激光錫球釬焊在總線板流水線中的應用分析

劉春桂,蔣維新,閆繼豪,唐曉明

（常州博瑞電力自動化設備有限公司,江蘇 常州 213025）

引言

總線板為雙面插裝板,經過回流焊、波峰焊、和手工焊等主要生產環節,工序較多且分散,各工序生產節拍存在較大差異,平均生產周期為一周。雙面插裝的設計結構決定了34 芯端子無法通過波峰焊完成焊接,需要進行手工焊接,效率低下,焊接質量不穩定,品質管控難度大,影響產品整體可靠性,存在較大的質量隱患。

針對目前存在的問題,本文先從提升34 芯端子引線焊點的品質著手,通過試驗分析,激光錫球釬焊方式填錫率較高,焊接效果較好,滿足品質管控要求。進而構思出采用雙工位激光焊接34 芯端子,同時配備機械手實現上下料,再結合AOI 檢測,與現有流水線進行無縫銜接的方案。整合分散的工序,形成了一條自動化程度高且完整的流水線,避免了多余的周轉,提升了工作效率,縮短了加工周期；雙工位激光焊接不僅可以提升34 芯端子的焊接效率,也可兼容焊接常規元器件,為后續產品的拓展留有一定的裕量。

1 34 芯端子焊點分析

1.1 手工焊點分析

34 芯端子屬于大熱熔元件,引線數量多,密度高,間距小。采用傳統的手工錫焊進行焊接,熱功率補償不足,易出現大量焊接不良現象；若增加焊接時間,還容易對PCB 板和元器件本體造成熱損傷；操作過程中相鄰引線的焊點之間極易發生“橋連”,均增加了返修成本；整體焊接效率低、一致性差,且受人員技能與情緒等不可控因素影響。34 芯端子見圖1。

圖1 34 芯端子

1.1.1 焊接樣品

使用150 W 手工焊臺取代常規90 W 手工焊臺對34 芯端子進行焊裝,單個耗時約160 s。B 面鍍覆孔孔壁和引線360°潤濕,鍍覆孔周圍滿足焊接要求,焊點表面飽滿圓潤。

1.1.2 樣品檢測

（1） 切片觀察

為了觀察34 芯端子引線焊點內部焊接品質,在溫度：22.6℃、濕度：58%RH 的環境條件下,以IPC-TM-650 2.1.1F 測試標準為依據,按標準方法處理樣品,經研磨、拋光后,在金相顯微鏡Axiolab 5 下觀察并拍照。發現有的引線焊錫填充率較低,僅有42.2%,以及未熔合等不良現象[1],見圖2。

圖2 焊接不良現象

（2） IMC 層厚度測量

在溫度：22.6℃、濕度：58%RH 的環境條件下,以GB/T 16594-2008 標準為依據,按標準方法處理樣品,經研磨、拋光和腐蝕后,表面鍍Pt 20 s,按照標準作業流程放入場發射掃描電子顯微鏡[2]supra 55 樣品室中對測試位置進行放大觀察和測量。隨機選取一個引線的焊點,見表1 IMC 測試結果表。

表1 IMC測試結果表

由表1 可知,C 端IMC 層偏薄且不均勻,容易形成虛焊；P 端IMC 層偏厚且不均勻,會引起焊點中的微裂紋萌生,韌性和抗周期疲勞性下降。IMC 太薄或太厚都會降低焊點可靠性,故判定為不合格。

1.2 激光錫球釬焊焊點分析

激光錫球釬焊使用激光作為高效熱源,恒溫加熱錫球,高純氮氣在錫球融化的瞬間將其噴射到焊盤上,形成標準焊點。無錫珠飛濺、無錫渣生成、無助焊劑殘留,可免清洗；這種非接觸式加熱方式,只對局部加熱,避免了對周圍元件的熱損傷。

1.2.1 焊接樣品

選用激光波長900 nm ～1 200 nm,功率大于150 W,錫球直徑為1 500 um,焊接精度±0.05 mm,可焊接厚2.5 mm 內的PCB 板,焊接一個34 芯端子耗時約17 s。焊接速度快,焊點飽滿,無氣孔,無橋連,焊接美觀,表面清潔,焊后無需處理。

1.2.2 樣品檢測

（1） X-RAY 檢查

X-RAY 透視成像技術已成為PCBA 檢測的重要手段之一,使得電子器件生產制造品質檢測方式更加豐富。依據IPC-A-610H:2020 標準,對樣品焊點進行X-RAY 檢查,激光錫球釬焊焊點填錫率高,未發現明顯缺陷及不良,見圖3。

