真空回流焊設(shè)備設(shè)計(jì)與開發(fā)

高文 林杉 張琪 陸玉

摘要：本文對適用于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)以及傳動邏輯控制原理。簡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、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)，同時也帶來處理后的焊接空洞率較高的問題，影響產(chǎn)品的使用效果和可靠性，針對此問題，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方面，一是真空環(huán)境下熔融焊料的流動阻力小，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)立的真空倉內(nèi)，在焊點(diǎn)還處熔融狀態(tài)時將真空倉內(nèi)氣壓降低到500pa以下并保持一定的時間，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、真空保持時間、抽真空時間與充氣時間（見圖2）。真空度和真空保持時間關(guān)系著能否有效排出焊點(diǎn)氣泡?？刂瞥檎婵諘r間與充氣時間是為了控制升降壓速率，防止因壓力變化過快導(dǎo)致焊點(diǎn)炸錫或器件移位。一般常用焊膏的總加熱時間有限，為了保證焊點(diǎn)的成型質(zhì)量，整個真空工藝循環(huán)時間通常不超過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，傳動部分由前級傳動組件、真空腔傳動組件、后級傳動組件組成，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)備長度及溫區(qū)劃分如圖4所示。

3.1主傳動的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)回流焊設(shè)備的傳動系統(tǒng)為鏈條傳動或鏈條加網(wǎng)帶的傳動形式，輸送鏈或網(wǎng)帶貫穿整個設(shè)備。真空倉的引入迫使傳動系統(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是一種的傳動機(jī)構(gòu)示意，采用可調(diào)寬的鏈條傳動形式，沿設(shè)備長度方向分為升溫段傳動、真空段傳動和冷卻段傳動，每段傳動機(jī)構(gòu)包括獨(dú)立的軌道、鏈條、動力單元、中央支撐機(jī)構(gòu)，進(jìn)口和冷卻段的傳動還設(shè)計(jì)有自動注油系統(tǒng)。

分段式傳動帶來的最大影響在于影響了傳動的平穩(wěn)性。對接處的間隙限制了工件的最小長度，一般工件長度要大于間隙尺寸的3倍以上時才能保證平穩(wěn)過渡，這是需要特別注意的。不同段傳動的水平高度差和軌道間距差異也影響著傳動平穩(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)立的動力單元能實(shí)現(xiàn)每段傳動鏈速可單獨(dú)調(diào)整，但是加工誤差的存在使得每段傳動的實(shí)際鏈速存在細(xì)微差異，對含有小型器件（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，及時進(jìn)行抽真空消除焊接空洞。從產(chǎn)品開始進(jìn)入真空腔至產(chǎn)品完全出真空腔，時間周期約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，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)，兩根梯形絲杠傳動之間增加聯(lián)軸器，獨(dú)立調(diào)整相對位置。傳動軸與真空腔壁采用動密封連接。整體結(jié)構(gòu)緊湊，傳動精度高。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，可實(shí)現(xiàn)上腔體的周期性上升下降，開啟和關(guān)閉真空腔。采用伺服電機(jī)傳動，功率100W，額定扭矩0.32Nm，總體安全系數(shù)可達(dá)7，開關(guān)腔最快時間可達(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)周期性抽真空動作。假設(shè)抽真空預(yù)定值為200Pa，最快抽真空時間為6秒，查閱真空手冊可計(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[3]）

真空設(shè)備極限壓力p取10Pa（查閱真空設(shè)計(jì)手冊[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)定值及抽真空時間。

3.4傳動運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)

傳動的邏輯原理主要用來實(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，傳動主要由升溫段傳動、真空段傳動、冷卻段傳動組成，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，延時X/V1 s后，真空段傳動電機(jī)停止，V2=0，上腔體開始下降，當(dāng)?shù)轿婚_關(guān)S4觸發(fā)后，腔體關(guān)閉，開始執(zhí)行抽真空程序。當(dāng)S1信號持續(xù)時長大于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)動作，直至手動消除報(bào)警，可能的異常原因?yàn)楫a(chǎn)品未正確進(jìn)入真空腔的傳動軌道，卡在兩段傳動之間。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，會污染產(chǎn)品表面，降低焊接質(zhì)量。為了解決這一問題，現(xiàn)在的回流焊設(shè)備上都配備有助焊劑回收裝置。最常見的是冷凝過濾回收方式，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，會逐漸成為回流焊設(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)用越來越多，其共同的特點(diǎn)是器件功耗大，這類產(chǎn)品散熱焊盤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;真空保持時間越長，空洞率亦越低。具體效果見參見圖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

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)。

隨著國內(nèi)高端行業(yè)對相關(guān)器件（如PCB板）的可靠性要求更高，真空回流焊無疑是解決焊接空洞率問題提高產(chǎn)品質(zhì)量的理想設(shè)備，真空回流焊的國產(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性均不能達(dá)到理想的效果，國產(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)

[1] 宋志穎. 高可靠厚膜功率組件低空洞燒結(jié)設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)研究.碩士學(xué)位論文.2015.06;

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[3] 劉玉魁.真空設(shè)計(jì)手冊.化學(xué)工業(yè)出版社.2016.10