釺料波峰动力学

釺料波峰動力學

理論的形成與其應用新豐(BP)電器廠

6.1概述6.1.1釺料波峰動力學理論的形成

從理論上將波峰焊接工藝是浸焊工藝的邏輯延伸。從浸焊發展到波峰焊其根本差異就在於：浸焊工藝是採用液態釺料靜止液面浸漬方式來實施的，而波峰焊接工藝則是採取液態釺料波動浸漬方式來達到目的。無疑釺料波峰發生器就構成了波峰焊接設備系統中的核心，也就成了波峰焊接設備系統設計中的關鍵技術，釺料波峰發生器性能的好壞，決定了整個系統功能的優劣。

釺料波峰發生器是產生液態金屬釺料波峰的動力系統。從液態金屬釺料波峰的產生、波峰的穩定、工作波峰形狀的設計、釺料波峰的熱特性、抑制高溫熔融釺料的氧化能力、對被焊金屬的潤濕性、以及焊點輪廓敷形的影響```等。都存在著一定的規律性。描述這些規律性，就涉及到流體力學、電磁流體力學（對電磁泵而言）、冶金學、金屬的表面理論、熱工學等方面的知識。往往一個問題的解決，就要涉及到上述個學科知識的交叉和滲透。因而它們共同構成了釺料波峰動力學理論的基本內容。6.1.2

釺料波峰動力學理論對波峰焊接技術發展的指導意義

釺料波峰動力學的研究成果，不僅能使人們能獲得平滑光亮、敷形豐滿、無拉尖、無毛刺等的高品質焊點。而且也揭示了設計釺料波峰發生器的一系列約束條件和應遵守的基本原則。例如：由於溫度較高，PCB浸入釺料中的時間不宜太長。但是，從冶金學的觀點看，為了獲得良好的焊點，又必須使PCB與釺料保持足夠長的接觸時間，以使釺接部位獲得足夠的熱量，達到良好的潤濕溫度。熔融釺料從PCB的下面流過時，會在釺接部位上引起擦洗現象，這大大有助與助熔作用。為此，釺料波峰應與PCB有較長的接觸時間，又要儘量減少釺料渣的生成，也就是說要儘量減少波峰與空氣的接觸。

為了減少拉尖和橋連，在PCB退出波峰時，PCB相對釺料的移動速度應該接近於零。如要獲得波峰焊接的最佳效果，就必須要妥善處理好上述問題，以盡可能滿足上述這些矛盾著的條件。另一方面，當PCB通過波峰時，釺料波峰應平整光滑，能與PCB整個被焊面充分接觸。凹凸不平的波峰會使熔融釺料溢流到PCB的元器件面，或者出現局部的漏焊。必須儘量減少釺料渣的生成，因為它能加速釺料泵系統（對機械泵而言）的磨損和引起波峰的不平。過量的釺料渣也會加速釺料中錫的消耗，這不僅增加了產品的生產成本，而且還將嚴重污染環境```。所有這一切都構成了釺料波峰動力學的研究內容。也正是釺料波峰動力學的研究成果和應用，使得波峰焊接工藝至今仍然是PCB的主要釺接方法。6.2波峰焊接中釺料波峰的動力現像

為了便於討論，我們不妨把波峰焊接時夾在PCB和波峰噴嘴壁之間的液態釺料流，近似地看成是與粘性流體在矩形管道中的流動情況相類似，如圖6-1所示。

流體力學理論告訴我們，流體在管道中流動時由於流體本身的內聚力（粘性），流體與固體壁之間的附著力促使流體各處的速度產生差異，緊貼管壁的流體必須粘附於壁面相對速度為零，即流體在壁面上無滑移。在壁面附近隨著離壁面法向距離的增大，壁面對流體的影響減弱，流體的流速將很快有所增長，至一定距離處就接近原來未受固體擾動的速度，因此速度的改變現象只發生在緊鄰壁面的很薄的流層內，這個薄層稱為邊界層或附面層。

為了分析方便，首先我們在噴嘴的兩側，沿垂直於釺料流速方向，截取兩個斷面：即圖6-1中的O-O斷面（如圖6-2所示）和O1-O1斷面（如圖6-3所示）來分析其流速分佈規律。設定N-N分別為O-O和O1-O1二斷面的中心線，下面分兩種情況來討論：（1）PCB靜止時，即VO=0