圖3 X-RAY 代表性照片

（2） 切片觀察

為了進一步確認激光錫球釬焊填錫率,參考IPC-TM-650 2.1.1F 測試標準,取樣、固封、研磨、拋光、觀察。在金相顯微鏡下觀察并拍照,隨機選取34芯端子第18 和32 號的引線焊點進行觀察,見圖4。插裝通孔填錫率大于90%,滿足透錫率超過75%的標準要求；焊點良品率大于98%,焊點內部無氣孔,無未熔合現象,焊接質量高。

圖4 第18、32 號引線焊點

（3） IMC 層厚度測量

參照GB/T 16594-2008 標準,對樣品第18 和32號的引線焊點進行IMC 層厚度測量。見表2 IMC 測試結果表。

表2 IMC 測試結果表

由表2 可知,激光錫球釬焊后有連續的IMC 層形成,厚度在0.7 nm～1.6 μm 之間,整體均勻,無太薄或太厚現象,焊接良好,良好的IMC 對焊接可靠性至關重要。

1.3 激光錫球釬焊小結

綜上所述,激光錫球釬焊相比于手工焊,在潤濕性、爬錫等有均顯著提升,焊接質量高；定位精度高,可精確控制焊點,相鄰焊點之間無橋連現象；熱影響區小,PCB 板變形小,也不會損傷周邊元件；微米級的焊接精度,可實現高精度點焊,極大地提高了焊點的疲勞壽命；通孔填錫率高,焊點可靠性高[3]；IMC 層連續且均勻,厚度值滿足品控要求；無需助焊劑,焊點清潔度高,免二次清洗；焊接速度快,效率高,一致性好,擺脫了人員技能與情緒等不可控因素的影響,可有效縮短生產周期。

2 總線板流水線改造

2.1 目前總線板流水線介紹

現有總線板流水線僅能生產總線板半成品,收板后周轉至手工焊接區,手工完成34 芯端子引線的焊接,再周轉至ICT 在線測試。其中,AOI 檢測位于波峰焊接爐之前,僅能對大部分元件進行檢測,不能實現對整個總線板元件的檢測。目前該流水線不具備實現整個總線板的生產和測試,工序分散,自動化集成度不高,效率低,不利于精益生產,有較大的優化空間。

2.2 總線板流水線優化構思

采用激光錫球釬焊取代手工焊接34 芯端子引線,使用6 軸機械臂抓取34 芯端子并插裝到總線板板上,通過激光釬焊雙工位完成焊接,取消原設置在波峰焊爐前的AOI 檢測,將AOI 檢測[4]集成到激光釬焊模組2 之后,可實現對整個總線板上所有元件進行檢測,形成機械臂插裝+雙工位激光釬焊+AOI 檢測的非標設計自動化方案,見圖5。

圖5 34 芯端子自動化焊接示意

2.3 優化后總線板流水線介紹

將機械臂插裝+雙工位激光釬焊+AOI 檢測的非標設計自動化設備與現有總線板流水線進行無縫銜接,可實現激光釬焊質量在線監測[5]；再配合現有的ICT 在線測試設備[6],取消原設置在波峰焊爐前多余的AOI 檢測環節,形成一個自動化水平高且工序完整的總線板流水線,見圖6。裝焊完成后的總線板流經AOI檢測和ICT 在線測試合格即可直接入庫,無需二次周轉,生產效率高,加工周期明顯縮短。機械臂插裝+雙工位激光釬焊+AOI 檢測的非標設計自動化設備長x寬x 高約為2 500x1 500x2 000 (mm),設備尺寸緊湊,不占用過多生產區域,設備通用性強,安裝靈活。

圖6 優化后總線板生產流程示意

3 結論

（1） 本文使用激光錫球釬焊焊接總線板上的34芯端子引線,通過對焊點進行外觀觀察、X-RAY 透視檢查、切片觀察以及IMC 層厚度測量,發現焊點表面飽滿美觀,焊點內部無未熔合現象,焊點填錫率較高,IMC 層厚度適宜且整體均勻?？娠@著提升34 芯端子引線焊點的品質,總線板的整體可靠性也隨之提高。

（2） 提出激光錫球釬焊自動化與檢測系統配合的構思,形成機械臂插裝+雙工位激光釬焊+AOI 檢測的非標設計自動化方案,以實現34 芯端子自動化插裝、焊接和整個總線板元件的檢查。其中,設計雙工位激光釬焊,不僅可滿足目前總線板34 芯端子焊接需求,還留有充分的裕量,可滿足后期產品多樣化生產需求,通用性好,拓展性強。

（3） 將激光釬焊非標設計自動化設備和ICT 在線測試設備與目前總線板流水線進行無縫銜接,升級成一條生產自動化程度高的總線板流水線。實現了插裝、波峰焊、激光釬焊、AOI 檢測和ICT 在線測試一體化,生產效率提升明顯,有效縮短了生產周期,提升了總線板的整體品質,節能減排效果顯著,具備一定的社會經濟應用價值。