容易,至少助焊剂及其他的污染不影响热的传递;

4)      将焊点的金属部分加热而不升高基材的温度;

5)      传送于整片基板上欲形成焊点部分的热量保护均匀;

6)      加热范围的宽度可调,以适合各种不同宽度的基板组件,同时不浪费多余的热能。

7)      所发生的热量不因使用时间长短而变化。

3     焊锡炉

焊锡炉是整部焊锡机的心脏,包含了锡槽、锡泵及形成锡波的喷锡口,我们公司使用双波峰焊锡炉,采用浸锡方式,锡炉炉体由不锈钢板烧焊而成,U型发热丝装于锡炉中的底部及两侧用以熔锡及保持锡的温度,上层发热丝用以熔锡而下部发热丝用于恒温控制。

焊锡槽是一个容器,必须能够承受焊锡的温度,典型的电子业使用的焊锡全金;其操作温度在260度内,其结构必须足够承受重量而不致变形, 材料耐腐蚀,一般选用铸铁或不锈钢。

1)      外部的加热方式;

2)      内部的加热方式 (称卡式加热器) ;

3)      沈浸式加热器,是直接浸入锡槽中接触焊锡。

锡槽的容量应考虑到焊锡的被污染,热的稳定度,锡波面的稳定度。焊锡的污染程度的高低比率,一定和其数量成反比,锡波的热稳定度受锡槽大小的影响。

2、焊锡自动补充装置

高有监视系统,在焊锡机加装可目视的锡面指示器,或当熔锡面到达上下限时,经信号显示。普通的测定熔锡面方法是使用以不锈钢材料制成的浮子,随熔锡面的高低而动作开关及警告灯,或是启动自动加锡的机构。

3、焊锡泵

4、焊锡波

锡波造成两个主要问题就是焊点的焊锡量过多及造成短路、锡尖等情形,这是因为多余的焊锡未能滴回锡波; 另外就是焊锡效果不理想,如贯穿孔在基板顶面未被焊锡被满及焊点不 洁锡的现象,是因为锡波未能传足够的热到焊点,这点可以放慢焊锡速度来解决,改善以上的问题有:

1)      在锡波中使用油,降低表面张力,允许基板上多余的焊锡较易流回到锡波中。

2)      增加锡波与基板的接触面,使焊点有较多的受热时间。

3)      利用自然的重力及表面张力的作用使多余的焊锡易于回流至锡波中,亦即使基板以5° ~ 8°的倾斜角度 接触及脱离锡波。

1)      对称式锡波 ; 是最早的一种锡波,配合水平式输送机构易产生短路、锡尖。

通常与5° ~ 8° 倾斜式的输送机构配合,自喷锡口中流出的溶锡大部分流向与基板行走 相反的方向,小量的溶锡则朝向与基板行走相同的方向流动,在锡波的中间及后半部形成一几乎静止的波面,在线路超密集的基板的焊锡作业中有非常显著的效果,妥当配合正确的制程变数设定,能够到达最高品质及接近零缺点的焊点要求。

双锡波:我们公司使用的锡炉为双锡波,他包括两个部分,首先是一道细窄而有扰流效果的锡波,易于渗透并涵盖到基板焊锡面的各个角落,第二部分是一个标准的可调对称式锡波,用以将已沾到焊锡的焊点部分整平及将多余的焊锡回锡波中,适用于晶片零件线路极端密集的基板。

另一种针对晶片零件焊锡问题而发展出的锡波,其优点为不需使用双锡波,无扰流波,减少溶锡翻溢至基板零件面的机会。

4     输送机构

目前的焊锡机有两种主要的输送机构,一为治具固定基板,一为钩爪式夹住基板的两边。

可防止基板在遇溶锡的高温时变形,适合各种形状特殊的基板,缺点为治具外表极易受助焊刘及焊锡污染。

形状有“V”形、适合夹基板,有“L”形的适合夹治具连同基板,材料有不锈钢,不锈钢镀TEFLON或钛金属。

(2) 钩爪本身在固定基板时,所占基板周围的面积有限,适合边缘有线路的基

板的作业;

