立體工件的批量上錫轉化技術

呂曉勝

京信射頻技術（廣州）有限公司，廣東 廣州 510700

0 引言

移動通信在我國發展十分迅猛，我國躋身是基站天線強國，已連續多年全球市場銷售量占比超過50%；現在我國已經建設了一張十分優秀的4G網絡，伴隨著網絡信號的普及，特別是網上購物、移動支付、導航、短視頻、社交軟件等應用，給人們帶有極大的便利。隨著2G/3G/4G/5G迭代商用，為滿足基站天線的共站共址需求，適應多個網絡系統的多制式多頻共用天線與日俱增，其天線的結構復雜程度和質量控制要求難度大。移動通信現在處于后4G和5G時代，天線產品呈現高集成、高性能、多頻段特點。其中核心部件輻射單元的結構復雜程度越來越高，單副產品的輻射單元數量越來越多，單個輻射單元的焊點數量越來越多、且呈現在不同的維度上；這給輻射單元的批量化焊接和質量管控，造成相當大的沖擊和困擾[1]。

1 制造需求及焊接技術

1.1 輻射單元產能需求

在天線制造中，核心部件輻射單元的由于結構復雜、焊點較多、產能需求非常大，每天需要生產幾萬個這樣的輻射單元。單個輻射單元的裝配及焊接工時評估，綜合按照每個輻射單元15個焊點，以及每個焊點的焊接時間需要4s來核算。這樣一個輻射單元的焊接時長就需要60s。整體測算下來，一個人1h也就產出60個，即一個人一天產出600個（工作時長按照10h統計）。每天生產3萬個輻射單元，就需要50個人，投入的人力物力相當大；同時焊接質量一致性也不能得到很好的管控。對應關系如表1所示。

表1 產能、節拍與人員投入關系

1.2 一次性焊接技術

面對輻射單元這樣龐大數量的產能需求，不可能采用單點焊接的技術方案，必須針對輻射單元這種多維焊點的產品，開發一種一次性焊接技術。能通過批量處理的方式，將輻射單元的裝配和焊接的步驟，細分成每個子工序，按一定的生產節拍，進行流水化的裝配和量化參數的一次性加熱焊接，實現批量生產。

1.3 輻射單元的結構特點

天線輻射單元的焊點結構呈多維度分布，不處在同一個平面，而且焊點的形態各異，如圖1所標示的焊點1～17，即為焊點位置。焊點呈四層結構分布，數量多達17個。

圖1 天線輻射單元焊點分布圖

1.4 批量焊接技術工藝

為了實現批量焊接，最大化的保障產出，對輻射單元采用陣列擺放的方式；并采用錫膏制程，形成模組化并進行流水焊接作業。如圖2所示，在相應尺寸內進行容量最大化的設置，即為4×4的模組、一模共16個。以一個組合式的集成化夾具作為載體，形成一種分層組裝、分層上錫；然后通過整體加熱方式，一次性對輻射單元上的所有焊點或焊盤上的錫膏，進行融化和焊接；從而一次性形成焊點的批量焊接技術。

圖2 批量焊接技術路線圖

1.5 批量上錫轉化技術

要實現一次性焊接技術，需要提前對輻射單元的每個焊點位置，進行批量上錫作業。由于輻射單元呈立體結構件，由于一半的焊點位于結構件的內部，無法直接采用點涂及印錫的工藝，需要轉化思維，通過工藝上的變換，采用印錫的工藝方法，對同軸電纜進行預上錫；同時采用特殊的爐溫曲線，對錫膏進行軟化預定型；同時還要保證預定型之后的錫膏內部仍保留較多的助焊劑。通過這種的方法進行變換之后，同軸電纜連帶半融化已成型的錫膏，再進行多個立體結構件的組裝，然后進行批量的整體加熱，完成二次融化和焊接[2]。

2 批量上錫轉化技術的實際應用

2.1 立體工件批量上錫思維

對整個輻射單元的結構進行分解，17個焊點分布在四個維度，如圖3所示。其中面1、面2、面4是屬于平面形的結構，呈水平分布，可以通過分層印錫、分層組裝的方式，進行上錫轉化；面3是屬于弧面的結構，呈垂直分布，要實現批量上錫，明顯是不可能的。按照傳統的作業方式，一般會采用錫膏點涂的方式，但由于產品要采用一次性焊接的技術，要進行4×4的模組擺放，這樣面3的焊點就處于內部遮蔽狀態，點涂方案無法實施。這就要進行發散思維，對面3的同軸電纜采用預置的方式，轉化為水平分布的上錫及預成型的需求。

圖3 輻射單元焊點分類分解圖

2.2 錫膏選擇與制程研究

由于輻射單元的零件中，有采用壓鑄鋁合金的材料，表面電鍍錫。其材料熔點為232℃，所以為了兼容工件材料的耐溫性及焊點的可靠性，錫膏選取了中溫非共晶錫膏，成分為AgBiAg，熔點為138～187℃。產品成分中焊料合金之化學成分，如表2所示。

