曹 敏，張國琦

（1.西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，西安 710048；2.西安中科麥特電子技術(shù)設(shè)備有限公司，西安 710119）

0 引言

選擇性波峰焊接技術(shù)是SMT 發(fā)展中的新技術(shù)，單點波峰發(fā)生器是選擇性波峰焊機的核心部件之一。作為驅(qū)動單點波峰的動力方案，目前有機械驅(qū)動和電磁驅(qū)動兩種技術(shù)路線。由于國內(nèi)SMT 行業(yè)內(nèi)技術(shù)研究力量薄弱，研究及應(yīng)用電磁泵的廠家很少，所以國內(nèi)SMT 設(shè)備生產(chǎn)廠家多采用機械驅(qū)動單點波峰的技術(shù)路線。也有廠家進口德國的單點波峰電磁泵。電磁驅(qū)動單點波峰技術(shù)由于控制精確、波峰穩(wěn)定，將會成為驅(qū)動單點波峰的主流趨勢。

傳統(tǒng)波峰焊設(shè)備在通孔元件電路板的焊接中具有焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、全自動化流程等優(yōu)點。當(dāng)前仍然是SMT主要的焊接設(shè)備。波峰焊機的核心部件是波峰發(fā)生器，波峰發(fā)生器的驅(qū)動動力有電機帶動機械機構(gòu)驅(qū)動方式，也有電磁感應(yīng)驅(qū)動方式。樊融融，陳雪霏，邢淑清等[1-4]研究了電磁泵波峰發(fā)生器及波峰焊機，無論是單相感應(yīng)電磁泵還是三相感應(yīng)電磁泵，都屬于平面感應(yīng)電磁泵。隨著電子產(chǎn)品高密度小型化的設(shè)計要求，電子產(chǎn)品的組裝技術(shù)出現(xiàn)了以表面貼裝技術(shù)（SMT）為主流的發(fā)展趨勢，通孔元件的應(yīng)用已越來越少。有些高端電子產(chǎn)品使用一些特殊印制板及細腳距連接器，用傳統(tǒng)波峰焊接遇到了很多的焊接工藝問題。在此用選擇性波峰焊來替代傳統(tǒng)波峰焊可提高高端電子產(chǎn)品細腳距連接器等通孔元件的焊接質(zhì)量。圖1所示為單點波峰焊接的示意圖。

左大利等[5]研究了在線式選擇性波峰焊機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，提到了電動機帶動機械機構(gòu)驅(qū)動單點波峰的技術(shù)方案。單點波峰的電磁泵一般采用的是感應(yīng)式圓柱電磁泵方式，姜濤等[6]對感應(yīng)式圓柱電磁泵設(shè)計的影響因素，通過軟件模擬感應(yīng)式圓柱電磁泵驅(qū)動金屬液體的過程，仿真電磁泵的磁感應(yīng)強度分布和金屬液體的受力情況。Carlos等[7]研究的是開發(fā)用于液態(tài)金屬電磁泵設(shè)計的計算工具，應(yīng)用在液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆上，研究感應(yīng)式圓柱電磁泵線圈、磁場等建模及仿真計算。在單點波峰電磁泵的設(shè)計中具有很好的參考價值。

綜上所述，目前在國內(nèi)尚缺乏單點波峰電磁泵的研究工作，盡管市場上有進口電磁泵的仿品，因質(zhì)量不穩(wěn)定沒有普及，通過研究單點波峰電磁泵的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)，電磁驅(qū)動方式，波峰控制方法，錫槽加熱及溫度控制等，最終研制出單點波峰電磁泵產(chǎn)品，以便在選擇性波峰焊機及其他焊接設(shè)備上推廣應(yīng)用。

圖1 單點波峰焊接示意圖

1 單點波峰電磁泵的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)

1.1 單點波峰電磁泵的原理結(jié)構(gòu)介紹

單點波峰電磁泵表面看來分為上下兩部分，如圖2 所示，其實是一個有機的整體。電磁泵的上部主要由焊錫儲料區(qū)、焊料緩流區(qū)、電加熱圈、保溫材料、保溫外罩、上蓋板、波峰回流罩及波峰噴嘴等零部件組成；電磁泵的下部主要由電磁鐵芯線圈、電磁泵內(nèi)管、電磁保護罩、尾部加熱器及尾部加熱保護罩等零部件組成。