上面已提到由於流體附壁效應和內聚力的影響，PCB與噴嘴壁之間所夾的釺料流體的速度分佈均呈抛物線狀，緊貼PCB板面和噴嘴壁面的流速為零，而在中心線處的流速為最大，不同的是圖6-2和圖6-3中的釺料流體流速方向是相反的。（2）PCB運動時，且VO=VX

當PCB以VO=VX

沿圖6-1箭頭所示方向運動時，此時O-O和O1-O1斷面的流體速度的分佈就出現了變化，如圖6-4和圖6-5所示。

由流體力學定律告訴我們：粘性流體質點在壁面切線方向的切線速度VC

等於剛壁上相應點的切向速度VO

即：

VC=VO

即貼近界壁的流體質點和界壁上相應點具有相同的速度。很顯然，在O-O斷面如圖6-4所示的情況下，流體速度零點將不再出現在界壁上，而是偏向流體內側的A-A面上，管道內的最大速度線也將由N-N移到N1-N1面上，我們把速度零線與PCB下側面之間的流體層稱為附面層。此時在附面層內集中了來流的全部旋渦運動。在此層內，沿PCB表面的切線方向速度變化很大。

因而在PCB表面法線方向上的速度梯度很大，就是說，流體存在著相當大的旋渦運動，它將加劇粘性流體質點粘附在剛壁上。根據此現象，波峰焊接中PCB與液態釺料作相對運動時，就必然要攜帶為數不少的被粘附在基體金屬表面的液態釺料一道前進。這正好構成了拉尖和橋連的必然條件。而且PCB的運動速度（VO）相對于波峰中液體逆向流動的速度（V1）愈大，被攜帶的釺料愈多，拉尖和橋連也就愈嚴重。

因此，放慢PCB的運動速度（VO）或者加快流體逆向流動的速度（V1），就可以壓縮附面層的厚度，因而有力的抑制了附面層內的旋渦運動，粘附在PCB壁面上的隨PCB一道運動的多餘釺料被大量抑制了，也就有效的抑制了拉尖和橋連的發生幾率。

然而對於像圖6-5中的O1-O1面的情況就與6-4O-O斷面有所不同，由於此時PCB的運動方向（VO）與流體順向流速方向（V2）是相同的，故不存在附面層的問題。所以也就不存在釺料回流所形成的旋渦運動。調節流體順向速度（V2）的大小，就可以在PCB與波峰脫離處獲得最佳的脫離條件。6.3釺料波速對波峰焊接效果的影響

在釺料波峰現象動力中已經討論到，當PCB進入波峰工作區間時，由於PCB的運動方向與釺料流動方向是相反的，所以在貼近PCB的下表面存在著一個附面層。附面層的厚度是與PCB的夾送速度和逆PCB運動方向的流體流速的大小有關係。例如當PCB的夾送速度一定時增大逆向的流體流動速度，那麼附面層的厚度就會變薄。從而回流現象將明顯減弱。

釺料流體對PCB的逆向擦洗作用將明顯增強，顯然就不容易產生拉尖和橋連現象，但很可能將形成焊點的正常輪廓所需要的釺料量也被過量的擦洗掉了。因而造成焊點吃錫量不夠、乾癟、輪廓不對稱等缺陷。反之流體速度太低，擦洗作用減少，焊點豐滿了，但產生拉尖和橋連的概率也增大了。因此對某一特定的PCB及其夾送速度都對應著一個最佳的流體速度。圖6-6中示出了一種典型的釺料波峰形狀及其流速的調節結構。

圖6-6中，用一個大增壓腔把熔融釺料壓入噴嘴，並通過噴嘴獲得平滑的層流雙向液流，該釺料液流通過噴嘴凸緣而形成釺料波峰。噴嘴外形控制著釺料波峰形狀，因此也控制著波峰動力學的作用。在壓力腔內設置緩衝網，可保證形成層流以確保波峰的平滑性。為了減少釺料渣的生成，從波峰上往下傾瀉的釺料在再返回釺料槽中時，不得有過大的紊流。設置在噴嘴的前、後外側的可調節的側板，組成了釺料回流通道並有助於形成最佳波峰形狀，它迫使波峰釺料從遠遠低於液面的位置處再返回釺料槽，從而使遷料槽液面保持原狀不受干擾。

