现有封装生产线的改造问题

（1、哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室，黑龙江 哈尔滨150001 2、日东电子科技（深圳）有限公司，广东 深圳 518103）

摘 要：根据无铅回流焊的工艺特点，论述了对回流炉加热、冷却、助焊剂管理和氮气保护各系统的改造原则和方案，给出了氮气保护系统的评价标准，对罐装氮气和氮气发生器两种供应系统进行了成本估算和对比。

电子整机行业的无铅化技术发展是国际信息产业工业发展的必然趋势，我国信息产业部也要求在2006年7月1日前，全国实现电子信息产品的无铅化，当电子组装逐渐实现无铅后，无铅钎料的高熔点、低润湿性给实际的焊接生产工艺带来了很大变化。设备生产厂商应该对炉子结构和性能进行新的设计和改进，满足无铅化焊接的要求，主要包括加热系统、制程控制系统、助焊剂管理系统、冷却系统和氮气保护系统。

1 无铅再流焊设备的改造原则

实施无铅化电子组装，许多企业并不主动，而是在各种压力下才转为无铅技术，压力主要包括法令规定、环保意识、市场利益、用户需求，有害物质管理处理和无铅技术方面等。

无铅化对再流焊设备提出了许多新的要求，主要包括：更高的加热能力、空载和负载状态下的热稳定性、适合高温工作的材料、良好的热绝缘、优良的均温性，氮气防漏能力、温度曲线的灵活性、更强的冷却能力等。 目前国内市场存在成千成万旧生产线，如果要全部通过购买新设备更换来实施无铅化改造，对设备制造商而言是个很大的机遇，但对电子组装厂来说是个沉重的负担。目前一台新的再流焊设备一般在30万左右，再加上附加功能，如快冷、氮气保护等，费用相当大。对于电子组装厂，尤其是利润较低的企业，力求寻找一些简单的改造方法来迎接无铅化的挑战。面对这样的问题，根据旧生产线设备的特点和新产品的要求，对旧生产线可以从以下所述进行改造。

2 加热系统

在选择无铅热风再流焊设备时，加热系统是非常重要的一个性能指标，其中包括加热效率、温控精度、温度均匀性以及稳定性等。

2.1 温度高效性

温度高效性是热传导效率的一个直接反映。热传导率高，设备的设定稳定和实际稳定就相差较小，温度补偿能力快，生产柔性系数就大，可以适用不同的生产量，不同热容大小的产品，如果温度高效性不好，实际的无铅焊接峰值温度240℃，设定温度就会达到290℃甚至更高，导致高温下热风电动机的使用寿命减少，温度高效性是一个很重要的参数，它决定了设备是否能做到无铅化生产要求。

2.2 温度均匀性

当温度曲线稳定之后，常用测试板上任意两点的最大温度偏差ΔT来衡量温度均匀性，一般情况下，温度偏差越小，温度均匀性就越好，SnPb共晶钎料的温度均匀性要求为±5℃，而无铅钎料的温度均匀性要求为±2℃。

2.3 温度稳定性

无铅再流焊炉必须具有稳定的温度曲线，如果温度曲线不稳定，就没有可靠稳定的产品质量保证，目前一些电子制造商在生产时，会每一个工作日和半个工作日测试一次温度曲线，来保证温度曲线的稳定性，而先进的设备制作商已开发出一套温度监控系统，对炉体内各温区实际温度进行实时监控，确保温度曲线稳定性。

加热系统改造应注意以下几个方面： （1）如果旧设备为上下两面同时加热的各模块独立控制强制热风对流系统、炉腔隔热系统良好，且热风电动机能承受300～350℃高温，此设备具有较强的加热效率，容易实现较高的峰值温度，可用于无铅化生产。

（2）如果旧设备为局部上下两面同时加热或单面加热的各模块独立控制强制热风对流系统，炉腔隔热系统不良且热风电动机不能承受300～350℃的高温，此设备加热效率较低，达到较高峰值温度较难，一般不适合无铅化生产。

（3）如果旧设备为局部上下两面同时加热或单面加热的各模块独立控制强制热风对流系统，且加热模块容易增加、更换和维修，热风电动机能承受300～350℃高温，此设备可通过适当的增添加热模块来提高热效率，可以用于无铅化生产。

（4）如果旧设备带有红外加热系统，此设备温度均匀性较差，不能满足无铅化生产所需温度均匀性要求，一般不适合无铅化生产。

（5）如果旧设备为热风强制对流系统，但采用的是大循环气流流动方式，而不是个模块独立气流循环，此设备温度各温区温度不易控制，均温性和稳定性较差，一般不适合无铅化生产。

