选择性焊接PCB的单点波峰电磁泵研究

曹 敏，张国琦

（1.西安工程大学机电工程学院，西安 710048；2.西安中科麦特电子技术设备有限公司，西安 710119）

0 引言

选择性波峰焊接技术是SMT 发展中的新技术，单点波峰发生器是选择性波峰焊机的核心部件之一。作为驱动单点波峰的动力方案，目前有机械驱动和电磁驱动两种技术路线。由于国内SMT 行业内技术研究力量薄弱，研究及应用电磁泵的厂家很少，所以国内SMT 设备生产厂家多采用机械驱动单点波峰的技术路线。也有厂家进口德国的单点波峰电磁泵。电磁驱动单点波峰技术由于控制精确、波峰稳定，将会成为驱动单点波峰的主流趋势。

传统波峰焊设备在通孔元件电路板的焊接中具有焊接质量好、生产效率高、全自动化流程等优点。当前仍然是SMT主要的焊接设备。波峰焊机的核心部件是波峰发生器，波峰发生器的驱动动力有电机带动机械机构驱动方式，也有电磁感应驱动方式。樊融融，陈雪霏，邢淑清等[1-4]研究了电磁泵波峰发生器及波峰焊机，无论是单相感应电磁泵还是三相感应电磁泵，都属于平面感应电磁泵。随着电子产品高密度小型化的设计要求，电子产品的组装技术出现了以表面贴装技术（SMT）为主流的发展趋势，通孔元件的应用已越来越少。有些高端电子产品使用一些特殊印制板及细脚距连接器，用传统波峰焊接遇到了很多的焊接工艺问题。在此用选择性波峰焊来替代传统波峰焊可提高高端电子产品细脚距连接器等通孔元件的焊接质量。图1所示为单点波峰焊接的示意图。

左大利等[5]研究了在线式选择性波峰焊机机械结构设计，提到了电动机带动机械机构驱动单点波峰的技术方案。单点波峰的电磁泵一般采用的是感应式圆柱电磁泵方式，姜涛等[6]对感应式圆柱电磁泵设计的影响因素，通过软件模拟感应式圆柱电磁泵驱动金属液体的过程，仿真电磁泵的磁感应强度分布和金属液体的受力情况。Carlos等[7]研究的是开发用于液态金属电磁泵设计的计算工具，应用在液态金属冷却反应堆上，研究感应式圆柱电磁泵线圈、磁场等建模及仿真计算。在单点波峰电磁泵的设计中具有很好的参考价值。

综上所述，目前在国内尚缺乏单点波峰电磁泵的研究工作，尽管市场上有进口电磁泵的仿品，因质量不稳定没有普及，通过研究单点波峰电磁泵的内部机械结构，电磁驱动方式，波峰控制方法，锡槽加热及温度控制等，最终研制出单点波峰电磁泵产品，以便在选择性波峰焊机及其他焊接设备上推广应用。

图1 单点波峰焊接示意图

1 单点波峰电磁泵的内部机械结构

1.1 单点波峰电磁泵的原理结构介绍

单点波峰电磁泵表面看来分为上下两部分，如图2 所示，其实是一个有机的整体。电磁泵的上部主要由焊锡储料区、焊料缓流区、电加热圈、保温材料、保温外罩、上盖板、波峰回流罩及波峰喷嘴等零部件组成；电磁泵的下部主要由电磁铁芯线圈、电磁泵内管、电磁保护罩、尾部加热器及尾部加热保护罩等零部件组成。

图2 单点波峰发生器原理结构图

在制作单点波峰发生器时选择金属材料需要考虑以下因素：电磁系统中需要导磁性和不导磁性两种金属材料；电磁泵体金属材料对无铅焊料具有良好的抗腐蚀性能；波峰喷口金属材料和无铅焊料具有良好的润湿性。

1.2 单点波峰电磁泵的内部流动状态描述

单点波峰发生器的主要功能就是在选择性波峰焊机的焊接区形成可控的单点焊料波峰，有选择性地焊接PCB 上的插接元件引脚。在焊接过程中，少量的焊料焊在了PCB 上的焊盘及元件引脚上，大部分焊料流回到了波峰发生器里，循环性地参与后面的波峰焊接工作，基于上述工作过程，波峰发生器内部分为若干区域，如图3所示。

