论选择性波峰焊不透锡问题研究

周锴 方掩 李帝燊 陈烔

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000

选择性波峰焊也称为选择焊，应用PCB插件通孔焊接领域的设备，择性波峰焊分为离线式和在线式两种，本次主要研究在线式选择性波峰焊。在线式选择性波峰焊的系统可以实现实时接收生产数据，助焊剂模组、预热模组以及焊接模组一体式结构，是自动化程度较高的生产模式[1]。

选择性波峰焊作为焊接元件引脚的关键设备，需要高精度的焊接轨迹以及高要求的焊接合格率，变频机IPM功率性器件的透锡需要达到100%。然而选择性波峰焊在进行焊接时由于元件引脚助焊剂涂覆不达标以及选择焊喷头温度降低过快等原因影响，选择性波峰焊焊接时经常出功率性器件透锡不满足75%的情况，导致后工序补焊，不仅增加生产成本，还会导致出现锡珠、锡渣等焊接异常。我们从人、机、料、法、环、测等方面进行分析研究，攻克解决选择性波峰焊焊接不透锡的难题。

1 理论分析

对生产数据进行分析，功率性器件一次焊接合格率仅为64%。同时根据长期生产反映，不透锡一直是最常见的故障之一，异常比例一直在30%-40%之间。

通过研究焊接异常产生的原因得到两个主要焊接异常因素：焊接温度以及浸锡时间。我司规范焊接速度SpeedX/Y（mm/s）要求在2～7之间，根据实际生产需求通常焊接速度设定为5.2mm/s。常规选择性波峰焊喷头内径4mm，外径6mm，喷头处直径约为4.5mm，可以推算出单个引脚的浸锡时间公式为

式中：T为浸锡时间（s）；ΔL为焊接长度（mm）；V为焊接速度（mm/s）

从公式（1）可知在焊接速度不变的情况下，影响浸锡时间的因素包括喷头焊接时的宽度，在单位时间内，焊接宽度越长，浸锡时间越长。为保证生产产量，不考虑焊接速度变化的条件下，焊接速度为5.2mm/s，喷头喷出锡液的直径为4.5mm的条件下可以得到，单个引脚的焊接时间为：

T=4.5/5.2≈0.8654

2 验证分析

2.1 验证准备

针对变频外机选择性波峰焊不透锡异常划分专项焊接区域，通过人、机、料、法、环、测等方面的筛选分析，研究出现不透锡的焊接异常主要原因为锡液在焊盘表面润湿不够导致，分析汇总核实焊接过程中影响润湿性能的因素主要以下三方面：焊接速度过快；助焊剂涂覆量不够；喷头锡液冷却速度过快或者温度不够。

2.2 对比验证

对此进行具体验证，选取编码为30138001276的主板作为验证对象，其中PCB板型号为GRJW842-A32，板长190mm，其焊接区域划分如下

焊接1区：焊接IPM单排引脚，同时辅助焊接2区焊接二极管的1个引脚，减少焊接2区的焊接压力；

焊接2区：整流桥、IGBT；

焊接3区：IPM双排引脚以及辅助焊接2区焊接二极管的2个引脚。

2.3 原因分析

（1）喷头锡液冷却速度过快或者温度不够的分析。在炉温、助焊剂、焊接速度以及物料满足焊接要求的情况下，普通波峰焊通常焊接短路数据比例较低，出现大量焊接短路的情况较少。对比选择性波峰焊与普通波峰焊之间的焊接差异，主要差异点在于喷锡量。根据实际情况分析可能存在锡液从喷头喷出后温度下降过快导致短路的情况[2]。

（2）助焊剂涂覆量的分析。助焊剂采用人工涂覆，操作人员使用毛笔将助焊剂涂覆在模块焊接处。现场核实主板在涂覆助焊剂之后由于涂覆助焊剂的毛刷蘸取助焊剂的频率不一致，会导致涂覆在主板上的助焊剂的量的一致性会比较低；

综上所述，判断可以从降低喷头冷却速度、优化预热区的开启量以及改善助焊剂涂覆一致性等方面进行提升焊接效果。

3 实验效果及注意事项

3.1 喷头直径过低导致喷涌锡液的温度下降过快

解决措施：通过对选择性波峰焊焊接2区的焊接喷头直径进行优化，增加喷头直径（喷头内径从4mm切换为6mm）对焊接不透锡的情况进行优化。同时现场通过验证首检与喷头比对，实际生产验证等方式核实喷头直径与元件无干涉后进行实际生产验证[3]。

在保持原本焊接参数不发生变化的情况下进行实际生产验证后，焊接2区焊接不透锡的情况得到有效改善，不透锡比例从36%降低至5%以下。切换焊接2区的焊接喷头后对其焊接情况进行金相验证。焊点外观表层呈现光滑和与焊接零件有良好润湿，无分层现象，孔内填充100%，验证焊接合格。

3.2 助焊剂涂覆量不一致导致的焊接不透锡

解决措施：在通过不断改变焊接参数以及助焊剂涂覆量进行验证，并对实验对象不断进行金相研磨核实最优化助焊剂量，同时在进行验证时发现：在助焊剂的量涂覆过多或不均匀时，使用选择性波峰焊进行焊接，焊点内部会出现气泡以及空点。细化焊接参数以及助焊剂涂覆等情况，进行对比验证。最终发现在相同的焊接参数下，模拟将助焊剂涂覆量提高至正常人工涂覆量的3～5倍左右会出现气泡以及空点（使用毛刷沾染助焊剂在焊点处反复涂抹4～7遍），气泡故障复现。其中核实抽检水分以及助焊剂比重均符合标准。

3.3 注意事项

对比验证发现由于助焊剂涂覆量过低会导致焊接焊料的润湿性能不足，从而出现不透锡，而助焊剂的涂覆量过多则会出现焊点内出现气泡。在不断对比验证后发现在毛刷刷完两道再蘸取助焊剂时涂覆量最优

同步验证在符合焊接时间前提，增加喷头直径后锡液流量增大，对焊接时透锡效果改善明显，焊接一次合格率提高至95%。对焊点金相观察其透锡良好符合要求，且喷头焊接过程中无干涉情况。在开启预热1区的同时开启预热3区，并降低IPM处的焊接速度，有利于提高板面温度减少热冲击、提高助焊剂活性，进而改善焊接效果。