再流焊接設備性能評估方法

宋順美

(日東電子科技（深圳）有限公司，廣東深圳518103)

再流焊接工藝作為表面組裝技術（SMT）三大核心工藝之一，其直接影響電子產品焊點質量可靠性。據有關統計數據顯示，SMT焊接缺陷因再流焊接引起的比例為35%～40%。由此可見，再流焊接設備工藝性能對焊接質量有著舉足輕重的影響，而對再流焊設備的工藝性能評估迫在眉睫。本文結合生產實踐，提出一套評估方法，旨在為熱風再流焊接設備的可量化性能提供測試方法，以此對其工藝性能進行評估。

1 再流焊設備性能評估傳統方法

再流焊接工藝在很短時間內須同時完成上萬個焊點的焊接，對于質量控制一般是通過用如圖1所示實裝板每天測試一次爐溫（如圖2）進行確認，這就產生了很大隱患，因為所得溫度曲線只能代表測試條件下的某段時間性能，不能代表實際負載生產時的性能，尤其是對如圖3所示高密度組裝產品，工藝窗口很窄，任何小的波動都可能會引起質量問題。此外，實裝板測試一般最多不超過50次，報廢后還需重新制作一塊，成本較高。目前，行業內大多自制測試板，如圖4所示，有模擬實裝板的測試板，也有模擬實裝板的負載板。雖可重復使用，但是測試數據只供參考，不能概述真正工藝制程的可靠性。

再流焊接工藝過程不簡單指的是溫度曲線，還包括工藝窗口大小、熱穩定性、穩定性及設備系統穩定性等，如圖5所示。拋開設備系統硬件配置，就工藝性能方面，主要包括熱效能均衡度、回流量、熱沖擊、環境補償能力、空滿載分析、長期穩定性分析、鏈速穩定性、導軌平行度等，見圖6。

圖1 溫度測試用實裝板

圖2 再流焊接用溫度曲線

圖3 高密度組裝電子產品

圖4 常用自制溫度測試板

圖5 再流焊設備性能評估要素

圖6 再流焊設備性能評估內容及推薦的熱性能測試儀器

2 再流焊設備性能評估推薦方法

2.1 制定標準溫度曲線

由于不同品牌及規格的設備結構與尺寸不同，為了統一標準，需要制定一標準溫度曲線（圖7推薦），對于加熱系統的評測都是在滿足標準溫度曲線的條件下進行。推薦標準溫度曲線的條件是：從第一個加熱區到最后一個加熱區，必須在規定的210 s走完，且每區的結束點溫度t與標準曲線中對應位置的溫度t0的差值應滿足|t-t0|≤2℃。

圖7 標準工藝溫度曲線（客戶也可自定義）

2.2 設備爐膛分區

依據設備廠商產品說明或直接測量方式，準確找出爐體的加熱區數量、各加熱區準確長度（以30.5 cm為例）及加熱區總長度（以305 cm為例，不包冷卻區），并在測試工具軟件中輸入設備分區信息（市場上測溫軟件基本都具備此功能），如圖8所示。

圖8 再流焊爐分區量測方法

2.3 標準溫度曲線調試

2.3.1 計算鏈速

用上述中得出的加熱區的總長度d(cm)除以標準有效加熱時間210 s，即按公式v=d×60/210得出傳送系統鏈速的設定值v(cm/min)。

2.3.2 溫度設定調試

首先依照經驗對各區溫度進行初步設定，鏈速按上述的計算結果進行設定，等待再流焊爐穩定（一般指示綠燈點亮）；然后按測試儀器的尺寸調整軌道寬度，加熱區系統鼓風機頻率按設備出廠默認設定。

選擇標準儀器上相同小熱容的L1、M1、R1三點為參考，并以其溫度曲線為基準來調整各分區的起始位置點，分區位置需和各區溫度拐點基本吻合（如圖9所示）；以M1模塊為分析對象，確認每區結束時的溫度是否滿足標準曲線的要求。如果不滿足，則調整相應加熱區的溫度設置直至滿足為止，然后才可進行各項性能的測評。

