1.4 助焊剂涂覆系统

1.4.1 助焊剂涂覆系统在波峰焊接工艺中的作用

当钎料波峰与PCB表面金属直接接触时，如果表面无污染，则在波峰钎料与基体金属间将发生原子交换，然而待焊的金属表面一般都会受到氧化物的污染。使用助焊剂将破除氧化层，将松散的氧化层从金属表面移去，从而导致钎料和基体金属间的直接接触。

波峰焊接工艺中，所用助焊剂的具体牌号一经选定，其功能的充分发挥就取决于施用助焊剂的方法。涂覆助焊剂的真正作用是发生在基体金属表面，仅直接靠近锈蚀膜的那些助焊剂层才是化学净化和防止基体金属表面重新氧化所必需的。虽然助焊剂还具有影响净化过程的某些温度特性，但施用不当可能造成助焊剂的浪费，还会为焊后的净化工作带来麻烦。

在波峰焊接系统中设置助焊剂涂覆系统的目的，就是要实现将助焊剂自动而高效地涂覆到PCB的被焊面上去。

1.4.2 对助焊剂涂覆系统的技术要求

评价一种助焊剂涂覆系统工作状况的优劣，通常是从所涂覆助焊剂层的厚度和均匀性的角度来考虑，即

● 涂覆层应均匀一致，对被焊接面覆盖性好；

● 涂覆的厚度适宜，无多余的助焊剂流淌；

● 涂覆效率高，在保证波峰焊接要求的前提下，助焊剂消耗量最少；

● 环保性能好。

1.4.3 常用的涂覆方式及结构分析

1.助焊剂涂覆方式的分类

波峰焊接设备系统中已经采用过的或即将采用的涂覆方式主要分类如图1.9所示。

2.泡沫波峰涂覆法

（1）泡沫波峰涂覆法的适用范围和特点

泡沫波峰涂覆装置一般由助焊剂槽、喷嘴和浸没在助焊剂槽中的多孔发泡管等组成。发泡管应浸入助焊剂中距离液面约50mm，当在微孔管内送入一定压力的纯净空气后，在喷嘴上方便形成稳定的助焊剂泡沫流。PCB通过该泡沫波峰的峰顶，可在PCB焊接面上涂覆一层厚度均匀且可控的助焊剂层。泡沫波峰涂覆法是一种无任何机械阻力的涂覆方式，采用这种方法时，助焊剂的配比是极为重要的参数，因为助焊剂泡沫的形成在很大程度上取决于助焊剂的黏度、溶液的性质、气体的压力和位于发泡管上面的助焊剂液面的高度。由于泡沫波峰中的泡沫状助焊剂处于连续吹拂状态下，助焊剂中的某些成分会显著地挥发掉，所以助焊剂发泡涂覆设备通常应在尽可能低的温度条件下工作。因为密度是温度的函数，而泡沫波峰的质量和稳定性随助焊剂的密度变化影响很大，所以对助焊剂的密度和温度的监控是非常重要的。泡沫波峰涂覆法从20世纪70年代以来在波峰焊接设备系统中应用较为广泛。此法尤其适用于有大量金属化孔的PCB。

（2）泡沫波峰涂覆系统结构

泡沫波峰涂覆系统的结构组成示意图如图1.10所示。

在这种装置中，助焊剂的密度控制非常重要，助焊剂泡沫波峰形成的质量在很大程度上取决于助焊剂的密度、气体的压力和位于发泡管上面的助焊剂液面高度。气路中的压力通过压力调节器可进行精确调节。一般压力为0.22～0.35kg/cm2就足够了。助焊剂泡沫波峰涂覆器通常由一个外部压缩空气源发生器系统，根据使用助焊剂的不同型号，通过气源（控制空气体积）来精确调节泡沫波峰高度。有些机型还配有气刀，用于排除过剩的助焊剂和增加助焊剂对元器件安装孔的渗透能力。

标准空压机产生的高压空气中通常含有少量来自空气中的水分和来自空压机本身的油。水和油有损于泡沫状助焊剂波峰的质量，因而应当清除掉。空气压力调节器通常带有一个油、水分离器，分离器上方的透明容器内的油、水必须注意定期排掉。

有些机型（如美国Electrovert的产品）在位于助焊剂发泡口两侧设置有毛刷，以提高泡沫波峰的高度。在位于泡沫波峰喷嘴后面的某一距离上设置的第三个刷子，用于除掉多余的助焊剂。当使用这种刷子时，必须保持刷子的干净和柔软，否则不仅达不到目的，反而还有害。