調節側板的傾斜角，可使釺料沿傾斜面逐漸返回到遷料槽過程中，不斷減速從而達到控制釺料流速的目的，使表面紊流減至最小。調節位於噴嘴前面的側板，可以控制進入工作區間是波峰形狀，從而也就控制了位於此區間的流體的速度特性。同理，在PCB退出區間也存在著PCB的傳送速度與流體速度大小的配合問題，以獲得最佳的脫離條件，此時可通過調節位於噴嘴後面的側板來實現。6.4釺料波峰的類型及其特點

目前在工業生產中運行的波峰焊接設備多種多樣，從釺料波峰形狀的類型來看，這些裝置大致可分成兩類。即：

(1)單向波峰式

這種噴嘴波峰釺料從一個方向流出的結構，在早期的設備上比較多見。現在，除空心波以外，其他單向波形在較新的機器上，已不多見了。

(2)雙向波峰式

這種雙向波峰系統的特徵是從噴嘴內出來的釺料到達噴嘴頂部後，同時向前、後兩個方向流動，如圖6-7所示。根據應用的需要，這種分流可以是對稱的也可以是不對稱，甚至在沿傳送的後方向增加了延伸器，以使波峰在PCB拖動方向上變寬變平以減小脫離角。

目前最常用的是雙向波峰式。由於波峰表面速度的分佈特點，雙向波峰式系統可把焊點拉尖問題減至最小。由於波峰中的釺料向前、後兩個方向流動，這樣在釺料波峰的表面上就必然存在著一個相對速度為零的區域。在相對速度為零的區域附近退出，對無拉尖焊點的形成極為重要。

6.5雙向波峰過後熔融釺料的表面張力

要瞭解雙向波峰噴嘴是如何使焊點拉尖減至最少的，就必須首先要瞭解有關表面張力現象以及它與潤濕的關係。當表面張力不能潤濕某一表面時，就使溶融釺料形成小球狀。表面張力既能控制液體潤濕表面的狀況，因而也就能控制釺料去潤濕已塗覆過助焊劑的基體金屬表面。在圖6-8中，我們可以看到PCB正通過雙向波峰的情況。釺料已潤濕了PCB的銅箔表面並正從波峰中拖出形成薄層。

此薄層的大小受到幾種因素的控制，如釺料表面張力、波峰與釺料薄層相接觸那一點的速度特性以及該點溶融釺料薄層的品質等。薄層面積越大，溶融釺料波峰的表面張力就越難把過量的釺料拖回波峰。當釺料薄層的尺寸達到某一極限時，表面張力就會把它們分開。此時如果沒有把過量的釺料拖回波峰就會形成焊點拉尖。因此，我們的目標就是要儘量減小釺料薄層面積。

採用的方法不外乎如下兩種：或是改變釺料的表面張力作用，或是改變產生釺料薄層那一點的波峰速度特性。實現上述目標有很多途徑。釺料表面張力是受到釺料溫度影響的，溫度高會減小表面張力，但熱敏元器件可能受到損壞，而且釺料表面氧化加劇。因此，採取升溫的辦法不能顯著改善釺料表面張力。往釺料波峰上注入油類，可以減小表面張力。

用傾斜傳送方式可減小釺料薄層的大小。因此把傳送裝置傾斜一定的角度會有助於把釺料更快的剝離，使之返回波峰。採用的另一種方法是把波峰變得很寬。在使用傾斜傳送裝置時，寬波峰能使PCB從相對速度為零的波峰附近離去，這使表面張力有充分的時間把釺料薄層中的多餘釺料完全拖回波峰。6.6波峰焊接中的物理化學過程

波峰焊接中PCB與波峰的接觸過程，根據其作用機理的不同，可區分下述三個波區。

（1）切入波峰點(A)PCB與波峰的起始切入點A，如圖6-9中A點的局部放大圖所示。由於PCB與釺料流體運動方向相反，所以該點的速度差最大。因此，在該點湍流的沖洗作用最大。該作用用於從被焊金屬表面除掉已被預熱的助焊劑和鏽膜殘渣混合物，以使釺料與PCB上的基體金屬直接接觸。當達到潤濕溫度時，立刻就產生潤濕現象。

