摘要

实现选择性焊接（以下简称选择焊），尽管设备受到更多的关注，但工艺远比设备重要。选择焊使大多数异型和最难焊组件的焊接成为可能。所有选择焊工艺都是独特的，并且要使用特定的处理和焊接工具。为了满足这些要求，需要的不仅仅是设备，用户还要对工艺有全面深入的理解，建立一个方便与供应商进行联系的快捷的通讯系统，以及一个能够对需求和问题快速响应的、覆盖全球的供应链系统。

第二个误解是选择焊仅仅是采用了一些炉温曲线稍有差异的波峰焊。两者最显著的差别是：在波峰焊过程中，PCB下面的每个元器件和零件都能接触到熔融流动状态的焊料（除非用托盘进行隔离）；而在选择焊中，只有特定的区域才会接触到焊料。PCB板材本身并不是最有 效的热传导介质，这对不希望被加热的临近组件和区域有好处。

电子产品和无铅化的趋势，要求有替代技术来进行通孔元器件的组装，这些技术应当具备可选择性、可靠性高、自动化和速度快的特点。

如今，电子元器件的互连密度和功能，都随着表面贴装和通孔元器件的融合而增加；与此同时，元件尺寸和重量却在不断地减小。因为表面贴装和通孔元器件的融合越来越多，相应地会有些元件要求采用选择焊而不是回流焊工艺。虽然通孔回流焊工艺也可以用于这个目的，但是这项技术必须建立在合理的设计基础上，而且全部元器件和材料都要满足回流曲线的要求。

多数SMT 元器件可以使用诸如回流焊或者波峰焊等传统方法来焊接。通孔元器件，例如连接器、电解电容、显示器件，及某些特殊的径向元件需要单独的焊接操作。这些元件大多对高温敏感，特别是暴露在无铅波峰焊和/或回流焊工艺的高温环境中的时候。

选择焊使这些元件可以单独或混合焊接在线路板上，而不必使通孔元器件本体暴露于可能超出元器件最高设计上限的焊接温度中。它通过对线路板选定温度和/或区域进行限热来做到这一点。也可以考虑淘汰点胶、托盘、手工焊接等工序，并使最终产品质量达到最优。

选择焊用到了波峰焊的许多概念。不过，选择焊对其加以变化，并使其成为自身独有的技术。因为这些差别，有必要讨论用什么来满足无铅选择焊工艺的要求。

本文的目的是确定包括助焊剂喷涂、预热，以及焊接等选择焊的所有方法对不同工艺环节的影响。这项研究的对象是SnPb合金焊接，但结论也适用于无铅。本文的第二个目的是把选择焊工艺同波峰焊工艺进行比较，使读者了解其异同。

不同的焊接技术

选择焊是从PCB的下方，对特殊的通孔元器件“有选择地”喷涂助焊剂并焊接的工艺。

不同于波峰焊工艺中，PCB被轨道直线传送并通过稳定的焊料波峰进行焊接；选择焊是应用机器人技术，分别在固定的焊料喷嘴上移动每块板[焊料“喷泉”被称为选择波（SelectWave），混合“喷泉”称为组合波（MultiWave）]，并且使用两种不同的技术——拖焊或者浸焊（取决于工艺的选择）——来焊接单独的点或元件。

助焊剂喷涂

对助焊剂的要求

助焊剂喷涂工艺对选择焊提出了特殊的新挑战。选择焊所用的理想助焊剂与波峰焊用的助焊剂有显著的不同。不过，两者有个共同点，就是助焊剂的作用相同——清洁和润湿待焊表面，并通过焊接形成机械和电气连接良好的焊点。两种工艺中，助焊剂配方选择的目的，都是使残留减到最小并且使可焊性达到最大化。在生产的过程中，助焊剂的喷涂是一项基本工艺，一定要均匀和足量。波峰焊时，要求助焊剂被喷涂并流入过孔；而在选择焊过程中，助焊剂不允许被喷进而只能直接渗入过孔。助焊剂最好选择低沸点的溶剂，以使其在预热时能够很快地挥发，这样就缩短了焊接周期。在焊接期间，助焊剂挥发和/或被焊料取代，但是助焊剂在焊接区域以外的分布必须被减到最小。

助焊剂的低挥发要求，排除了使用像发泡型助焊剂那样的开环控制式助焊剂系统。选择焊需要一个闭环控制式的应用系统，以控制助焊剂的量，并施加于线路板上的指定位置。一个点喷式助焊剂系统很适合这些要求。