圖2 單點波峰發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)圖

在制作單點波峰發(fā)生器時選擇金屬材料需要考慮以下因素：電磁系統(tǒng)中需要導(dǎo)磁性和不導(dǎo)磁性兩種金屬材料；電磁泵體金屬材料對無鉛焊料具有良好的抗腐蝕性能；波峰噴口金屬材料和無鉛焊料具有良好的潤濕性。

1.2 單點波峰電磁泵的內(nèi)部流動狀態(tài)描述

單點波峰發(fā)生器的主要功能就是在選擇性波峰焊機的焊接區(qū)形成可控的單點焊料波峰，有選擇性地焊接PCB 上的插接元件引腳。在焊接過程中，少量的焊料焊在了PCB 上的焊盤及元件引腳上，大部分焊料流回到了波峰發(fā)生器里，循環(huán)性地參與后面的波峰焊接工作，基于上述工作過程，波峰發(fā)生器內(nèi)部分為若干區(qū)域，如圖3所示。

圖3 單點波峰發(fā)生器焊料循環(huán)運動示意圖

根據(jù)單點波峰電磁泵的原理結(jié)構(gòu)，結(jié)合焊錫的流動狀態(tài)，單點波峰發(fā)生器內(nèi)部可分為10個區(qū)域，各區(qū)域功效如下：

（1）焊錫儲料區(qū)，儲存焊錫，加熱熔化焊錫，接收回流焊錫，焊錫下行運動；

（2）下行過渡區(qū)，在內(nèi)外管之間的環(huán)形區(qū)域，銜接焊錫儲料區(qū)和電磁作用區(qū)，焊錫下行運動；

（3）電磁動力區(qū)，在內(nèi)外管之間的環(huán)形區(qū)域，由外部的電磁系統(tǒng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)形成下行壓力，驅(qū)動焊錫下行運動；

（4）流體反向區(qū)，靠電磁驅(qū)動的下行壓力，流體由外環(huán)的下行運動轉(zhuǎn)向，涌入內(nèi)管中心區(qū)，內(nèi)管中心區(qū)的焊錫上行運動；

（5）流體輸送區(qū)，在內(nèi)管中心區(qū)，焊錫從底部向上部輸送，焊錫上行運動；

（6）緩流過渡區(qū)，在內(nèi)管中心區(qū)，內(nèi)徑逐漸變大，消除湍流，焊錫上行運動；

（7）液態(tài)緩流區(qū)，在內(nèi)管中心區(qū)，焊錫層流運動，沿中心同半徑的液體流速一直，焊錫上行運動；

（8）噴發(fā)過渡區(qū)，在內(nèi)管中心區(qū)，內(nèi)徑逐漸變小，流速變快，焊錫上行運動；

（9）波峰噴發(fā)區(qū)，在波峰噴口處，焊錫加速向上涌出噴口，形成中心對稱波峰；

（10）焊錫回流區(qū)，焊錫波峰下落，從噴口四周回流到焊錫儲料區(qū)。

根據(jù)流體的運動規(guī)律，結(jié)合單點波峰發(fā)生器腔體內(nèi)部主要區(qū)域液態(tài)焊錫的運動速度，計算液態(tài)焊錫在波峰發(fā)生器腔體內(nèi)部主要區(qū)域的雷諾數(shù)，得出結(jié)果如下：波峰發(fā)生器內(nèi)部各區(qū)域都處于層流狀態(tài)。在波峰發(fā)生器內(nèi)部的10個區(qū)域中，流速最大的區(qū)域是波峰噴口，此處的雷諾數(shù)也最大，波峰噴口雷諾數(shù)遠小于臨界雷諾數(shù)，此處為層流，波峰發(fā)生器內(nèi)部其他區(qū)域的雷諾數(shù)更小，所以波峰發(fā)生器內(nèi)部各區(qū)域都處于層流狀態(tài)。