如果導線表面在波峰焊接前已塗覆有助焊保護層時，則該釺料流體的湍流作用將有助於沖洗掉這些表層。而對在表面鍍有錫-鉛釺料或純錫這類的易熔合金時，該機理表現為熔化-沖洗組合作用。而對於象銀或金這樣的可溶鍍層，則該機理表現為溶解-沖洗組合作用。

(2)熱交換區（A-B）

PCB浸入釺料波峰的區域，即如圖6-9中所示的切入點和退出點之間的區域是熱交換區。它是將熱量和釺料施加於PCB焊盤、孔、及元器件引腳上。被焊區的吸熱量越大，為達到潤濕溫度而要求浸入溶融釺料的時間就越長。因此，PCB浸入釺料波峰中的時間必須足夠長，以使在潤濕溫度下的表面能量能夠把熔化釺料合金吸附到被焊金屬表面上，從而形成填充良好的焊縫。

(3)剝離波峰點（B）

PCB從釺料波峰中退出的點，如圖6-9中所示的右側局部放大圖，通常稱為剝離區。

為了理解該波區的作用，我們首先簡單地分析一下作用在填充焊縫溶融釺料上的各種力。以潤濕形式表現出來的表面能量將使釺料保留在焊縫中，而重力（或釺料的品質）將勢圖把釺料向下拉。這些作用力之間的平衡，表明了採用適當的孔徑/線徑的比值的重要性。這些作用力的平衡還取決於基體金屬的可焊性。為使退出區這些力能達到的平衡的狀態。故退出點必須位於釺料波和PCB板相對為靜止的部位，這可通過使PCB退出的速度盡可能精確地與後退波速相匹配的辦法來確保這一點。

6.7保護油在波峰焊接中所起作用的物理本質

在釺料波中注油對退出點的力學狀態影響很大。保護油有在泵葉輪處注入而進入釺料波峰中的（如美國Hollis公司早期的Z形釺料波峰系統），也有採用往釺料波峰面上噴油的（如瑞士KIRSTN公司生產的6TF系列空心波噴射系統）。整個波峰上佈滿了油層，溶融釺料與保護油相混合的真正目的，是為了降低PCB離開波峰處溶融釺料的表面張力。以使剝離處的釺料薄層區減至最小，達到消除焊點拉尖和橋連的目的。當焊點離開波峰時塗上一層油，該塗覆層可防止釺料氧化並使焊點特別光亮，利於檢查焊點疵病（如微裂紋等）由於存在著減少焊點拉尖的趨勢，故可加快傳動裝置的速度，從而提高了生產效率。降低表面張力可增加液態釺料潤濕PCB銅焊盤的能力，因此，還可適當降低釺料波峰的溫度（10℃左右）而不影響釺接效果。

注油工藝在近些年來的新型設備中已經淘汰，原因是：①使用保護油進行波峰焊接時會把油裹在焊點裏面，影響焊點的機械、電氣性能，並可能導致具有腐蝕性的酸性殘渣的生成；②會把被焊PCB組件弄得很髒並附有油性塗覆層很難清洗乾淨；③使用保護油進行波峰焊接時焊後必須清洗，因而不利於環境保護。6.8獲得無拉尖焊點的充分和必要條件

我們針對PCB脫離波峰處液滴的速度分佈情況來分析，如圖6-10所示。設PCB的夾送速度為VO，A點處波峰表層釺料逆PCB方向（假定為正方向）的剝離速度為V1焊點上釺料由重力等產生的下垂速度為Vg.根據A點上液滴的流態和受力情況分析。獲得無拉尖焊點的充要條件是：必要條件：

