在现代电子焊接技术的发展历程中，经历了两次 历史性的变革：第一次是从通孔焊接技术向表 面贴装焊接技术的转变；第二次便是我们正在经历的从有铅焊接技术向无铅焊接技术的转变。

焊接技术的演变直接带来了两个结果：一是线路板上 所需焊接的通孔元器件越来越少（见图1）；二是通孔元器 件（尤其是大热容量或细间距元器件，见图2）的焊接难度 越来越大，特别是对无铅和高可靠性要求的产品。

再来看看全球电子组装行业目前所面临的新挑战： ? 全球竞争迫使生产厂商必须在更短时间里将产品推向 市场，以满足客户不断变化的要求 ? 产品需求的季节性变化，要求灵活的生产制造理念 ? 全球竞争迫使生产厂商在提升品质的前提下降低运行 成本 ? 无铅生产已是大势所趋

上述挑战都自然地反映在生产方式和设备的选择上， 这也是为什么选择性波峰焊（以下简称选择焊）在近年来 比其他焊接方式发展得都要快的主要原因；当然，无铅时 代的到来也是推动其发展的另一个重要因素。

通孔焊接技术并未过时

虽然目前表面贴装技术已成为电子产品组装技术的主 流，但是由于以下一些原因，通孔焊接技术在电子组装行 业仍占有一席之地：

1. 一些元器件，如连接器、传感器、变压器和屏蔽罩 等仍然无法做到完全表贴化；
2. 由于成本等方面的原因，不少企业在元器件的选择 上仍会考虑通孔元器件；
3. 在国防、汽车和高端通信等行业，为了追求焊点在 极限条件下的可靠性，通孔元器件仍然是最佳选择（表贴 元器件的焊接是在一个面上完成的，而通孔元器件焊接 中，焊料包裹了整个元器件的引脚，从力学角度衡量可靠 性更佳）。

通孔元器件焊接技术的比较

目前，通孔元器件的焊接主要采用手工焊、波峰焊和 选择焊等几种焊接技术，它们的特点各不相同，下面我们进行一下简单的分析：

手工焊接

手工焊接由于具有历史悠久、成本低、灵活性高等优 势，至今仍被广泛采用。但是，在可靠性要求高、焊接难 度大的一些应用中，由于下述原因受到相当的制约：

1. 烙铁头的温度难以精确控制，这是一个最根本的问 题。如果烙铁头温度过低，容易造成焊接温度低于工艺窗 口的下限而形成冷焊或虚焊；同时，由于烙铁的热回复性 毕竟有限，非常容易导致金属化通孔内透锡不良。烙铁头 温度过高，容易使焊接温度高于工艺窗口上限而形成过厚 的金属间化合物层，从而导致焊点变脆、强度下降，并可 能导致焊盘脱落使线路板报废；
2. 焊点质量的好坏往往受到操作者的知识、技能和情 绪的影响，很难进行控制；
3. 劳动力较机器设备的成本优势正在逐渐丧失。

波峰焊

波峰焊设备发明至今已有50多年的历史了，在通孔 元器件电路板的制造中具有生产效率高和产量大等优点， 因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设 备。但是，在其应用中，也存在有一定的局限性：

1.同一块线路板上的不同焊点因其特性不同(如热容 量、引脚间距、透锡要求等），其所需的焊接参数可能大 相径庭。但是，波峰焊的特点是使整块线路板上的所有焊 点在同一设定参数 下完成焊接，因而 不同焊点间需要彼 此“将就”，这使 得波峰焊较难完全 满足高品质线路板 的焊接要求；

2. 在实际应用 中比较容易出现以 下问题：

• 热冲击过大时容易造成整块线路板变形，从而使线路 板顶部的元器件焊点开路（见图3）
• 双面混装电路板上焊好的表贴器件可能出现二次熔化
• 焊好的热敏器件（电容，LED等）容易因温度过高而 损坏
• 为防止上述情况的发生而使用的工装夹具容易形成 焊接阴影进而造成冷焊

 

 

 

 

 

 

3. 运行成本较高。 在波峰焊的实际应用中， 助焊剂的全板喷涂和锡渣 的产生都带来了较高的运 行成本；尤其是无铅焊接 时，因为无铅焊料的价格 是有铅焊料的3倍以上， 锡渣产生所带来的运行成 本增加是很惊人的。此 外，无铅焊料不断熔解焊 盘上的铜，时间一长便会使锡缸中的焊料成分发生变化， 这需要定期添加纯锡和昂贵的银来加以解决（见图4）；

 

 

 

 

 

 

