基于有限元分析減少波峰焊錫渣的技術研究

劉洪明 廖聲禮

1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 廣東珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著世界范圍內無鉛化電子裝聯技術的發展，無鉛化技術在國內的推廣應用已是必然的趨勢。由于無鉛釬料熔點高、潤濕性差等特點，導致焊接過程中缺陷增多，這給無鉛化電子裝聯技術帶來很大的挑戰。在電子組裝中，目前常常采用氮氣保護改善無鉛釬料的可焊性，在波峰焊焊接過程中使用氮氣在液態錫面形成一個惰性保護層來減少焊料氧化，但是這種使用銅管鉆孔的氮氣保護系統不但氮氣消耗量大，錫渣減少效果不明顯，而且有可能存在將錫灰吹到PCBA上的風險。使用納米技術的氮氣保護系統，不但能達到較好的效果，而且只需消耗相對較少的氮氣。本文通過仿真研究氮氣的布局及大量實驗驗證，得出使用氮氣前后錫渣和助焊劑的產生量，從而實現在最經濟的條件下，達到最佳質量。

2 波峰焊氮氣保護系統的工作原理

在波峰焊焊接過程中使用氮氣，以形成一個惰性氣體保護層來盡量減少焊料氧化，達到節省焊料、提高產品質量、降低成本等目的。由于目前市場上絕大多數波峰焊機的密封性較差，難以形成一個良好惰性氣體保護層，因此本文涉及的氮氣保護技術在現有的波峰焊機中增加一套氮氣保護裝置，即在焊接過程中形成一個很好的惰性氣體保護層。本裝置通過錫爐內置氮氣密封罩，氮氣從納米管中以微弱的壓力流出，并且在最容易產生錫渣的位置形成穩定的氮氣濃度，以達到液態錫在無氧環境下生產，減少焊料氧化產生浮渣。

3 設計研究實驗方案

3.1 實驗設備及材料

波峰焊設備，氧氣濃度檢測儀，質量流量計Bronkhorst，釬料合金為Sn-0.7Cu，助焊劑為國外某品牌免清洗焊劑，氮氣使用純度為99.999%瓶裝氮氣，鋼尺，助焊劑流量檢測，電子稱。

圖1 氮氣罩與錫槽（連同波峰）組裝后的簡化模型結構圖

3.2 實驗方案

（1）采用有限元分析，得出氮氣罩內氮氣分布

計算時考慮熱量作用過程，熱源為錫槽及波峰，同時考慮重力效應。在Creo中切除氮氣罩本體，即固體部分，只剩下空氣區域，原氮氣罩等固體部分作壁面處理，從而進一步簡化模型，如圖1（a）所示。設置的邊界條件具體如下：壓力入口邊界，參照實際情況設置為3個大氣壓的入口壓力，即P表壓=303975 Pa。

（2）單條波峰焊線體使用情況數據統計

將氮氣罩與錫槽（連同波峰）進行組裝，其中氮氣罩為公司自動化線體所用氮氣罩圖紙簡化而成。錫槽關鍵部分為波峰，取擾流波、平波同時開啟的狀態，進行使用氮氣前后錫渣數量和焊接質量情況的數據統計。

4 測試結果分析

4.1 氮氣罩內氣體分布仿真分析

（1）物理模型的選取

該過程涉及兩種氣體的混合，Fluent中可以選擇的模型包括多相流模型和組分輸運模型，參照如下案例選取組分輸運模型。采用Fluent的組分輸運模型，關閉其化學反應選項，即無反應的組分輸運過程。涉及混合氣體包括空氣、氮氣，計算時考慮熱量作用過程，熱源為錫槽及波峰，同時考慮重力效應。

（2）建立三維模型

氮氣罩與錫槽（連同波峰）組裝后的結構如圖1（b）所示，其中氮氣罩為雙子座自動化線體所用氮氣罩圖紙簡化而成。錫槽關鍵部分為波峰，取擾流波、平波同時開啟狀態。主要變動在于，首先錫槽部分只取錫液面，即模型底面+兩個波峰面，加入空氣區域作為主體部分，圖1（b）中透明顯示區域。模型中加入納米管部分，考慮其對于氮氣的壓降、緩沖作用。

（3）邊界及工藝參數設置

對模型進一步修改，在Creo中切除氮氣罩本體，即固體部分，只剩下空氣區域，原氮氣罩等固體部分作壁面處理，從而進一步簡化模型，如圖1（c）所示。設置的邊界條件具體如下：