圖9 溫度與分區對齊示意圖

2.4 熱效能評測（設定溫度與實際溫度評測）

既可評測熱風氣流的可調范圍，還可評測不同熱風速率下設備熱效率，同時還能確認默認熱風電動機轉速是否落為最佳范圍。測試前，將所有加熱區均設定為統一溫度160℃±1℃（客戶可自定），以測試板上 L1、M1、R1，L2、M2、R2及 L3、M3、R3在最后一加熱區的結束溫度做為分析對象進行分析，如圖10所示。評測不同模塊M3、M2及M1之間峰值溫度的差異△T及與設定溫度之間的差異，△T越大表示加熱效率越低。

圖10 設定溫度及各模塊之間的溫度差異

此方法只能反應系統整體的熱效率狀況，即在同樣熱風溫度和加熱時間下，上述評測對象之間的差異越小，就表示整個系統的加熱效率越高，但不能對每個區的熱效率進行評測，也無法評測階梯式熱風過程。

如果要進行更準確的評測，需在標準測試板上安裝風量測試傳感器，同時要求測試記錄儀能夠對測試結果進行采集、記錄。測試結果如圖11所示，反應的是每個加熱區的熱風對流量，精確、直觀，可方便對每個加熱區及加熱區之間的效率進行評測。對于SMT工藝過程，對流量的經驗最佳范圍是4.5～6.5。

圖11 帶有風量傳感器的標準測試板的測試示例

2.5 熱效能均衡度評測（PCBA橫截面溫度均勻性）

標準溫度曲線下，任選標準測試板上L1、M1、R1；L2、M2、R2；L3、M3、R3三組探頭中的任何一組作為測試樣本進行測試，對比三條曲線上不同位置處的溫度偏差值，并取最大溫差△Tmax作為測評結果，如圖12所示，對于SMT工藝過程，最大溫差一般有三個等級，即3℃、6℃和9℃，溫差等級越小，說明產品適應能力越強。

圖12 PCBA橫截面溫度均勻性分析示意圖

2.6 熱補償能力評測

2.6.1 環境熱補償能力

標準溫度曲線下，標準空載測試3次，特定溫差條件下空載測試3次，將兩種條件下的測試結果進行對比分析。比如車間氣溫為25℃，則需要把測試板溫度升高15℃（推薦）達到40℃，然后迅速放入爐內進行測試，其結果與室溫測溫結果進行對比分析。方法可根據工藝曲線要求，選擇預熱溫度以上時間差△t1、217℃以上的時間差△t2及和最高溫度值停留時間差△T，如圖13所示。

2.6.2 空/滿載熱補償能力

標準溫度曲線下，連續無間隙或留50 cm最小間隙放置5塊熱負載板，緊接著放入標準測試板和測試儀，標準測試板與最后一塊熱負載板間無空隙或留50 cm最小間隙，將采集的溫度曲線與之前空載時的溫度曲線進行對比、分析，評價方法如上所述，計算時間差也可，以數學方式計算出2種情況下，曲線圖上表示的加熱區段熱量面積的差異也可。

圖13 環境溫差熱補償能力測試、分析

2.7 溫差能力評測

2.7.1 左右溫區溫差能力

將標準溫度曲線217℃所在加熱區以后的所有加熱區統一設為200℃（可根據實際情況自定義），以前的所有加熱區統一設定為160℃（可根據實際情況自定義），一般常把預熱區與焊接區定為分界點，在綠燈點亮后2 h，通過系統溫控顯示來觀察與分界點緊鄰兩個溫區之間的溫度變化。如果溫度能夠按照設定溫度達到穩定，則按10℃為單位將2段溫度分別上調與下調，逐漸拉大溫差，每次調整需要2 h的觀察，直至溫度不能保持穩定，評估穩定前的最大設定溫度偏差△T，溫差越大說明溫差設定能力越好。

2.7.2 上下溫區溫差能力

設備加熱溫區中，上加熱體均設為200℃，下加熱體均設為180℃，綠燈亮后2 h從控制監視器上讀取實際加熱區溫差△T2。

2.8 導軌寬度一致性評測

PCBA傳輸系統非常重要，一般需要評測鏈速穩定度（<±5%，推薦在±2%以內）、導軌水平度和導軌寬度一致性。導軌寬度一致性分為常溫環境和加熱環境兩種條件，常溫下可通過測量工具進行，但加熱環境下要通過如圖14導軌寬度測試儀進行測量，結果如圖15、16所示，圖15為可允許的變化量，圖16為嚴重變形超出管控范圍，建議變化量在±1 mm以內，±0.5 mm以內最佳。