3 冷却系统

无铅化后再流焊峰值温度升高，在同等条件下产品出口温度升高，不便于焊后工人检测，这就要求快速冷却以达到新工艺的要求，另外一些研究表明，快速冷却可以细化组织，防止金属间化合物（IMC）增厚，提高可靠性[1]，目前无铅再流焊设备一般采用循环水冷系统，并配有一台制冷机进行强制冷却。相应地，设备的价格要增加3万左右，而且还要占用一些资源。

冷却系统改造应注意以下几个方面：

（1）如果旧设备为强制风冷进行冷却，其冷却速率一般为1～2℃/s，此设备一般不能满足无铅化生产，如果设备冷却系统可更换，那么就可以方便升级为水循环冷却，用较低的成本来进行无铅化生产。

（2）如果旧设备为水循环冷却，其冷却速度一般为2～4℃/s，可以满足一般的无铅化生产，对特殊要求的温度曲线，如冷却速率要求大于4℃/s就不能满足，需要将冷水管与外界冷水机连通进行升级或更换，其冷却速率可达到4～6℃/s。

4 助焊剂管理系统

无铅化后助焊剂污染由于高温氧化的影响而显得格外明显，无铅再流焊设备一般都配有助焊剂管理系统，防止还有大量助焊剂的高温气流进入冷却区而凝结在散热片和炉体内，降低冷却效果并污染设备。图1为助焊剂管理系统示意图。

上述系统是把含有大量助焊剂的高温气流从预热区、再流区及冷却区前抽出，经过体外冷却过虑系统后，把干净的气体送回炉内，这样做还有一个好处就是使用氮气保护时形成闭循环，防止氮气消耗。此系统改动较大，一般难以升级，如果生产量不是很大，助焊剂污染程度小，可以定期进行清理而不用替换。

5 氮气保护系统

5.1 氮气使用原则

无铅化电子组装中并不是一定要氮气保护，原则包括以下几个方面的要求：

（1）满足欧美和日本等客户的要求时；
（2）使用高温焊膏或低固体、低活性（免清洗、低残留）焊膏时；
（3）钎焊比较昂贵的集成电路元器件、小体积元器件、细间距元器件、倒装芯片和不可以反修元器件时；
（4）多次过板组装工艺或钎焊带有OPS镀层的PCB多次再流时；
（5）钎焊无保护膜铜焊盘或储存时间较长的电路板或可靠性首要时。 从氮气保护再流焊工艺来讲，它可以改善性能较差助焊剂润湿性，提高焊点强度，对部分类型焊点缺陷也有一定的防止作用，此外更重要的是它可以减少内部空洞，降低峰值温度，扩大工艺温度窗口。考虑到这些特点，生产中可根据实际情况选择是否实施氮气保护。

5.2 再流焊设备氮气系统评价标准

衡量再流焊设备氮气系统可用残余氧气含量最低值和氮气消耗量来评价此系统的性能。残余氧含量一般采用氧分析仪进行测试，测试氧含量有两个指标，即稳定程度和最低氧含量。最低氧含量与氮气源纯度有关，使用高纯度氮气源时，一些较好的设备可以降到50×10－6或更低。氮气消耗量与所需氧含量和设备防漏能力有关：一般氧含量越低，氮气消耗量越大；设备防漏能力越差，氮气消耗量越大。目前市场上的再流焊设备在氧含量为500×10－6时，氮气消耗量一般为25～35m3/h。

旧生产线实施无铅氮气保护时，再流焊设备面临改造和替换两种选择。如果原有再流焊设备为过渡、可升级型，那么氮气系统的改造就比较容易，否则改造成本就会很高，推荐替换方案，因为旧设备的设计和加工在机架结构、气密性、氮气系统的添加部件（比如氧分析仪，氮气调节阀）等方面是不可以升级的，即勉强能改造，其效果也不能达到预期的目的，设备的稳定性和效率都有待探讨，图2为具有氮气保护功能的加热模块结构。