壓力入口邊界：參照實際情況設置為3個大氣壓的入口壓力，即P表壓=303975 Pa，該壓力經過納米管道的多孔介質材料，逸出的氮氣會有大幅度的壓降。入口氮氣質量分數設置為1，全部通入氮氣。納米管道部分設置為多孔介質區域，通過將該區域設置為多孔介質，從而對通入的高速氮氣起到一定的緩沖作用，起到彌散逸出管道的效果。

壁面邊界：底側錫液面覆蓋區域，以及兩側氮氣罩側板區域設置為壁面，表示氮氣無法通過。

壓力出口邊界：氮氣可逸出通道設置為壓力出口邊界條件。其余的設置包括混合氣體材料（N2、Air）的選擇，湍流模型設置等。

（4）求解器求解

如圖2所示為原氮氣罩結構中擾流波上面的氮氣濃度分布情況，主要為垂直于過板方向，可見套筒內部及其出氣口附近均完全被氮氣覆蓋，隨著與出氣口位置距離的增加，氮氣濃度逐漸減小，錫液面上方一定高度范圍內的氮氣濃度均達到50%以上。如圖3所示為錫液面附件氮氣濃度分布情況，可見平波、紊波在靠近套筒出氣口附近的區域氮氣濃度將近100%，但是在紊波右側區域，以及平波上表面區域氮氣占比只達到一半左右。

圖2 原結構氮氣罩的氮氣濃度分數云圖

圖3 原結構氮氣罩錫液面處的氮氣濃度分數云圖

圖4 改氮氣罩結構的氮氣濃度分數云圖

圖5 改氮氣罩結構錫液面處的氮氣濃度分數云圖

參照圖2和圖3中分析結果，將中間套筒結構做更改，擋板不深入錫液面，計算結果如圖4和圖5所示，中間套筒處氮氣向紊流波與平波兩個方向逸出，使得紊流波右側氮氣濃度較原先顯著增加，最終紊流波兩側大部分均被高濃度氮氣覆蓋，但是平波上表面氮氣分布相較于之前未發生明顯變化。

4.2 氮氣使用前后數據統計

統計波峰焊加裝氮氣前一周焊料使用量和錫渣產生量為：焊料每天需使用量為28.3 kg，6天總共消耗了170 kg焊料；每天產生錫渣約5 kg，6天總共產生30 kg錫渣；6天總共生產板數17163 pcs，每塊板上錫量（170-30）/17163=8.2 g。波峰焊加裝氮氣后24個班次焊料使用量和錫渣產生量：總共消耗焊料270 kg，總共產生錫渣3.58 kg，平均每天（兩個班）消耗22.5 kg焊料，每天產生錫渣0.298 kg，總共生產板數38685 pcs，每塊板上錫量（270-3.58）/38685=6.9 g。對比數據如表1所示。

表1 使用氮氣前后數據對比

圖6 空氣和氮氣氣氛焊接后微觀組織

隨后進行實驗現場跟進和數據統計，氮氣濃度在500 ppm～1500 ppm時，錫渣量減少90%左右，投錫量減少20%左右，松香減少了15%～26%，在此范圍可以使用最小量的氮氣來減少最大量的錫渣。

4.3 氮氣對焊點組織的影響

同時跟進生產驗證，對使用納米技術的氮氣系統進行對比分析，空氣和氮氣氣氛焊接后微觀組織如圖6所示，從微觀結構進行觀察與分析，使用氮氣后可靠性指標明顯提升，由實驗結果可以得出：在氮氣中焊點內空洞大大減小，而且焊點結晶組織更細小。

5 結論

無鉛焊料與傳統的錫鉛焊料相比，其潤濕性較差，使用助焊劑可以改善其潤濕性，但是不能使用活性過高的助焊劑，因為活性太高的助焊劑其殘渣具有強腐蝕性，對環境會造成一定的損害。采用氮氣保護則可以提高無鉛焊料的潤濕性，增加焊料的可焊性，大幅度的避免高溫下無鉛焊料的氧化，提升焊點的高可靠性和減少焊料氧化浪費，使用氮氣保護焊接成為行業趨勢。本次實驗證實了納米技術氮氣保護系統可以在確保良好潤濕性的前提下，有效減少助焊劑的用量和錫渣的產生量，在節約生產成本的同時減少印刷電路板的表面殘留物，進而降低焊點缺陷率。并通過有限元分析，進行模型建立、邊界求解，得出氮氣的布局，通過實驗現場跟進和數據統計，得出氮氣濃度在500 ppm～1500 ppm時，錫渣量減少90%左右，投錫量減少20%左右，助焊劑減少15%～26%，同時在此范圍可以使用最小量的氮氣，并降低錫渣量的產生。