(3) 使用较具弹性, 例如更换产品机种,只需用手轮调整轨道宽度即可。

5     通风系统

焊锡机的抽风管尺寸及抽风机的能量应按照说明书所定规格配置,抽风量过小,则机器的热烟及助焊机气体将充塞工作环境;过大则影响预热器及焊锡温度。

焊锡机顶罩至抽风总管之间的支管设计为拆卸式,便 于清洁杂质,使抽风顺畅。

E       SMT波焊技术

传动零件与SMD混合组装之锡焊流程

我们将从制程、点胶、零件、焊锡等方面探讨SMT波焊现象,问题与解决对策。

1                   波焊的制程因素

1、气体之发生及陷入

传统贯穿孔式的波焊作业中,熔锡藉著润湿及毛细现象,升至零件脚与贯穿孔之中,而在SMT波焊时,因SMT零件之焊点并无穿孔式,由助焊剂及点胶受熔锡加热产生的气体无法排出,往往会留存于焊点附近,阻碍了熔锡接触零件端面或PCB上之焊垫(PAD),形成焊点缺锡的缺陷. 此问题可以由充分的预热以及选择经硬化之后,再遇热不发生气体的粘胶来减低,或最好在焊垫(PAD)上钻孔以利排气 。

2、阴影效应或涡流

SMT零件与传统贯穿孔式零件之焊点在设计上有显著不同,如果零件排列方向与锡波方向配合不当,焊垫易受零件本身之阻挡,以传统之平稳层流式锡波无法形成完善的焊点,但锡波产生扰流或高速流动之熔锡,则可以突破阴影效应,使熔锡能流至焊垫上。

3、热之影响

SMT零件在波焊过程中,有些要浸入溶融焊锡中,零件受热冲击较大,承受温度亦较高,

因此采用能耐高温之零件,使用加热速率高的预热装置,达成较高之预热温度,是SMT波焊与传统焊作业在预热上不同之要求。

4、过焊时间应较短

5、预热

由于受零件之限制,预热时之加热率不能超过2°C/Sec, 同时预热后之温度应不低于第一个 锡槽温度 100°C以下。

6、粘胶之要求

1)      除了胶材选择之外,适当控制硬化及预热条件,对减少浸入溶锡时气体产生量有显著效果。

2)      胶材在高温(波焊过程中)中的强度与硬化条件控制密切联系,硬化不足将使强度不足,过度硬化则因硬度过大,造成修补拆换零件困难。在硬化时,一般应控制在10°C之内方可有良好硬化结果。

3)      增快输送带速度,减少零件浸在熔锡之时间也是防止零件被熔锡冲落之有效方法 。

2     粘胶性质

1.      热烘烤式环氧树脂。

2.      紫外线烘烤式压克力胶。

3.      紫 外线或热烘烤式聚脂。

4.      压氧性胶。

1.      对SMT零件抗热性规定 : 各种零件(经流焊及波焊) 能通过一般气相回焊条件,在温度215°C 停留60秒10次的试 验,而且能在260°C熔锡中停留10秒,才算符合抗热要求。对于不由波焊 之半导体(IC)零件则只要求前者。

4     焊锡成份

波焊之焊锡成份会影响锡焊温度、焊点强度、可焊性等。常用之成份有Sn63/Pb37、Sn60/Pb40、Sn62/Pb36/Ag2等,加了2%银之主要目的在防止贵金属被溶融,增加焊点可靠性。为了使用 SMT波焊容易进行,常在Sn60/Pb40、Sn63/Pb37中加添铋(Bi) 使得焊锡表面张力降低,注湿能力 增加,且能以低温焊锡,减少了制程上预热,零件端 面熔蚀等问题。

5     机器参数的影响

为了防止冷焊,最适的比重范围为0.830~0.850,它会左右固体含有量之流动性。

1)      当助焊剂的比重高时,则基板上之助焊剂残量增加,因焊锡波尾部助焊剂不足,导致产

当助焊本身的固体含量多时,则妨碍焊锡之流动性而引起冷焊现象。

为了防止冷焊,输送机速度最好慢一些,即浸湿时间长一些,为了防止锡桥,在零件形状和焊锡之流速关系里,采用最合适之范围。

基板尽可能接近喷嘴。

在助焊剂不变坏的范围内,焊锡温度最好高些。

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