再流焊炉氮气系统，目前国内外已有成熟的技术得以应用，主要有5种：一是采用可变的风扇速度来降低N2消耗；二是炉内使用可随意选择的空置气流来检测是否有PCB板正在通过，当炉中没有PCB板通过的时候，系统会自动减小风扇速度、空气循环和氮气供应；三是可以在智能控制时精确的调节对流速率，从而减小N2的消耗；四是可以通过减小炉子开口、出口和采用闭环氮气控制系统来减小N2消耗。炉子开口被定制为最小可通过元器件的尺寸，被抽进炉体中的气体越少；五是安装一个帘子或一些百叶窗和门，这些门通过自动传感器激活而允许板进出。同时内部设计的改造可以使气体以很薄的气流方式流动，并且没有牺牲热效率。 日东电子科技（深圳）有限公司，是国内首家生产无铅再流焊炉的设备商，氮气保护系统综合上述四和五的优点，研发出国内第一台无铅再流焊设备NT－8N－V2。设备采用炉子出口和入口安装硅胶帘或高温材料，并具有可调的进出口尺寸，减小氮气的泄漏和消耗，见图3。设备还配备了闭环氮气控制系统，氧含量检测系统，进而对氮气消耗量进行控制。

5.3 氮气供应系统

实施氮气保护时，一般要求氧含量在（100～1000）×10－6之间[2]，这对氮气供应系统构成参考依据。目前常用氮气源纯度可为97～99.9995％，一般使用99.9％，99.99％和99.999％3个等级，其供应方式主要有2种：液态罐装氮气和制氮机产生氮气。

（1）液态罐装氮气

液态罐装氮气是用大型制氮设备制造出气态氮气，然后经过高压超低温处理（500MPa，－180℃）使其转化为液氮，氮气源纯度一般为9.999％，一吨液氮相当于常温长压下780m3的有效氮气。

（2）制氮机产生氮气

膜分离制氮机。单位时间的产气量小，只适合配套单台炉，可达到的氮气纯度较低，一般为99.9％，且对与此配套的空压机出口压力要求高。

PSA制氮机。采用不同的流程技术，分离空气中的氮气，直接产生高纯氮气供给设备使用。这种系统提供氮气流量为1～2000m3/h，纯度范围一般为97％～99.9995％，压力为0.05～10.MPa。这种方式为目前市场主流。

（3）PSA＋纯化装置制氮机

先用PSA生产出低纯氮气（纯度一般为99％），再用"氢除氧"工艺净化，氮气纯度较高，一般为99.99％～99.9995％，这种制氮法故障率较高，即PSA的故障＋"氢除氧"的故障。"氢除氧"故障主要为点火装置不能间断，而且始终保持稳定流量的氮气。

5.4 氮气系统配置

如果使用PSA制氮机，生产出来的氮气可直接供设备使用；如果使用罐装液氮供应，由于氮气温度极低，使用时需要一个气化过程：减压、升温。一般需经翘片管汽化器后，通过50m长的金属管道提供给再流焊设备使用，如图4。

每台再流焊设备与氮气源接口处都有压力要求，这在操作手册中有标明，这个压力通常为0.55MPa，0.75MPa，对应制氮机的出口压力就应为0.60MPa，0.80MPa（因在远距离传送过程中会有压降产生）。

生产时如果采用液态罐装氮气，一般都是"一拖一"，如果采用制氮机供气，一般实行"一拖三"（即一台制氮机供三台炉子）。使用时要考虑到留有10～15％的余量，如果一台炉子耗氮量为30m3/h，那么制氮机的流量应为30×3×1.15＝103.5m3/h。由于氮气流量与纯度成反比，考虑实施"一拖几"的时候，并非拖的越多越好，一般选择"一拖二"、"一拖三"、"一拖四"。另外考虑到降低风险系数，尽可能采用制氮机组，防止出现故障。氮气罐的储气量与内压之间有以下关系[3]：
Va＝Vs×[（Pa×14.7）/14.7]1/2 （1）

其中：Va为实际储氮量，Vs为实际用氮量，Pa为实际罐内压力。使用时要注意调节满足来满足以上要求。

5.5 氧含量确定

所需氧含量与氮气源选择有关，一般可通过所需氧含量要求来选择具体的氮气供应方式和制作工艺。氮气源纯度选择时应该先确定生产时所需最低氧含量，再确定氮气源纯度。一般氮气源纯度选择为99.9％、99.99％和99.999％，对应设备中最低氧体积含量为1000×10－6、100×10－6和10×10－6。

生产成本与氮气消耗量有关，而氮气消耗量与所需氧含量有关，图5为Alan Tae等人对氧含量与生产生本进行的一个评估，可以看出当氧含量低于700×10－6后，随着氧含量的下降，氮气消耗量和生成成本急剧增加。在选择氧含量时，可以参考表1。

5.6 采用氮气保护生产成本估算

目前国内市场旧设备改造的面临的最大问题就是投资成本。一台无铅再流焊设备的市场价格为25～30万元，配套氮气供应系统，成本会更高，而这对于流动资金不足或低利润电子制造或组装厂，比如家电生产商，是一个很大开支。