4.维护与保养麻烦。生产中残余的助焊剂会留在波峰 焊的传送系统中，而且产生的锡渣需要定期清除，这些都 给使用者带来较为繁复的设备维护与保养工作；

5. 线路板设计不良给生产带来一定的困难。有些线路 板在焊接时，由于设计者没有考虑到生产实际情况，无论 我们设定什么样的波峰焊参数和采用各种夹具，焊接效果 总是难以让人完全满意（例如，某些关键部位总是存在透 锡不良或桥连等缺陷）。波峰焊后不得不进行补焊，从而 降低了产品的长期可靠性。

选择焊

选择焊是为了满足通孔元器件焊接发展要求而发明的一 种特殊形式的波峰焊。选择焊一般由助焊剂喷涂、预热和焊 接三个模块构成。通过设备编程装置，助焊剂喷涂模块可对 每个焊点依次完成助焊剂选择性喷涂，经预热模块预热后， 再由焊接模块对每个焊点逐点完成焊接。

由于使用选择焊进行焊接时，每一个焊点的焊接参数都 可以“度身定制”，我们不必再“将就”。工程师有足够的 工艺调整空间把每个焊点的焊接参数（助焊剂的喷涂量、焊 接时间、焊接波峰高度等）调至最佳，缺陷率由此降低，我 们甚至有可能做到通孔元器件的零缺陷焊接（见图5）。

 

 

 

 

 

 

 

选择焊只是针对所需要焊接的点进行助焊剂的选择性 喷涂，线路板的清洁度因此大大提高，同时离子污染量大 大降低。助焊剂中的NA+ 离子和CL-离子如果残留在线路板 上，时间一长会与空气中的水分子结合形成盐从而腐蚀线 路板和焊点，最终造成焊点开路。因此，传统的生产方式 往往需要对焊接完的线路板进行清洗，而选择焊则从根本 上解决了这一问题(见图6)。

 

 

 

 

 

 

焊接中的升温和降温过程都会给线路板带来热冲击， 其强度在无铅焊接中尤为突出。

无铅波峰焊的波峰温度一般为260℃左右，比有铅波峰 焊高10～15℃。在焊接时，整块线路板的温度经历了从室 温到260℃，再冷却到室温的过程，这一升一降的两个温度 变化过程所带来的热冲击会使线路板上不同材质的物体因 为热胀冷缩系数不同而形成剪切应力，比如说BGA器件(见 图7)，在承受热冲击时便会在焊球的顶部与底部形成剪切应力，当这个剪切应力大到一定程度时便会使BGA形成分层 和微裂缝（见图8）。这样的缺陷很难检测（即使借助X光 机和AOI），而且焊点在物理连接上仍然导通（也无法通过 功能测试检测），但是当产品在实际使用中该焊点受到震 动等外来因素影响时，很容易形成开路。

选择焊只是针对特定点的焊接，无论是在点焊和拖焊 时都不会对整块线路板造成热冲击，因此也不会在BGA等 表面贴装器件上形成明显的剪切应力，从而避免了热冲击 所带来的各类缺陷。

无铅焊接所需温度高，焊料可焊性和流动性差，焊料 的熔铜性强。ERSA早在1995年就预见到了这些趋势并发明 了全世界第一台选择焊设备。最新的ERSA Versaflow系列 选择焊更是完全满足了无铅需求，提供给用户全系列的选 择焊设备，以宽泛满足所有产品对选择焊的需求。

选择焊设备的组成及技术要点

助焊剂喷涂系统

选择焊采用选择性助焊剂喷涂系统，即助焊剂喷头 根据事先编制好的程序指令运行到指定位置后，仅对线路 板上需要焊接的区域进行助焊剂喷涂（可点喷和线喷）， 不同区域的喷涂量可根据程序进行调节。由于是选择性喷 涂，不仅助焊剂用量比波峰焊有很大的节省，同时也避免 了对线路板上非焊接区域的污染。

因为是选择性喷涂，所以对助焊剂喷头控制的精度要 求非常高（包括助焊剂喷头的驱动方式），同时助焊剂喷 头也应具备自动校准功能。

此外，助焊剂喷涂系统中，在材料的选择上必须能要 考虑到非VOC助焊剂(即水溶性助焊剂)的强腐蚀性，因此， 凡有可能接触到助焊剂的地方，零部件都必须能抗腐蚀。

预热模块
预热模块的关键在于安全，可靠。

首先，整板预热是其中的关键。因为整板预热可以有 效地防止线路板的不同位置受热不均而造成线路板的变形。

其次，预热的安全可控非常重要。预热的主要作用 是活化助焊剂，由于助焊剂的活化是在一定温度范围下完 成的，过高和过低的温度对助焊剂的活化都是不利的。此 外，线路板上的热敏器件也要求预热的温度可控，不然热 敏器件将很有可能被损坏。