由于选择焊必须控制助焊剂的量，因此，我们需要从助焊剂供应商那里得到测量助焊剂的最小和最大量的报告。大多数规格表上都没有这些数据，但是对于一个可控制的选择焊过程来说，这一点绝对至关重要。助焊剂的最小量取决于点喷系统的设定，以使焊接区域获得可接受的助焊剂量。最大量也很重要，因为太多助焊剂残留会引起电迁移。助焊剂活性越高，留下的腐蚀性残留的可能性越大，引起潜在可靠性问题的机率也越大。受环境状况（例如电压，温湿度）的影响，PCB上的助焊剂残留能引起电迁移，并最终导致短路。

每种助焊剂的配方，是由助焊剂的物理特性——为特定的用途而设计——所决定的。与波峰焊所使用的助焊剂的量相比，选择焊的用量是极少的。因此，助焊剂的化学特性在喷涂工艺中保持稳定是非常重要的。任何与原配方的偏差，将使助焊剂的浓度发生变化，间接地导致不良焊接或者助焊剂残留过多。

正常情况下，通过分析焊点就能了解波峰焊中助焊剂的正确用量。如果所有的焊点焊情况良好，也许可以降低助焊剂的用量，但这要取决于残留的情况。有几项试验可以用来检查残留是否是可接受的。在选择焊中，必须计算元器件和零件接触焊料所需的助焊剂量。重要的是，不仅连接器，整个区域包括引脚和过孔表面都必须有适量的助焊剂，否则在高操作温度下，那些有铅或无铅合金焊料将会烧坏线路板表面。

为这个目的发展了一种点喷技术，它比波峰焊中的平行技术更为灵活。在波峰焊工艺中，要求持续均匀地在整块板上喷涂一定量的助焊剂；而点喷技术使得喷涂到同一组件中不同元器件之间的助焊剂量有所不同。

点喷系统在安装方面也很灵活，它可以被装在机器中的固定位置，或安装在x-y平台上。 前者，为了使元件移动减到最小，待焊线路板以相对低速移动到系统上方。后者，点喷系统安装在轨道区域，当线路板经过时，点喷系统喷出助焊剂。这样不影响选择焊的工艺周期。

从实用的观点来看，选择焊和波峰焊这两种焊接技术，使用户能够完成特殊作业。两种焊接的概念之间存在相同点，但在设备和工艺方面，每种技术各有其独到之处。

助焊剂量的计算

电子组装环境的变化促使人们持续努力在生产的各个层面上减小污染，其中就包括VOC型助焊剂。基于酒精的助焊剂由于具有极好的润湿性和低沸点，是制造环境中进行焊接的理想选择。无VOC基于水的助焊剂技术是对基于酒精的助焊剂的替代品。表１列出了水和几种通常使用的酒精的特性。水和酒精之间的主要区别为：沸点、表面张力和比热。这三种物理性能导致基于酒精和水的助焊剂的不同特性。综上所述，基于酒精的助焊剂是一个比较好的选择。在选择焊工艺中使用的助焊剂的量相对于普通波峰焊非常小。为了量化两种助焊剂的消耗量，提供如下方法和实例。给定一个典型的50个引脚的连接器，使用典型的基于酒精的助焊剂，定义为1.25 – 2 mg/cm2。

计算一个插入金属化过孔元器件引脚在形成特定焊点时所需的助焊剂量，与焊点相关的尺寸见表2。

需要被助焊剂所覆盖的线路板上区域包括和焊料和被焊接焊点接触的部分。对这块板来说，方程式１和１b确定此区域。

 

 

 

 

 

 

 

 

总面积 = 所占板面积 + 50个引脚所占面积 方程1

总面积 = (长×宽) + { 焊环面积 + 孔壁面积 + 引脚表面积}

方程1b

此例中，计算的区域为：

总面积 = (64 × 5.5) + {(π/4 ×(1.82 – 1.22)) + (π ×1.2

×1.6) +(π ×0.8×(2 + 1.6))} = 352 + (1.41 + 6.03 + 9.05)

= 368.5 mm2 = 3.7 cm2

此连接器所需助焊剂的量用方程２来计算。

助焊剂量 = (每单位面积的助焊剂量 (mg/cm2)) × (需喷涂助焊剂的面积) 方程 2

施加到元器件上助焊剂，其流量是一个临界量。在选择焊工艺中，需要利用点喷喷嘴。 施加的助焊剂量和助焊剂滴的大小之间的关系用方程3和4表示。

喷嘴开启时间 ∝每滴助焊剂的体积 方程 3

喷嘴开启时间 ∝每滴助焊剂的量 方程 4

点喷喷嘴把微量的助焊剂按照程序的设定，瞄准并喷射

到线路板上的特定位置。通过控制喷嘴打开的时间，助焊剂被定量准确地喷出；这使元器件能够得到适量的助焊剂；详见下面的案例研究。这在此后的试验中也得到了进一步证实。

此前，按照某家制造商的建议，精确覆盖整个区域需要7.38mg助焊剂。利用点喷喷嘴，程序设定助焊剂喷射速度为0.08mg/ ms , 即可得到适量的基于酒精的助焊剂。助焊剂小