图3 单点波峰发生器焊料循环运动示意图

根据单点波峰电磁泵的原理结构，结合焊锡的流动状态，单点波峰发生器内部可分为10个区域，各区域功效如下：

（1）焊锡储料区，储存焊锡，加热熔化焊锡，接收回流焊锡，焊锡下行运动；

（2）下行过渡区，在内外管之间的环形区域，衔接焊锡储料区和电磁作用区，焊锡下行运动；

（3）电磁动力区，在内外管之间的环形区域，由外部的电磁系统产生电磁感应形成下行压力，驱动焊锡下行运动；

（4）流体反向区，靠电磁驱动的下行压力，流体由外环的下行运动转向，涌入内管中心区，内管中心区的焊锡上行运动；

（5）流体输送区，在内管中心区，焊锡从底部向上部输送，焊锡上行运动；

（6）缓流过渡区，在内管中心区，内径逐渐变大，消除湍流，焊锡上行运动；

（7）液态缓流区，在内管中心区，焊锡层流运动，沿中心同半径的液体流速一直，焊锡上行运动；

（8）喷发过渡区，在内管中心区，内径逐渐变小，流速变快，焊锡上行运动；

（9）波峰喷发区，在波峰喷口处，焊锡加速向上涌出喷口，形成中心对称波峰；

（10）焊锡回流区，焊锡波峰下落，从喷口四周回流到焊锡储料区。

根据流体的运动规律，结合单点波峰发生器腔体内部主要区域液态焊锡的运动速度，计算液态焊锡在波峰发生器腔体内部主要区域的雷诺数，得出结果如下：波峰发生器内部各区域都处于层流状态。在波峰发生器内部的10个区域中，流速最大的区域是波峰喷口，此处的雷诺数也最大，波峰喷口雷诺数远小于临界雷诺数，此处为层流，波峰发生器内部其他区域的雷诺数更小，所以波峰发生器内部各区域都处于层流状态。

2 单点波峰电磁泵的电磁驱动方式

2.1 波峰焊机用电磁泵介绍

电磁泵种类很多，而应用在波峰焊机上的电磁泵主要是交流感应式电磁泵，感应式电磁泵又分为单相感应式和三相感应式两种类型的电磁泵。鉴于波峰焊机所需要的波峰形式及波峰发生器的结构特点，目前波峰焊机上应用的基本上是平面感应式电磁泵。图4所示为平面三相异步感应电磁泵原理图。平面感应电磁泵的原理与三相异步电动机的原理相似，相位差120°的三相电源，在铁芯上三相绕组产生随时间变化的正弦交变电流，铁芯上的交变电流会产生穿透焊料的正弦行进交变磁场，交变磁场产生交变电场，交变电场在焊料内部形成感生电流，这部分电流随磁场同步进行，并与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力驱动焊料流动，在波峰喷口处涌出形成宽平波。

图4 平面三相异步感应电磁泵原理图

2.2 感应式圆柱电磁驱动介绍

单点波峰电磁泵采用感应式圆柱电磁泵方式，其结构原理如图5所示，主要部件有梳状铁芯、环形线圈、泵体外壁及泵体内管等。其中环形线圈共有6 组，分别接三相电流的A、-B、C、-A、B、-C，梳状铁芯和泵体内管构成磁回路。下面结合图5分析感应式圆柱电磁驱动过程。

感应式圆柱电磁泵的环形线圈接通三相交流电（通过变压器降为低压），线圈上的交变电流就会在围绕线圈的磁回路上感应出交变磁场，磁力线经过铁芯和泵体内管形成回路会穿过泵体外壁和泵体内管之间的环状区域（图中电磁动力区），穿过环状区域的交变磁场会感应出交变电场，该区域的焊料（液态金属）在感应电场的环境下生成感应电流（称为感生电流）。磁回路中的感应磁场和液态金属中的感生电流相互作用就形成图中向下箭头方向的驱动力。

图5 电磁驱动结构原理示意图

电磁泵中的焊料（液态金属）在电磁泵的电磁动力区（环形区域）获得向下方向的动力，一直下行到流体反向区（底部）向中心折返，沿流体输送区（内管中心区域）一直上行到单点波峰喷口涌出。

3 单点波峰电磁泵的波峰控制方法

目前三相电动机的转速是用变频器调节的，同理变频器也可以调节三相电磁泵驱动液态金属的流量及单点波峰高度。单点波峰电磁泵的波峰是以变频器调控为基础，再结合三相变压器构成控制系统主要部件。图6 所示为变压器照片，图7所示为变频器照片。