2 單點波峰電磁泵的電磁驅(qū)動方式

2.1 波峰焊機用電磁泵介紹

電磁泵種類很多，而應(yīng)用在波峰焊機上的電磁泵主要是交流感應(yīng)式電磁泵，感應(yīng)式電磁泵又分為單相感應(yīng)式和三相感應(yīng)式兩種類型的電磁泵。鑒于波峰焊機所需要的波峰形式及波峰發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點，目前波峰焊機上應(yīng)用的基本上是平面感應(yīng)式電磁泵。圖4所示為平面三相異步感應(yīng)電磁泵原理圖。平面感應(yīng)電磁泵的原理與三相異步電動機的原理相似，相位差120°的三相電源，在鐵芯上三相繞組產(chǎn)生隨時間變化的正弦交變電流，鐵芯上的交變電流會產(chǎn)生穿透焊料的正弦行進交變磁場，交變磁場產(chǎn)生交變電場，交變電場在焊料內(nèi)部形成感生電流，這部分電流隨磁場同步進行，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，該電磁力驅(qū)動焊料流動，在波峰噴口處涌出形成寬平波。

圖4 平面三相異步感應(yīng)電磁泵原理圖

2.2 感應(yīng)式圓柱電磁驅(qū)動介紹

單點波峰電磁泵采用感應(yīng)式圓柱電磁泵方式，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，主要部件有梳狀鐵芯、環(huán)形線圈、泵體外壁及泵體內(nèi)管等。其中環(huán)形線圈共有6 組，分別接三相電流的A、-B、C、-A、B、-C，梳狀鐵芯和泵體內(nèi)管構(gòu)成磁回路。下面結(jié)合圖5分析感應(yīng)式圓柱電磁驅(qū)動過程。

感應(yīng)式圓柱電磁泵的環(huán)形線圈接通三相交流電（通過變壓器降為低壓），線圈上的交變電流就會在圍繞線圈的磁回路上感應(yīng)出交變磁場，磁力線經(jīng)過鐵芯和泵體內(nèi)管形成回路會穿過泵體外壁和泵體內(nèi)管之間的環(huán)狀區(qū)域（圖中電磁動力區(qū)），穿過環(huán)狀區(qū)域的交變磁場會感應(yīng)出交變電場，該區(qū)域的焊料（液態(tài)金屬）在感應(yīng)電場的環(huán)境下生成感應(yīng)電流（稱為感生電流）。磁回路中的感應(yīng)磁場和液態(tài)金屬中的感生電流相互作用就形成圖中向下箭頭方向的驅(qū)動力。

圖5 電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)原理示意圖

電磁泵中的焊料（液態(tài)金屬）在電磁泵的電磁動力區(qū)（環(huán)形區(qū)域）獲得向下方向的動力，一直下行到流體反向區(qū)（底部）向中心折返，沿流體輸送區(qū)（內(nèi)管中心區(qū)域）一直上行到單點波峰噴口涌出。

3 單點波峰電磁泵的波峰控制方法

目前三相電動機的轉(zhuǎn)速是用變頻器調(diào)節(jié)的，同理變頻器也可以調(diào)節(jié)三相電磁泵驅(qū)動液態(tài)金屬的流量及單點波峰高度。單點波峰電磁泵的波峰是以變頻器調(diào)控為基礎(chǔ)，再結(jié)合三相變壓器構(gòu)成控制系統(tǒng)主要部件。圖6 所示為變壓器照片，圖7所示為變頻器照片。

圖6 變壓器照片

圖7 變頻器照片

電磁泵的動力控制系統(tǒng)包括變頻器、三相變壓器、整機控制中心、電磁線圈和設(shè)置在電磁線圈上的電流檢測器。如圖8所示，外部供電電路通過變頻器輸出需要的工作電壓和頻率，整機控制中心可以對變頻器進行控制，調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率，然后通過三相變壓器輸出低壓給電磁線圈，控制單點波峰的高度。

圖8 電磁泵電路原理圖

由于單點波峰電磁泵所需功率較小，采用低壓向電磁線圈供電。這樣電磁線圈的匝間壓降小，不易發(fā)生線圈匝間的擊穿，防止電磁線圈過熱造成線圈損壞。三相變壓器為AC 220 V/AC 12V。

4 單點波峰電磁泵的加熱及溫度控制

單點波峰發(fā)生器內(nèi)部的溫度控制問題比一般封閉體系要復(fù)雜，這主要是因為波峰發(fā)生器的結(jié)構(gòu)比較特殊，構(gòu)成了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