顶部预热模块

当我们焊接大热容量和多层线路板时，顶部预热模块 的使用至关重要。顶部 预热有两种方式：红外 和热风。由于线路板上 元器件高低不同，为防 止预热阴影，建议最好 采用热风对流的顶部预 热方式（见图9）。

 

 

 

 

 

 

顶部预热模块可以 考虑安装在两个位置， 即预热模块上方和焊接模块上方。

在线路板进入焊接模块后，整个焊接工艺的完成需要 一定的时间；因为当我们焊第一个焊点时，温度可能是理 想的，但是在焊接最后一个焊点时，有可能温度已经偏低 了。为了使所有焊点都在理想的温度下完成焊接，可以考 虑在焊接模块上方添加顶部热风预热模块。

在焊接大热容量和多层线路板时，仅有底部红外预热 是不够的。由于热容量大，底部热能很难完全传递到线路 板上方，焊接时焊料在从底部向顶部渗透的过程中温度越 来越低，最终焊料凝固而不能达到IPC的III标准所规定的 75%以上透锡。对于无铅焊接而言，由于焊料流动性差， 问题就更加突出，而顶部热风预热可以很明显地改善透锡 效果（见图10）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

试验表明，充分的顶部热风预热还可以缩短焊接时间 和降低焊接温度；而且这样一来，焊盘与基板的剥离、对 线路板的热冲击，以及熔铜的风险也降低了，焊接的可靠 性自然大大增加。

焊接模块

焊接模块通常由锡缸、机械/电磁泵、焊接喷嘴、氮气 保护装置和传动装置等构成。由于机械/电磁泵的作用，锡 缸中的焊料会从独立的焊接喷嘴中不断涌出，形成一个稳 定的动态锡波；氮气保护装置可以有效防止由于锡渣产生而堵塞焊接喷嘴；而传动装置则保证了锡缸或线路板的精 确移动以实现逐点焊接。

1. 氮气的使用。 氮气的使用可以将无铅焊料的可焊性提高4倍，这对全 面提高无铅焊接的质量是非常关键的。

2. 选择焊与浸焊的根本区别。 浸焊是将线路板浸在锡缸中依靠焊料的表面张力自然 爬升完成焊接。对于大热容量和多层线路板，浸焊是很难 达到透锡要求的。选择焊则不同，焊接喷嘴中冲出来的是 动态的锡波，它的动态强度会直接影响到通孔内的垂直透 锡度；特别是进行无铅焊接时，因为其润湿性差，更需要 动态强劲的锡波。此外，流动强劲的波峰上不容易残留氧 化物，这对提高焊接质量也会有帮助（见图11）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 焊接参数的设定。

针对不同的焊点，焊接模块应能对焊接时间、波峰头 高度和焊接位置进行个性化设置，这将使操作工程师有足 够的空间来进行工艺调整，从而使每个焊点的焊接效果达 到最佳。有的选择焊设备甚至还能通过控制焊点的形状来 达到防止桥连的效果（见图12）。

 

 

 

 

 

 

 

 

线路板传送系统

选择焊对线路板传送系统的关键要求是精度。为了达 到精度要求，传送系统应满足以下两点：

1．轨道材料防变形，稳定耐用；

2. 在通过助焊剂喷涂模块和焊接模块的轨道上加装定 位装置。

选择焊所带来的低运行成本

选择焊的低运行成本是其迅速受到制造厂商欢迎的重要原因。

前面已提到过，现在的线路板通孔元器件的焊接往往 有可能只占整体线路板焊接的很小一部分，在这样的情况下，选择焊具有以下的成本优势：

: 较小的设备占地面积

: 较少的能源消耗

: 大量的助焊剂节省

: 大幅度减少锡渣产生

: 大幅度减少氮气使用量

: 没有工装夹具费用的发生

在一个具体的实际案例中，我们分别用选择焊和波峰焊对26个有铅器件的220个焊点进行了焊接，得出如下结果：

: 助焊剂消耗量 选择焊节省97%

: 锡渣产生 选择焊减少95%

: 能源消耗 选择焊节省51%

: 氮气消耗 选择焊节省92%

选择焊技术的发展前景

看看未来的电子组装行业给我们提出的要求：

: 100%的一次通过率

: 6 Sigma质量管理体系

: 设备的自我校准系统

: 智能化的操作系统以使生产对人的倚赖降到最低

: 一致性、重复性、可靠性和可追溯性

因此对未来选择焊设备的要求将是：

: 产品品质更高

: 运行成本更低

: 设备灵活性更强

: 设备的产量更高

不同行业对选择焊设备的要求已呈现多样化的趋势， 因此针对不同行业开发不同的选择焊设备是未来的发展趋 势。“要好，但更要适合”，我们看到的将是行业与设备的细分，这也是焊接行业发展的一个重要的标志。