一台功能完善的助焊剂泡沫波峰涂覆系统，还应具备助焊剂密度和液位自动控制系统。

（3）泡沫波峰涂覆系统的优缺点

助焊剂泡沫波峰涂覆系统具有设备简单、价格低、使用维修方便等优点。其缺点是：助焊剂槽采用开放式，溶剂挥发快；直接和空气接触密度不易控制；需要较长的时间预热以使溶剂充分挥发；涂覆厚度和涂覆量虽然比浸涂、刷涂、喷流等方式要少，但还是有些偏多。

3.喷雾涂覆法

（1）助焊剂喷雾涂覆法和喷雾用助焊剂

以往在波峰焊接中普遍使用活性松香型或树脂型助焊剂，其焊后所生成的大量残渣，对PCB的机-电性能有影响。特别是当PCB布线密度发展到线宽达0.1mm、间距缩小到0.2mm以下时，任何一点微小的焊渣黏附，都将造成严重后果。因此焊渣的彻底清洗特别重要，以往普遍采用的清洗溶液几乎都属于ODS或VOC等，它们都属于禁用或限用物质。因此，解决上述问题的方法有以下几种。

① 釆用低固或超低固助焊剂。助焊剂中的固体成分大幅度降下来之后，残渣也就微乎其微了，且呈中性，故一般使用场合下的产品完全可以不清洗。

② 控制助焊剂的涂覆量。由于喷雾涂覆方式在所有的助焊剂涂覆方式中涂覆量较少，所以生成的残渣就少，清洗简便容易。

松香含量低的所有型号助焊剂均可用于喷雾，但只有合成松香产品可防止喷管堵塞。

助焊剂喷雾涂覆方式归纳起来有下列优点：

● 可以在PCB焊接面上形成薄而均匀的助焊剂膜；

● 可以严格控制涂覆量；

● 助焊剂全部储存在密封容器内无敞露部分，因而溶剂不易挥发，浓度变化小且容易控制；

● 空气中的水分和尘埃不易混入，涂覆的助焊剂洁净无杂质。

（2）常见的喷雾涂覆方式

喷雾方式在技术上大致可区分为直接喷雾、旋筛喷雾、超声喷雾三大类。

① 直接喷雾涂覆方式。

（a）直接喷雾涂覆方式的适用范围及其特点：直接喷雾在国外也被称为喷涂法，这种方法仅适用于涂覆低固体含量的液态助焊剂。它是从油漆工业中移植过来的一项传统技术，利用经过过滤的洁净压缩空气高速气流产生的负压效应，将液态助焊剂从喷雾头的针状小孔中吸出，在高速气流中夹杂的助焊剂液滴，受到空气阻力的作用，被击碎并分裂为散射状的极小的雾状液珠而形成定向的高速雾状气流，将助焊剂涂抹在PCB的焊接面上。由于助焊剂中的溶剂通常由极易挥发的材料构成，在高速气流的作用下，助焊剂喷到工件上后溶液就自行挥发或一经喷出喷嘴就以液粒的形式很快挥发了，所以，落到工件表面上的助焊剂是很黏的。

（b）直接喷雾涂覆系统结构：直接喷雾涂覆系统通常由助焊剂储存罐、喷雾头、气流调节器等组成，具体结构示意图如图1.11所示。

（c）直接喷雾涂覆法的优缺点：

● 助焊剂槽采用完全密封式，不和空气接触，助焊剂完全不受污染，也不会造成二次污染；

● 完全免用稀释剂；

● 喷雾头可以实现扫描式涂覆方式，涂覆宽度可调；

● 设计过程复杂、维护麻烦；

● 喷射力强，无法有效地控制飘浮分子，增加了助焊剂用量，需加防护外罩以免污染设备；

● 均匀性差，附着率只有70%以下；

● 体积庞大、噪声大（约88dB）；

● 喷口孔小易堵塞；

● 易污染机器，增加清洗费用；

● 故障率高，维护费用高。

在早期的直接喷雾系统中，也有采用空气直接压力喷雾方式的。它是将液体助焊剂以直接气流压力方法（0.5～3kg/cm2）从小孔中高速压出，在空气阻力的作用下击碎并分裂为极小的雾状液珠，从而形成定向的高速雾状气流。采用这种方法，被压缩了的空气要直接进入助焊剂储液罐中，空气中混有的油、水、尘物等将对储液罐中的助焊剂直接造成污染，而且控制也不方便。因此，这种方法在新的波峰焊接机上已经被淘汰了。

