劉洪明 廖聲禮

1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)無鉛化電子裝聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，無鉛化技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用已是必然的趨勢。由于無鉛釬料熔點(diǎn)高、潤濕性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致焊接過程中缺陷增多，這給無鉛化電子裝聯(lián)技術(shù)帶來很大的挑戰(zhàn)。在電子組裝中，目前常常采用氮?dú)獗Ｗo(hù)改善無鉛釬料的可焊性，在波峰焊焊接過程中使用氮?dú)庠谝簯B(tài)錫面形成一個(gè)惰性保護(hù)層來減少焊料氧化，但是這種使用銅管鉆孔的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)不但氮?dú)庀牧看?，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(fēng)險(xiǎn)。使用納米技術(shù)的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，不但能達(dá)到較好的效果，而且只需消耗相對(duì)較少的氮?dú)?。本文通過仿真研究氮?dú)獾牟季旨按罅繉?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出使用氮?dú)馇昂箦a渣和助焊劑的產(chǎn)生量，從而實(shí)現(xiàn)在最經(jīng)濟(jì)的條件下，達(dá)到最佳質(zhì)量。

2 波峰焊氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)的工作原理

在波峰焊焊接過程中使用氮?dú)?，以形成一個(gè)惰性氣體保護(hù)層來盡量減少焊料氧化，達(dá)到節(jié)省焊料、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本等目的。由于目前市場上絕大多數(shù)波峰焊機(jī)的密封性較差，難以形成一個(gè)良好惰性氣體保護(hù)層，因此本文涉及的氮?dú)獗Ｗo(hù)技術(shù)在現(xiàn)有的波峰焊機(jī)中增加一套氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置，即在焊接過程中形成一個(gè)很好的惰性氣體保護(hù)層。本裝置通過錫爐內(nèi)置氮?dú)饷芊庹?，氮?dú)鈴募{米管中以微弱的壓力流出，并且在最容易產(chǎn)生錫渣的位置形成穩(wěn)定的氮?dú)鉂舛?，以達(dá)到液態(tài)錫在無氧環(huán)境下生產(chǎn)，減少焊料氧化產(chǎn)生浮渣。

3 設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

波峰焊設(shè)備，氧氣濃度檢測儀，質(zhì)量流量計(jì)Bronkhorst，釬料合金為Sn-0.7Cu，助焊劑為國外某品牌免清洗焊劑，氮?dú)馐褂眉兌葹?9.999%瓶裝氮?dú)?，鋼尺，助焊劑流量檢測，電子稱。

圖1 氮?dú)庹峙c錫槽（連同波峰）組裝后的簡化模型結(jié)構(gòu)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

（1）采用有限元分析，得出氮?dú)庹謨?nèi)氮?dú)夥植?/p>

計(jì)算時(shí)考慮熱量作用過程，熱源為錫槽及波峰，同時(shí)考慮重力效應(yīng)。在Creo中切除氮?dú)庹直倔w，即固體部分，只剩下空氣區(qū)域，原氮?dú)庹值裙腆w部分作壁面處理，從而進(jìn)一步簡化模型，如圖1（a）所示。設(shè)置的邊界條件具體如下：壓力入口邊界，參照實(shí)際情況設(shè)置為3個(gè)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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將氮?dú)庹峙c錫槽（連同波峰）進(jìn)行組裝，其中氮?dú)庹譃楣咀詣?dòng)化線體所用氮?dú)庹謭D紙簡化而成。錫槽關(guān)鍵部分為波峰，取擾流波、平波同時(shí)開啟的狀態(tài)，進(jìn)行使用氮?dú)馇昂箦a渣數(shù)量和焊接質(zhì)量情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

4 測試結(jié)果分析

4.1 氮?dú)庹謨?nèi)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，F(xiàn)luent中可以選擇的模型包括多相流模型和組分輸運(yùn)模型，參照如下案例選取組分輸運(yùn)模型。采用Fluent的組分輸運(yùn)模型，關(guān)閉其化學(xué)反應(yīng)選項(xiàng)，即無反應(yīng)的組分輸運(yùn)過程。涉及混合氣體包括空氣、氮?dú)猓?jì)算時(shí)考慮熱量作用過程，熱源為錫槽及波峰，同時(shí)考慮重力效應(yīng)。

（2）建立三維模型

氮?dú)庹峙c錫槽（連同波峰）組裝后的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，其中氮?dú)庹譃殡p子座自動(dòng)化線體所用氮?dú)庹謭D紙簡化而成。錫槽關(guān)鍵部分為波峰，取擾流波、平波同時(shí)開啟狀態(tài)。主要變動(dòng)在于，首先錫槽部分只取錫液面，即模型底面+兩個(gè)波峰面，加入空氣區(qū)域作為主體部分，圖1（b）中透明顯示區(qū)域。模型中加入納米管部分，考慮其對(duì)于氮?dú)獾膲航?、緩沖作用。

（3）邊界及工藝參數(shù)設(shè)置

對(duì)模型進(jìn)一步修改，在Creo中切除氮?dú)庹直倔w，即固體部分，只剩下空氣區(qū)域，原氮?dú)庹值裙腆w部分作壁面處理，從而進(jìn)一步簡化模型，如圖1（c）所示。設(shè)置的邊界條件具體如下：