V1

＞V0V1

＞0

式中：V0–PCB退出速度，即夾送速度：

V1–釺料逆PCB移動方向的流動速度，它受釺料的溫度、PCB的表面狀態、元器件引線狀態、助焊劑的性能等影響。充分條件：

Vg=0

式中：Vg--釺料液滴下垂速度。它要受PCB從釺料波峰面退出的角度ａ、PCB的夾送速度V0

、逆PCB方向的釺料流速V1

，釺料的表面張力、以及元器件引腳的潤濕力等的綜合影響。採用傾斜夾送方式與寬波峰的配合，能使PCB從相對速度為零的波峰處（或附近）離去，這就使得釺料表面張力有充分的時間把多餘的釺料完全拖回波峰。6.9最佳進入角度（傾角）範圍的確定用傾斜某一角度進入的方法也可以減小附面層的大小，其核心還是可以歸併到改變流體的流速上。在圖6-11中畫出了進入工作段流體流速變化的情況。圖中帶箭頭的線段長短表示各點的流速大小，而箭頭的方向表示流速的方向。

隨著流體沿著噴嘴往下滑落過程中的流速大小愈來愈增大，而方向與水準的夾角也愈來愈大。當PCB進入時由傾角ａ1

增大到ａ2時，PCB切入波峰的工作段便由低速的A-A區段移向了高速區的A1-A1

區段。顯然改變傾角的效果和改變流體流速的效果是完全一致的，在此不再重複分析。

把傳送裝置傾斜角取在4°-9°之間是有利於釺料更好地從PCB板面剝離而使其返回波峰。通過綜合試驗效果分析，普遍認為傾角取6°-7°是最佳的。6.10波峰高度和波峰壓力的關係及其對波峰焊效果的影響

波峰高度取決於泵所能產生的壓頭。也就是說波峰愈高，要求泵提供的壓頭愈大。壓頭一般是正比於泵內流體速度的平方。因此壓頭一增大，速度增加得更快。雷諾數增大將使流體可能進入湍流（紊流）狀態，從而導致波峰不易穩定，波峰上的壓力也隨之增大。波峰偏低時泵內流體的流速低並為層流態，因而形成的波峰平穩跳動小。當然波峰上的壓力也就要小些了。有人說：波峰噴流壓力愈大愈好。

這是錯誤的，壓力太大易導致釺料噴流到PCB的非釺接面上去。同時根據軟釺接機理可知，軟釺接過程主要是依靠釺料對被焊金屬的潤濕作用及毛細現象而形成接合的，經過這樣的冶金過程所形成的接頭才是最可靠的。不排除適當的噴流壓力有加快浸潤的效果。但企圖依靠加大噴流壓力來填充焊縫，有可能使那些不潤濕或者潤濕不完全的焊縫不易被發現，從而留下隱患。按照釺料波峰動力學的觀點分析，釺料波峰的工作高度取（6～7）mm效果最佳。

6.11釺料槽最佳容積的選擇依據

對釺料槽容積的大小選擇目前眾說紛紜，有的說容積愈大愈好，也有的說愈小愈好。這些都是片面的，實際上對一定的波峰寬度和闊度來說，對應地存在著一個最佳的容積問題。這是由釺料波峰動力學特性所決定的。在設計釺料槽容積大小時，首先要根據流體動力學特性的分析確定釺料槽釺料的迴圈係數，所謂釺料的迴圈係數可定義為：

釺料迴圈係數=

該係數的大小隨不同的機型設計而異，而且該係數在設計計算上各家都是保密的。釺料迴圈係數的取值大小，直接關係著釺料波峰發生器的整體性能。例如在釺料波峰形狀結構設定了的情況下，即工作中高出液面部分的釺料質量數為已知量時，此時釺料迴圈係數的大小就決定了釺料槽的容積。

釺料的總品質高出液面部分的釺料品質該係數的大小隨不同的機型設計而異，而且該係數在設計計算上各家都是保密的。釺料迴圈係數的取值大小，直接關係著釺料波峰發生器的整體性能。例如在釺料波峰形狀結構設定了的情況下，即工作中高出液面部分的釺料質量數為已知量時，此時釺料迴圈係數的大小就決定了釺料槽的容積。係數越小，容積就越大。大容積的優點是熱容量大、工作時溫度波動小、液面波動小、波峰容易穩定。但是釺料耗損大、功耗大、工作中雜質金屬濃度不容易達到動態平衡故易造成金屬雜質的積累。