② 旋筛喷雾涂覆方式。

（a）旋筛喷雾涂覆方式的适应范围及特点：旋筛喷雾在国外也被称为旋转筛喷雾或旋网喷雾。这种方法主要是将由不锈钢或其他耐助焊剂腐蚀材料制成的旋转筛（网）的一部分浸入助焊剂容器中，在浸入部分的网眼中充满了助焊剂；旋转筛绕其轴旋转，而且旋转速度可变；喷气嘴位于旋转筛的轴上，并指向位于助焊剂容器上方的PCB；气流可以是连续气流，也可以是当PCB位于喷嘴上方时由位置传感器控制其启、停的断续气流；筛的旋转速度和气压决定了沉积于PCB上的助焊剂涂覆量，变更旋筛网孔的目数可控制雾粒的大小。当PCB采取长插方式时，此法最适宜，元器件引线伸出PCB板面的高度可以达到5cm。而当采用泡沫波峰涂覆方式时，引线露出PCB板面的高度通常限制在10mm以下。

（b）旋筛喷雾涂覆系统结构：旋筛喷雾系统的结构示意图如图1.12所示。

（c）旋筛喷雾的优缺点：

● 可适用于任何品牌和类型的助焊剂；

● 可装于现有的机器内，利于旧机型的改装；

● 制造和使用成本低；

● 维护方便；

● 助焊剂槽采用开放式，直接与空气接触，助焊剂易受二次污染；

● 涂覆的均匀性与质量和直接喷雾相当。

（3）超声喷雾涂覆方式

超声喷雾涂覆方式是利用超声能的空化作用，将液态助焊剂变成雾化状而涂覆到PCB的焊接面上的。根据雾化过程和方式的不同，又大致可以分为以下两种形式。

① 喷射超声雾化方式。这种方式的基本结构与直接喷雾方式类似，不同的是在喷枪的喷嘴处引入了超声振子，构成超声悬浮振荡雾化区。由直接压力或者负压引出的助焊剂高速喷射流，通常颗粒都比较粗大且非常不均匀，但经过超声悬浮振荡雾化区后进一步细化，就可以形成雾颗更细更均匀的雾气流。

② 超声雾化喷雾方式。超声雾化喷雾方式与喷射超声雾化方式的根本差异在于：后者是先产生高速喷射流，然后再经过超声悬浮振荡区进行雾化变成雾气流；而前者则是先直接将液态助焊剂雾化，再辅以适当的技术手段使其形成定向的雾气流。两者雾化过程发生的先后次序不同，显然效果也将存在着差异。超声雾化喷雾方式形成的是纯雾气流，雾粒微细而均匀，绝不混有液颗，而且是真正的无压力涂覆方式；而喷射超声雾化方式，由于高速喷射流在流经超声悬浮振荡区时，受超声作用区内振动的振幅和相位分布所存在的差异的影响，形成的雾粒粗细的均匀性肯定也将受到影响，甚至还将混有液颗。

由于超声雾化形成的雾状液珠要比直接雾化和空气雾化细密得多，所以涂覆效果好、助焊剂消耗量少，波峰焊后PCB板面上残留物极微。到目前为止，人们普遍认为超声雾化喷雾涂覆方式是目前市场上最先进的设计。开发应用超声雾化喷雾涂覆方式的主要优势在于：

● 操作维护简便，使用成本低；

● 波峰焊接后残留物极微，可以实现完全的免清洗波峰焊接；

● 助焊剂储存在密封的储液罐内，不和空气接触，助焊剂不受污染；

● 助焊剂浓度始终不会发生变化，因而完全可以免用稀释剂，降低使用成本；

● 与等待式扫描喷涂技术相结合，可节约助焊剂用量60% 以上；

● 以气袋方式将雾状助焊剂均匀地涂覆在PCB上，助焊剂用量非常经济；

● 雾化喷头采用低压输出，不会在机内形成强烈的空气对流，因而对环境和设备的污染均很小；

● 雾粒微细均匀，对PCB涂覆面的窄缝渗透性好。

（4）各种喷雾方式特性比较

超声波喷雾、旋筛喷雾、直接喷雾等的主要特性对比见表1.1。