4.1 單點波峰電磁泵的加熱

根據(jù)單點波峰發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點，分別在錫爐上端的焊錫儲料區(qū)和下端的流體反向區(qū)進行加熱，以保證錫爐內(nèi)部焊錫的流動；當(dāng)電磁泵工作后，電磁動力區(qū)的感生電流也同樣會產(chǎn)生熱量，對焊料進行加熱。這就構(gòu)成了電磁泵內(nèi)上、中、下3個加熱源。

4.2 單點波峰電磁泵的溫度控制

單點波峰電磁泵的溫度控制系統(tǒng)包括交流控制開關(guān)、電源轉(zhuǎn)換器、整機控制中心、PLC 控制器、加熱控制器、加熱裝置和測溫裝置等，如圖9所示，下面對單點波峰電磁泵的溫度控制作簡單描述。

圖9 單點波峰電磁泵的溫度控制原理圖

交流控制開關(guān)的輸入端連接外供電線路，輸出端分別連接整機控制中心、電源轉(zhuǎn)換器和加熱控制器；整機控制中心與PLC 控制器雙向連接，電源轉(zhuǎn)換器的輸出端與PLC 控制器的電源端連接，PLC 控制器的輸出端連接加熱控制器，加熱控制器的輸出端連接加熱裝置，測溫裝置的輸出端連接PLC控制器。

控制系統(tǒng)通過設(shè)置在錫爐上的加熱裝置對錫爐進行加熱，使得錫爐內(nèi)部溫度維持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，保證焊錫在錫爐內(nèi)的流動?？刂七^程如下：在焊錫沒有熔化前，由上下兩端的加熱器加熱；當(dāng)焊錫熔化后，波峰揚起，關(guān)閉下端加熱，此時由上端加熱和電磁加熱維持錫爐的溫度；當(dāng)出現(xiàn)超溫時，控制上端加熱，使焊錫溫度維持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

通過上述研究，在理論特別是實踐上對單點波峰電磁泵的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)、電磁驅(qū)動方式、波峰控制方法、錫槽加熱及溫度控制等提出了完整的技術(shù)方案，在理論上對于電磁泵的應(yīng)用研究具有很重要的參考價值，在工程應(yīng)用上為研究生產(chǎn)單點波峰電磁泵的企業(yè)提供了比較完整的技術(shù)方案可供借鑒。

經(jīng)過半年的研發(fā)，研制成功了如圖10 所示的ZXD-18 單點波峰電磁泵樣機，經(jīng)測試ZXD-18單點波峰電磁泵樣機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖10 電磁泵錫爐照片

表1 ZXD-18電磁泵錫爐技術(shù)參數(shù)

ZXD-18 電磁泵錫爐技術(shù)參數(shù)的測試結(jié)果表明，ZXD-18單點波峰電磁泵可滿足選擇性波峰焊機的應(yīng)用。選擇性波峰焊機可以解決傳統(tǒng)波峰焊機無法解決的實際焊接問題。比如有些多層印制電路板雙面貼裝有大量的BGA、QFP 等表面安裝的超大規(guī)模集成電路，但仍有一些高性能微處理器及連接器仍然是通孔元件，這類通孔元件無法使用傳統(tǒng)波峰焊工藝，最有效的就是采用選擇性波峰焊工藝。

ZXD-18單點波峰電磁泵可用于PCB焊點自動檢測修焊系統(tǒng)。傳統(tǒng)波峰焊機焊接的PCB 焊點難免會有焊接缺陷（橋連或少焊），從波峰焊機出來的PCB進入PCB焊點自動檢測修焊系統(tǒng)，首先進行光學(xué)檢測，如果焊點無缺陷，PCB 直接通過到下工序，如果檢測出PCB 有焊點缺陷，則用點狀波峰修焊缺陷焊點，再檢測修焊成功，PCB進入到下工序。

ZXD-18單點波峰電磁泵更換波峰噴嘴可用于PCB缺陷通孔元件的修焊裝置。在PCB 的返修工序中，有些多層印制電路板的層數(shù)已達30層至50層，板厚達2mm至3mm，這類多層印制電路板具有很大的熱容量，最合適的就是采用波峰修焊。修焊時將印制板的焊接面朝下，使待拆件與波峰噴口對中、安穩(wěn)，啟動波峰，給待拆件焊點加熱，待焊點溶化后取下元件，隨后，將新的元件插到印制板上的相應(yīng)位置（元件已涂覆助焊劑）持續(xù)3 秒后波峰落下，焊點冷凝后取下印制板。