壓力入口邊界：參照實(shí)際情況設(shè)置為3個(gè)大氣壓的入口壓力，即P表壓=303975 Pa，該壓力經(jīng)過納米管道的多孔介質(zhì)材料，逸出的氮?dú)鈺?huì)有大幅度的壓降。入口氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，全部通入氮?dú)?。納米管道部分設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域，通過將該區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)，從而對(duì)通入的高速氮?dú)馄鸬揭欢ǖ木彌_作用，起到彌散逸出管道的效果。

壁面邊界：底側(cè)錫液面覆蓋區(qū)域，以及兩側(cè)氮?dú)庹謧?cè)板區(qū)域設(shè)置為壁面，表示氮?dú)鉄o法通過。

壓力出口邊界：氮?dú)饪梢莩鐾ǖ涝O(shè)置為壓力出口邊界條件。其余的設(shè)置包括混合氣體材料（N2、Air）的選擇，湍流模型設(shè)置等。

（4）求解器求解

如圖2所示為原氮?dú)庹纸Y(jié)構(gòu)中擾流波上面的氮?dú)鉂舛确植记闆r，主要為垂直于過板方向，可見套筒內(nèi)部及其出氣口附近均完全被氮?dú)飧采w，隨著與出氣口位置距離的增加，氮?dú)鉂舛戎饾u減小，錫液面上方一定高度范圍內(nèi)的氮?dú)鉂舛染_(dá)到50%以上。如圖3所示為錫液面附件氮?dú)鉂舛确植记闆r，可見平波、紊波在靠近套筒出氣口附近的區(qū)域氮?dú)鉂舛葘⒔?00%，但是在紊波右側(cè)區(qū)域，以及平波上表面區(qū)域氮?dú)庹急戎贿_(dá)到一半左右。

圖2 原結(jié)構(gòu)氮?dú)庹值牡獨(dú)鉂舛确謹(jǐn)?shù)云圖

圖3 原結(jié)構(gòu)氮?dú)庹皱a液面處的氮?dú)鉂舛确謹(jǐn)?shù)云圖

圖4 改氮?dú)庹纸Y(jié)構(gòu)的氮?dú)鉂舛确謹(jǐn)?shù)云圖

圖5 改氮?dú)庹纸Y(jié)構(gòu)錫液面處的氮?dú)鉂舛确謹(jǐn)?shù)云圖

參照?qǐng)D2和圖3中分析結(jié)果，將中間套筒結(jié)構(gòu)做更改，擋板不深入錫液面，計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，中間套筒處氮?dú)庀蛭闪鞑ㄅc平波兩個(gè)方向逸出，使得紊流波右側(cè)氮?dú)鉂舛容^原先顯著增加，最終紊流波兩側(cè)大部分均被高濃度氮?dú)飧采w，但是平波上表面氮?dú)夥植枷噍^于之前未發(fā)生明顯變化。

4.2 氮?dú)馐褂们昂髷?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)波峰焊加裝氮?dú)馇耙恢芎噶鲜褂昧亢湾a渣產(chǎn)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(chǎn)生錫渣約5 kg，6天總共產(chǎn)生30 kg錫渣；6天總共生產(chǎn)板數(shù)17163 pcs，每塊板上錫量（170-30）/17163=8.2 g。波峰焊加裝氮?dú)夂?4個(gè)班次焊料使用量和錫渣產(chǎn)生量：總共消耗焊料270 kg，總共產(chǎn)生錫渣3.58 kg，平均每天（兩個(gè)班）消耗22.5 kg焊料，每天產(chǎn)生錫渣0.298 kg，總共生產(chǎn)板數(shù)38685 pcs，每塊板上錫量（270-3.58）/38685=6.9 g。對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 使用氮?dú)馇昂髷?shù)據(jù)對(duì)比

圖6 空氣和氮?dú)鈿夥蘸附雍笪⒂^組織

隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場跟進(jìn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，氮?dú)鉂舛仍?00 ppm～1500 ppm時(shí)，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?dú)鈦頊p少最大量的錫渣。

4.3 氮?dú)鈱?duì)焊點(diǎn)組織的影響

同時(shí)跟進(jìn)生產(chǎn)驗(yàn)證，對(duì)使用納米技術(shù)的氮?dú)庀到y(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，空氣和氮?dú)鈿夥蘸附雍笪⒂^組織如圖6所示，從微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析，使用氮?dú)夂罂煽啃灾笜?biāo)明顯提升，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：在氮?dú)庵泻更c(diǎn)內(nèi)空洞大大減小，而且焊點(diǎn)結(jié)晶組織更細(xì)小。

5 結(jié)論

無鉛焊料與傳統(tǒng)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?yàn)榛钚蕴叩闹竸┢錃堅(jiān)哂袕?qiáng)腐蝕性，對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定的損害。采用氮?dú)獗Ｗo(hù)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(diǎn)的高可靠性和減少焊料氧化浪費(fèi)，使用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接成為行業(yè)趨勢。本次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米技術(shù)氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)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(chǎn)生量，在節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí)減少印刷電路板的表面殘留物，進(jìn)而降低焊點(diǎn)缺陷率。并通過有限元分析，進(jìn)行模型建立、邊界求解，得出氮?dú)獾牟季郑ㄟ^實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場跟進(jìn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出氮?dú)鉂舛仍?00 ppm～1500 ppm時(shí)，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(shí)在此范圍可以使用最小量的氮?dú)?，并降低錫渣量的產(chǎn)生。