而且極易造成沉積溶析相的死角，導致釺料槽內釺料成份分佈的不均勻性。當金屬雜質積累達到允許的極限容限時，就必須對整槽釺料進行更新，造成的損失就更大了。相反當係數過大時，釺料槽容積就很小，出現的情況正好與上相反。因此在設計計算時，一般是在上述兩種極端情況下進行折中，根據總體設計和經濟性要求來進行取值，已使其最終綜合效果和性能達到最佳。所以不能片面地說大容積好，或者是小容積好。

6.12釺料波峰形狀的設計及其對波峰焊接效果的影響

釺料波峰動力學的最大功績，就在於它為設計釺料波峰形狀提供了理論指導和依據。噴嘴的外形控制著釺料波峰形狀，因此也就控制著釺料波峰動力學的作用。目前世界上在波峰焊接系統中所流行的釺料波峰形狀多種多樣，且每一種設計都聲稱具有最佳的釺料波峰動力學特性，現篩選一部分最具代表性的波形，如圖6-12中所示。下面僅從釺料波峰動力學的觀點出發，初步分析其所具備的特點。

(1)弧形波

窄弧形波如圖6-12a所示，是波峰焊接工藝發展的初期所常採用的一種釺料波形。形成這種波峰的噴嘴結構比較簡單，由於波峰比較窄、熱量供給不夠充分，因此生產效率低，焊接中易發生拉尖和橋連。為了改善釺料波峰的熱特性和提高生產效率，唯一的出路就是增加波峰闊度。於是寬弧形波變應運而生，如圖6-12b所示。針對弧形波的噴嘴結構，增加波峰闊度就只有通過增大泵的推力來實現。泵的驅動系統轉速過高或者驅動力矩過大，不僅易導致旋轉部件的磨損加劇和結構的複雜化，更嚴重的是加劇了釺料流體向湍流的轉換，波峰的平穩性變差，釺料氧化加劇，這是不可取。

(2)雙向平波

為了在不增加波峰驅動系統的轉速和力矩前提下，實現展寬波峰闊度的目的。於是人們又設計了如圖6-12c、d所示的噴嘴結構。雙向寬平波克服了弧形波的不足，由於這種波形的頂部存在著一個明顯的速度為零的區域，這對消除拉尖和橋連是非常有益的。而且通過擴展板的作用，可以將波峰闊度展得很寬，某些機型上已達到80mm寬，生產效率得到了大幅度的提高。因此，雙向寬平波在目前的許多機型中還在廣泛應用著。(3)不對稱的雙向寬平波

圖6-12c、d所示的對稱雙向寬平波，由於雙向對稱分流且流速相等。因此，當PCB進入波峰後，由於基板的阻流作用，將使得逆基板傳送方向的表面流速減慢、附面層增厚、速度零區變窄且變得模糊不清、PCB退出波峰點難以控制，宏觀上表現為對PCB的擦洗作用不強。這一切對消除拉尖和橋連都是不利的。為了增強其逆向擦洗作用，進一步控制拉尖和橋連。因此，把波形設計成為不對稱的雙向寬平波，如圖6-12g、h、i所示。即加大了逆PCB的方向流體流量和流速，這不僅對PCB的擦洗作用明顯增強了，而且還有利於準確的調節相對速度為零區的位置，使其與PCB的退出點重合，從而確保了釺接過程中所需要的最佳條件。其中最具代表性的波形是：

Z形狀波

是美國Hollis公司在為減少釺料橋連、拉尖方面所做的改進設計（Hollis專利）。其具體方法是將波面的寬度加大，使用傾斜傳送帶以及採用加油混合式釺料波峰等。

但是，由於油發出臭氣和排煙處理等問題，後來又在向不使用油的幹式Z形方式方面改進，如圖6-12i所示。

入形波

標準的入形波如圖6-13所示，是美國Electrovert的專利技術，它在減少拉蓮和橋連、不需要摻油等方面效果明顯。該波形是應用熱力學和流體力學的相互關係而設計的。從圖中可見，PCB是在高速點開始受力與波峰接觸。因此，釺料的擦洗作用也是最佳的。由於在噴嘴前面安置了擋板控制了波峰的形狀，從而也就控制了波峰的速度特性，這樣就在噴嘴前面形成了很大一部分相對速度為零的區域。因此，採用傾斜角可調範圍較寬的傳送裝置時，能更方便