滴直径由方程５确定。

topen ≌ (d2 – 6) / 4 (ms) 3 ≤ d≤ 7 mm 方程 5

其中：topen = 点喷喷嘴开启的时间d =助焊剂小滴的直径，以mm为单位

条件：助焊剂与喷嘴的距离为60mm，对基于酒精的助焊剂如果给小滴直径为3mm，则topen ≌ (32 – 6) / 4 = 1 ms

为了在这个连接器的焊接中用3 m m 直径小滴喷涂7.38mg基于酒精的助焊剂，要有1 ms的打开时间。这3mm直径小滴的相应量由方程６确定。

重量 = 特定点喷速度(mg/ms)×点喷嘴开启时间 方程6

重量 = (0.08 mg/ms) × (1 ms) = 0.08 mg

由小滴的量（由助焊剂的规格确定）和需要喷涂助焊剂的区域可计算总的周期时间。此例中，使用的助焊剂为0.08mg／滴。为了覆盖待焊区域，要有喷涂7.38mg助焊剂。

方程７计算所需要的小滴的数量。

滴数 = 所需助焊剂总量 / 每滴助焊剂的重量 方程 7此例中，7.38(mg)/ 0.08(mg/小滴)= 93 小滴。

助焊剂喷涂工艺时间由方程8确定。

助焊剂喷涂工艺时间 = 总滴数×topen×tcycle 方程 8

其中：topen = 喷涂每滴助焊剂所用时间

tcycle = 喷涂每滴之间的间隔条件：tcycle ≥1.5× topen

此例中喷涂助焊剂工艺最短时间为：(93滴)×(1ms)×1.5 ≥ 139.5 ms

波峰焊和选择焊之间助焊剂区别极为明显。

案例研究：

250×180mm尺寸的线路板，包含2个连接器，各有50个引脚。

在波峰焊中，焊接面积= 250×180 = 450cm2。在这个工艺中，450 cm2×2.2mg/cm2 =990mg，这是按照某家制造商的建议所需的助焊剂量。另外一个需要考虑的因素是助焊剂的过量喷涂和飞溅损失。在这种情况下，系数为1.66；因此消耗助焊剂的总量是1.66 ×990 mg= 1643mg。对选择焊工艺，需要的助焊剂是2×7.38mg= 14.6mg，相当于波峰焊的0.9 %。点喷口喷出这些助焊剂用于50个焊点所需的时间为2×139.5 = 279 ms。

小结

波峰焊加工10,000块线路板，要消耗20公升助焊剂，而对于选择焊，相同材料只要0.18公升助焊剂。从波峰焊转为选择焊，消耗助焊剂量减少99.1%。这个结果给最终用户提供了在选择助焊剂方面的灵活性。不必考虑VOC助焊剂。点喷助焊剂系统使助焊剂喷涂工艺时间和消耗量减到最短。因为选择焊技术发展的结果，基于酒精的助焊剂由于特有的物理性能而非常适用。

焊接

选择波:

单个的选择波可以用于拖焊和浸焊。对稳定的工艺过程来说，如果喷嘴材料为不锈钢，则最好有至少6mm的内径。

焊料的流向确定，但是可用于不同方向的组装，并且可以对各种应用进行优化。机械手也能使线路板从不同的方向和不同的角度(在0，7或者10 度之间)下接近锡波，为用户提供焊接同一个组件上不同种类元器件的能力。对大多数元器件来说，推荐使用10 度的焊接角度。

选择波焊接的好处是它适合于多种应用，同时保持最小尺寸(850× 200 × 200mm)，以及仅仅消耗有限的能源和材料。这种6 dm³直径锡埚的典型运行条件是3.6kW的功率和20L/hr的氮气消耗量，最高焊接温度达 400℃。

选择波拖焊:

在拖焊中，机器人把线路板移动到喷嘴上方，让需要焊接的引脚和焊料接触，这与波峰焊一样。与浸焊相比，由于焊料波和板的运动，拖焊的热传递要好得多。然而，形成焊点所要求的能量必须由焊料波传递，并且由于焊料波的焊料量少，为了使拖焊取得可接受的工艺速度设定，波的温度必须很高。图2描述了焊料波温度变化，与焊料波高度以及线路板厚度之间的函数关系。