圖14 導軌寬度測試儀

圖15 導軌寬度一致性符合管控范圍

圖16 導軌寬度一致性超出管控范圍

2.9 其他性能評測

除上述性能評測內容外，還包括冷卻系統性能評測（冷卻能力及出口溫度）、氮氣系統性能評測（氧含量穩定性及氮氣消耗量）、助焊劑回收系統性能評測（助焊劑回收率及維護便捷性）、控制系統評測（各種保護及防呆功能等）以及其他綜合項目，包括UPS運行時間（≥20 min）、功耗（啟動功率及運行功率）、升溫時間、制程切換時間、廢氣排量（10 m3/min左右）、機器外殼溫度（≤40℃）及噪音（<70 dB）。

3 再流焊設備性能檢測常見故障處理

上述評測方法不但可以對設備進行性能評估，還可對運行一段時間的設備進行性能校正和診斷。

3.1 加熱模塊

（1）加熱模塊實際溫度達不到設定溫度處理措施

●斷電后檢查發熱絲的電阻值，如出現異常則更換發熱絲；

●檢查熱風馬達轉向，如反向則予以更改；

●斷電后分別檢查熱風馬達電源兩相的電阻值，如出現異常則更換馬達；

●檢查溫度控制板及PLC溫度擴展模塊，如接觸不良則進行調整，如損壞則進行更換；

●檢查計數控制板及PLC模擬量輸出通道，如接觸不良則進行調整，如損壞則進行更換。

（2）加熱模塊實際溫度超出設定溫度處理措施

●檢查內部測溫裝置，如損壞則更換；

●檢查加熱固態繼電器，如損壞則更換；

●檢查溫度控制板及PLC溫度擴展模塊，如接觸不良則進行調整，如損壞則進行更換；

1.3 統計學方法 采用SPSS 22.0統計學軟件進行數據分析。計數資料以例(百分率)表示，組間比較采用χ2檢驗；計量資料采用均數±標準差表示，組間比較采用t檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

●檢查計數控制板及PLC模擬量輸出通道，如接觸不良則進行調整，如損壞則進行更換。

3.2 冷卻模塊

（1）冷卻區實際溫度超出設定值處理措施

●檢查冷水機水溫設定，如過高則調低；

●檢查冷卻馬達轉向，如反向則予以更改；

●斷電后檢查冷卻馬達兩相的電阻值，出現異常則更換馬達；

●檢查冷水機至冷水交換器的進出水管是否有折彎和堵塞等造成冷水不循環的情況，如存在予以排除；

●檢查測溫探針是否損壞，如有則更換測溫探針。

●對冷卻區進行清潔、保養。

3.3 助焊劑回收系統

助焊劑回收系統失效處理措施

●檢查助焊劑回收馬達轉向，如反向則予以更改；

●斷電后檢查回收馬達兩相的電阻值，出現異常則更換馬達；

●檢查助焊劑回收管和助焊劑回收管閥門是否堵塞，如堵塞則予以排除；

●檢查冷水交換器循環水管是否堵塞，如堵塞予以排除；

●檢查冷水交換器過濾網，需要時則進行清洗。

3.4 PCB傳輸系統

（1）傳輸系統停滯處理措施

●檢查運輸調速器，如接觸不良則予以排除，如損壞則進行更換；

●檢查D/A板及PLC模擬量通道，如接觸不良則予以排除，如損壞則進行更換；

●檢查測速編碼器，如接觸不良則予以排除，如損壞則進行更換；

●檢查運輸電機，如反向則予以排除，如損壞則更換運輸電機。

（2）運輸導軌寬度調節故障處理措施

●檢查調節絲桿潤滑情況是否異常，如異常則予以排除；

●檢查寬度調節對應的聯軸器是否異常，如異常則進行調試，使寬度調節同步。

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