表2 錫膏焊料組成

產品中焊料合金之熔融溫度及密度，如表3所示。

表3 焊料的熔點及密度

產品中錫粉的粒度分布如表4所示。

表4 錫粉的粒度

2.2.1 錫膏制程典型溫度控制

典型焊接曲線圖如圖4所示。

圖4 典型焊接曲線圖

2.2.2 預熱區

預熱升溫速度控制在1～3℃/sec，過快的升溫則容易造成錫球及橋連等不良，元器件也可能因過大的熱應力而造成損壞。為保證PCB各部溫度均勻，減少溫差（Δt），預熱時間為60～120sec，預熱溫度110～140℃/sec。如溫度過低或時間過短將會產生未融溶現象。而如果溫度過高或時間過長，助焊劑中活性成分揮發，亦可能導致未融溶現象產生[3]。

2.2.3 回流區

回流焊峰值溫度一般控制在200℃～220℃，但基于元件的耐熱性能，可使用較低的回流溫度（195℃）。但如果因為回流爐的特性而有困難而采用較高的峰值溫度（220℃），必須充分考慮元件的耐熱性。在熔點溫度（＞187.0℃）以上，一般時間控制60～90sec，視實際產品工藝而定，可減少，但不能少于50sec。

2.2.4 冷卻區

冷卻速度對焊點質量很重要，一般焊點強度隨冷卻速度增加而增加；冷卻速度為2～8℃/sec，若過快則易造成元器件損傷，焊點出現裂紋等不良現象；過慢則易使焊點表面變得粗糙及強度變差，也易導致立碑現象或元器件移位。

2.3 同軸電纜預放

制作耐高溫的電纜托盤，托盤上開具對應數量的同軸電纜固定穴位。如圖5所示，通過人工預放或機器整列擺盤的方式，對同軸電纜進行有規律的擺放，以保證同軸電纜需要印錫的面，能夠位于對應的空槽中。

圖5 同軸電纜定位方式

2.4 同軸電纜圓弧面印錫

依據上文所談到的面3位置所處焊點的焊錫量需求，依據圖6所示的錫膏制程回流之后的體積比變化規律，需要對應2倍的錫膏印錫量。依據這個印錫量，結合同軸電纜的外徑尺寸，推導鋼網的開口設計；對應每根同軸電纜的印錫區域的長、寬及厚度等關鍵尺寸。通過印錫機及刮刀的作用，對整個托盤的同軸電纜進行整體印制上錫，實現同軸電纜錫膏制程的第一次上錫需求[4]。

圖6 印錫回流前后體積變化規律

2.5 電纜上錫膏預定型

由于同軸電纜長度比較短，同時為了保證在周轉過程中錫膏不被刮蹭到，而產生錫少及錫珠、虛焊等不良現象；需要對整體印錫的形狀進行一定的預定型。所以要提前對同軸電纜上的錫膏進行加熱融化固定；但是又不能直接將焊料進行完全固化，因為完全固化后的焊料狀態，在進行輻射單元的二次組裝之后，會制約焊料的二次擴散特性，從而無法形成良好的焊點。

錫膏預定型的關鍵在于溫度的設置，以求得到一種“焊點表干、其內部仍含有助焊劑”的錫膏預定型狀態。在參考焊料的典型曲線，并結合實際情況，作一定可取的變化；焊料預成型的溫度設置，取錫膏融化處于升溫區與回流區的中間值。我們此次焊接技術所采用的錫膏為中溫錫膏，成分為SnBiAg，非共晶，熔點為138～187℃。要實現錫膏預定型的效果，曲線設定可以設置微溶段，即回流區的峰值溫度設置在155～175℃間，保證錫膏能夠產生微融的效應；同時要嚴格控制加熱時間，微熔段的時間控制在50秒以內，確保錫膏內部的助焊劑留存大于原來的60%，以便能在二次熔化時也能夠產生焊料擴散的效應[5]。錫膏預定型的效果如圖7所示。

圖7 錫膏預定型效果

2.6 同軸電纜取放組裝及二次熔化焊接

同軸電纜整體進行首次加熱預定型之后，采用對應的底托工裝，把平放于托盤內的同軸電纜斜著頂起，使同軸電纜呈45度立在托盤上，并作為一個整體的上料盤進行周轉，方便下工序的人工裝配拿取。在下一工序，人工雙手依次將同軸電纜從托盤拿取下來，進行銜接工序的二次組裝。將二次組裝好之后的模組，整體流水進入回流爐、回流爐各個溫度設置形成對應的溫度控制，整體的對模組上的16個輻射單元，共272個焊點上的錫膏及預定型錫膏，進行再次融化和擴散，形成相應的焊點。二次熔化的溫度設置，要保證預熱充分，回流溫度的設置要高于焊料本身熔點溫度的30℃以上，即回流區的峰值溫度設置在210～220℃之間，即以保證焊點能夠二次融化，并充分融透；同時時間控制相當關鍵，回流時間控制在60～90s這個區間，以確保焊接可靠，同時也保障焊點不會被老化[6]，二次焊接效果如圖8所示。

圖8 二次焊接效果

3 結語

應用以上的批量上錫轉化技術，實現立體工件位于多個維度的結構焊點的批量焊接，使產品的焊點效率、質量得到大幅度的提升，保障了產品的一致性；從而使天線整機產品的一致性達通率也得到大幅度提升。在行業內，通過技術傳承和技術轉讓，促進國內天線行業的制造水平整體提高。最大程度彰顯天線制造技術的優越性和靈活性，推動我國經濟的健康發展。