論選擇性波峰焊不透錫問題研究

周鍇 方掩 李帝燊 陳烔

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

選擇性波峰焊也稱為選擇焊，應用PCB插件通孔焊接領域的設備，擇性波峰焊分為離線式和在線式兩種，本次主要研究在線式選擇性波峰焊。在線式選擇性波峰焊的系統可以實現實時接收生產數據，助焊劑模組、預熱模組以及焊接模組一體式結構，是自動化程度較高的生產模式[1]。

選擇性波峰焊作為焊接元件引腳的關鍵設備，需要高精度的焊接軌跡以及高要求的焊接合格率，變頻機IPM功率性器件的透錫需要達到100%。然而選擇性波峰焊在進行焊接時由于元件引腳助焊劑涂覆不達標以及選擇焊噴頭溫度降低過快等原因影響，選擇性波峰焊焊接時經常出功率性器件透錫不滿足75%的情況，導致后工序補焊，不僅增加生產成本，還會導致出現錫珠、錫渣等焊接異常。我們從人、機、料、法、環、測等方面進行分析研究，攻克解決選擇性波峰焊焊接不透錫的難題。

1 理論分析

對生產數據進行分析，功率性器件一次焊接合格率僅為64%。同時根據長期生產反映，不透錫一直是最常見的故障之一，異常比例一直在30%-40%之間。

通過研究焊接異常產生的原因得到兩個主要焊接異常因素：焊接溫度以及浸錫時間。我司規范焊接速度SpeedX/Y（mm/s）要求在2～7之間，根據實際生產需求通常焊接速度設定為5.2mm/s。常規選擇性波峰焊噴頭內徑4mm，外徑6mm，噴頭處直徑約為4.5mm，可以推算出單個引腳的浸錫時間公式為

式中：T為浸錫時間（s）；ΔL為焊接長度（mm）；V為焊接速度（mm/s）

從公式（1）可知在焊接速度不變的情況下，影響浸錫時間的因素包括噴頭焊接時的寬度，在單位時間內，焊接寬度越長，浸錫時間越長。為保證生產產量，不考慮焊接速度變化的條件下，焊接速度為5.2mm/s，噴頭噴出錫液的直徑為4.5mm的條件下可以得到，單個引腳的焊接時間為：

T=4.5/5.2≈0.8654

2 驗證分析

2.1 驗證準備

針對變頻外機選擇性波峰焊不透錫異常劃分專項焊接區域，通過人、機、料、法、環、測等方面的篩選分析，研究出現不透錫的焊接異常主要原因為錫液在焊盤表面潤濕不夠導致，分析匯總核實焊接過程中影響潤濕性能的因素主要以下三方面：焊接速度過快；助焊劑涂覆量不夠；噴頭錫液冷卻速度過快或者溫度不夠。

2.2 對比驗證

對此進行具體驗證，選取編碼為30138001276的主板作為驗證對象，其中PCB板型號為GRJW842-A32，板長190mm，其焊接區域劃分如下

焊接1區：焊接IPM單排引腳，同時輔助焊接2區焊接二極管的1個引腳，減少焊接2區的焊接壓力；

焊接2區：整流橋、IGBT；

焊接3區：IPM雙排引腳以及輔助焊接2區焊接二極管的2個引腳。

2.3 原因分析

（1）噴頭錫液冷卻速度過快或者溫度不夠的分析。在爐溫、助焊劑、焊接速度以及物料滿足焊接要求的情況下，普通波峰焊通常焊接短路數據比例較低，出現大量焊接短路的情況較少。對比選擇性波峰焊與普通波峰焊之間的焊接差異，主要差異點在于噴錫量。根據實際情況分析可能存在錫液從噴頭噴出后溫度下降過快導致短路的情況[2]。

（2）助焊劑涂覆量的分析。助焊劑采用人工涂覆，操作人員使用毛筆將助焊劑涂覆在模塊焊接處。現場核實主板在涂覆助焊劑之后由于涂覆助焊劑的毛刷蘸取助焊劑的頻率不一致，會導致涂覆在主板上的助焊劑的量的一致性會比較低；

綜上所述，判斷可以從降低噴頭冷卻速度、優化預熱區的開啟量以及改善助焊劑涂覆一致性等方面進行提升焊接效果。

3 實驗效果及注意事項

3.1 噴頭直徑過低導致噴涌錫液的溫度下降過快

解決措施：通過對選擇性波峰焊焊接2區的焊接噴頭直徑進行優化，增加噴頭直徑（噴頭內徑從4mm切換為6mm）對焊接不透錫的情況進行優化。同時現場通過驗證首檢與噴頭比對，實際生產驗證等方式核實噴頭直徑與元件無干涉后進行實際生產驗證[3]。

在保持原本焊接參數不發生變化的情況下進行實際生產驗證后，焊接2區焊接不透錫的情況得到有效改善，不透錫比例從36%降低至5%以下。切換焊接2區的焊接噴頭后對其焊接情況進行金相驗證。焊點外觀表層呈現光滑和與焊接零件有良好潤濕，無分層現象，孔內填充100%，驗證焊接合格。

3.2 助焊劑涂覆量不一致導致的焊接不透錫

解決措施：在通過不斷改變焊接參數以及助焊劑涂覆量進行驗證，并對實驗對象不斷進行金相研磨核實最優化助焊劑量，同時在進行驗證時發現：在助焊劑的量涂覆過多或不均勻時，使用選擇性波峰焊進行焊接，焊點內部會出現氣泡以及空點。細化焊接參數以及助焊劑涂覆等情況，進行對比驗證。最終發現在相同的焊接參數下，模擬將助焊劑涂覆量提高至正常人工涂覆量的3～5倍左右會出現氣泡以及空點（使用毛刷沾染助焊劑在焊點處反復涂抹4～7遍），氣泡故障復現。其中核實抽檢水分以及助焊劑比重均符合標準。

3.3 注意事項

對比驗證發現由于助焊劑涂覆量過低會導致焊接焊料的潤濕性能不足，從而出現不透錫，而助焊劑的涂覆量過多則會出現焊點內出現氣泡。在不斷對比驗證后發現在毛刷刷完兩道再蘸取助焊劑時涂覆量最優

同步驗證在符合焊接時間前提，增加噴頭直徑后錫液流量增大，對焊接時透錫效果改善明顯，焊接一次合格率提高至95%。對焊點金相觀察其透錫良好符合要求，且噴頭焊接過程中無干涉情況。在開啟預熱1區的同時開啟預熱3區，并降低IPM處的焊接速度，有利于提高板面溫度減少熱沖擊、提高助焊劑活性，進而改善焊接效果。