图6 变压器照片

图7 变频器照片

电磁泵的动力控制系统包括变频器、三相变压器、整机控制中心、电磁线圈和设置在电磁线圈上的电流检测器。如图8所示，外部供电电路通过变频器输出需要的工作电压和频率，整机控制中心可以对变频器进行控制，调节输出电压和频率，然后通过三相变压器输出低压给电磁线圈，控制单点波峰的高度。

图8 电磁泵电路原理图

由于单点波峰电磁泵所需功率较小，采用低压向电磁线圈供电。这样电磁线圈的匝间压降小，不易发生线圈匝间的击穿，防止电磁线圈过热造成线圈损坏。三相变压器为AC 220 V/AC 12V。

4 单点波峰电磁泵的加热及温度控制

单点波峰发生器内部的温度控制问题比一般封闭体系要复杂，这主要是因为波峰发生器的结构比较特殊，构成了控制系统的复杂性。

4.1 单点波峰电磁泵的加热

根据单点波峰发生器的结构特点，分别在锡炉上端的焊锡储料区和下端的流体反向区进行加热，以保证锡炉内部焊锡的流动；当电磁泵工作后，电磁动力区的感生电流也同样会产生热量，对焊料进行加热。这就构成了电磁泵内上、中、下3个加热源。

4.2 单点波峰电磁泵的温度控制

单点波峰电磁泵的温度控制系统包括交流控制开关、电源转换器、整机控制中心、PLC 控制器、加热控制器、加热装置和测温装置等，如图9所示，下面对单点波峰电磁泵的温度控制作简单描述。

图9 单点波峰电磁泵的温度控制原理图

交流控制开关的输入端连接外供电线路，输出端分别连接整机控制中心、电源转换器和加热控制器；整机控制中心与PLC 控制器双向连接，电源转换器的输出端与PLC 控制器的电源端连接，PLC 控制器的输出端连接加热控制器，加热控制器的输出端连接加热装置，测温装置的输出端连接PLC控制器。

控制系统通过设置在锡炉上的加热装置对锡炉进行加热，使得锡炉内部温度维持在设定温度范围内，保证焊锡在锡炉内的流动。控制过程如下：在焊锡没有熔化前，由上下两端的加热器加热；当焊锡熔化后，波峰扬起，关闭下端加热，此时由上端加热和电磁加热维持锡炉的温度；当出现超温时，控制上端加热，使焊锡温度维持在设定温度范围内。

5 结束语

通过上述研究，在理论特别是实践上对单点波峰电磁泵的内部机械结构、电磁驱动方式、波峰控制方法、锡槽加热及温度控制等提出了完整的技术方案，在理论上对于电磁泵的应用研究具有很重要的参考价值，在工程应用上为研究生产单点波峰电磁泵的企业提供了比较完整的技术方案可供借鉴。

经过半年的研发，研制成功了如图10 所示的ZXD-18 单点波峰电磁泵样机，经测试ZXD-18单点波峰电磁泵样机主要技术参数如表1所示。

图10 电磁泵锡炉照片

表1 ZXD-18电磁泵锡炉技术参数

ZXD-18 电磁泵锡炉技术参数的测试结果表明，ZXD-18单点波峰电磁泵可满足选择性波峰焊机的应用。选择性波峰焊机可以解决传统波峰焊机无法解决的实际焊接问题。比如有些多层印制电路板双面贴装有大量的BGA、QFP 等表面安装的超大规模集成电路，但仍有一些高性能微处理器及连接器仍然是通孔元件，这类通孔元件无法使用传统波峰焊工艺，最有效的就是采用选择性波峰焊工艺。

ZXD-18单点波峰电磁泵可用于PCB焊点自动检测修焊系统。传统波峰焊机焊接的PCB 焊点难免会有焊接缺陷（桥连或少焊），从波峰焊机出来的PCB进入PCB焊点自动检测修焊系统，首先进行光学检测，如果焊点无缺陷，PCB 直接通过到下工序，如果检测出PCB 有焊点缺陷，则用点状波峰修焊缺陷焊点，再检测修焊成功，PCB进入到下工序。

ZXD-18单点波峰电磁泵更换波峰喷嘴可用于PCB缺陷通孔元件的修焊装置。在PCB 的返修工序中，有些多层印制电路板的层数已达30层至50层，板厚达2mm至3mm，这类多层印制电路板具有很大的热容量，最合适的就是采用波峰修焊。修焊时将印制板的焊接面朝下，使待拆件与波峰喷口对中、安稳，启动波峰，给待拆件焊点加热，待焊点溶化后取下元件，随后，将新的元件插到印制板上的相应位置（元件已涂覆助焊剂）持续3 秒后波峰落下，焊点冷凝后取下印制板。