假设温度设定为275~300℃，拖速一般可达到10~25mm/s(类似于波峰焊)。焊接区域供应氮气，以防止焊料波氧化物的增加。

拖焊也可消除PCB上的桥接，因为氧化物被焊料波冲掉了。这个优势，加上前面提到过的特点，增加了选择波拖焊的稳定性和可靠性。

SelectWave的选择波浸焊:

浸焊可以在特定焊接角(7或者10 度)或水平状态下在选择波喷嘴上进行。浸焊工艺还有其他可变参数。浸入速度，驻留时间和脱离速度都要可控，而且这些参数将决定焊点的质量。 选择波能到达高密度元件区域，独立的点或者引脚。线路板不仅能在不同的焊接角下加工，　也能被旋转以实现喷嘴移动的最优化路径，并且使待焊引脚和其他元器件之间的距离达到最短。

组合波:

采用组合

波喷嘴的焊接技术即是浸焊。虽然过程看起来是简单的，即把线路板浸入焊料中然后移开，但其自身的各种特性使其有着不同的应用。助焊剂喷涂和预热期间，喷嘴被一个玻璃盘所遮挡，其下面维持着惰性气氛。焊料波冲洗掉全部氧化物，并且一直在喷嘴处保持着正确的焊接温度。

 

 

 

 

每种需要焊接的组件都有它特定的装有喷嘴的托盘。喷嘴根据线路板的自由区域可能有不同的形状。因为全部异型元器件都需要焊接，所以应用工程师将设计各种独特的喷嘴。 喷嘴被螺栓（暂时）固定在托盘上，当线路板设计有变动时，喷嘴位置可在托盘上很容易地进行位置调整。

工艺中， 锡波高度和焊接温度的设定非常重要。Vitronics Soltec焊接设备装的喷嘴，有取得专利权的焊料释放孔稳定器，可保持全部喷嘴在相同的温度和锡波高度。装有带底座的支撑销以防止板的翘曲。

浸焊的最简单的做法是把组件浸入焊料中。焊料不应在焊接期间溢出喷嘴边沿；否则周围的元器件会沾到焊料。第二种方法，是当线路板下移直至接触到喷嘴边沿时，保持焊料波高度恰好低于喷嘴的边沿。然后，焊泵以一定的速度将焊料波升高并与板接触。焊接后，首先泵速降低，然后线路板从焊料波上移出。在这过程中，重要的是泵速在驻留期间不可以太高，以防止金属氧化物粘到线路板上。同样重要的是，要确保适当的脱离速度以防止发生桥连。

这个应用的好处是它适用于大批量生产的任何特殊的要求。通过利用一个700 × 600× 150mm大小的锡埚达到高产量是可能的。焊料的体积为31dm3。因为组合波需要两个泵，所以能源消耗是6.8kW，氮气消耗为6~7m3/h。因为在结构上使用的材料与选择波相同，因此最高温度可达400℃。

设计规范

选择焊的设计规范

拖焊中，引脚长度由于选择波的高度而受到限制。通常，引脚长度最好小于２mm，但也可长至4mm。最短引脚长度取决于PCB；例如，对于单面板来说，引脚长度至少1mm。其他PCB，为了焊点识别的需要，建议长度至少0.7mm。

超过１mm长度的直的引脚突出部分，并不会在形成焊点时堆积更多的焊料，也不会为焊点增加多少强度。通常，对于一个稳定的工艺来说，被焊焊盘边缘同周围不应焊接的元器件或焊点的距离必须≥3mm。在选择波的下一个焊接点的方向上，距离应大于4mm。

组合波焊接的设计规范:

喷嘴尺寸应该尽可能大，以保证工艺的稳定，当然这要在不影响其他(临近)元器件的情况下。这对设计工程师来说是一个重要而且有时很困难的任务，因为它决定工艺的稳定性。 喷嘴托盘应具备高精度，误差范围要小于0.1mm。用算法来补偿温度带来的影响。应用这个工艺，可加工从0.7-10mm的焊点。更短的引脚和更小的焊盘尺寸使工艺更稳定，并且不易产生桥连。焊点边沿、相邻元器件，和及组合波喷嘴之间的距离均应>0.5mm。

不同的工艺规范

正像在选择焊过程中获得的工艺结果不同于波峰焊一样，由于所用的焊接方式（拖焊和浸焊）的热分布特性，和不同种类线路板的不同的热传导特性，选择波和组合波之间的焊接结果也不同。

像波峰焊一样，预热用来准备焊接PCB；在选择焊工艺中，用来使