5.6.1 氮气发生器供应系统成本估算

（以下成本估算各计算式中凡下标R表示回流炉，下标O表示氧气，下标N表示氮气，下标E表示用电价格，下标M表示设备，下标S表示消耗品）

（1）再流焊设备成本
所需再流焊设备数量：XR
每台再流焊设备价格：QR
购买所需资金：M1＝XR×QR

（2）氮气发生器选型
生产时所需氧含量：LO
每台再流焊设备每小时消耗氮气量：VN
氮气发生器供应方式：Y1/2，Y1/3，Y1/4
再流焊设备接口处所需压力：P＝0.60～0.80MPa
根据以上参数对氮气发生器进行选型。

（3）氮气发生器成本
每台氮气发生器价格：QN
所需氮气发生器数量：XN
购买所需资金：M2＝XN×QN

（4）电能消耗成本
每套氮气供应系统每小时消耗电能：EN
当地工业用电价格：QE
氮气供应系统服役期：HM
服役期内工业用电费用：M3＝XN×EN×HM×QE

（5）氮气供应系统消耗品成本
每套消耗品费用：QS
服役期内所需消耗品总套数：
消耗品所需总费用：M4＝QS×（XS－1×XN）

（6）工业用地成本
每套氮气供应系统占地面积：SN
服役期内工业用地所需费用：M5

（7）无铅氮气保护再流焊总资本投入：
M＝M1＋M2＋M3＋M4＋M5

（8）每小时消耗成本
M6＝（M2＋M3＋M4＋M5）÷（HM×XR）

5.6.2 罐装液氮供应系统成本估算

常用罐装液氮公称工作压力为115kg，氮气摩尔质量为28g/mol，即一罐液氮在室温下的体积为： VA＝115÷28×22.4＝92（m3）

考虑使用后留有10～15％的余量，实际氮气体积为： VA＝92×（0.85～0.90）＝78.2～82.8m3

特定的氧含量下，假设每台再流焊设备每小时消耗氮气量为VN，则每罐液氮可以供应生产时间约为： T＝VA/VN

目前市场价每公斤液氮价格为3元，每罐液氮的价格为345元，每小时的成本消耗为：M7＝345÷T

6 举例说明

以上资本估算是可以量化的，而在具体的生产中，实际资本投入一般要大于上述估算值M。为了比较两种氮气供应系统的优缺点，暂不考虑不可量化因素。

假设一电子组装厂现有生产线15条，要进行无铅流焊生产工艺，下面对其旧生产线改造投资成本进行简单的估算。

（1）再流焊设备投入成本：M1＝15×30＝450（万元）；

（2）生产时氧含量控制在1 000×10－6左右，每台再流焊设备每小时消耗氮气25m3，则15条线每小时共需要消耗氮气375m3。氮气供气方式采用"一拖三"，接口处压力取0.6MPa，氮气源所需纯度为99.999％。所需氮气发生器共5套，每套设备价格约65万元，则氮气发生器设备投入成本： M2＝65×5＝325（万元）

（3）氮气发生器每小时耗电量为50kW，设备服役期按照30 000h计算，工业用电按照0.6元/度计算，则服役期内工业用电费用： M3＝5×50×30000×0.6＝45（万元）

（4）假设每年使用一套消耗品，那么服役期内所需消耗品总费用为： M4＝0.5×（5×5－5×1）＝10（万元）

（5）占地费用暂不考虑，则无铅氮气保护再流焊总资本投入： M＝M1＋M2＋M3＋M4＝450＋325＋45＋10＝830（万元）

（6）每台炉子每小时消耗成本： M6＝380÷（30000×15）≈8.4（元/小时）

如果使用罐装液氮，每台炉子每小时消耗氮气25m3，每罐氮气实际使用氮气体积按照80m3计算，则每罐液氮可以供应生产时间约为： T＝VA/VN＝80÷25≈3.2（小时）

每台炉子每小时的成本消耗为： M7＝345÷3.2≈107.8（元/小时）

由上述分析可知，使用罐装氮气生产附加成本要远远高于氮气发生器成本，所以大批量生产一般不推荐采用罐装液氮，而罐装氮气并不是没有优点，一次性投入资本小，使用方便，占地面积小，可根据实际生产量灵活搭配，生产柔性系数大，对于小批量，间断性生产较为合适。其缺点也是很明显的，需要停机进行氮气源更换，压力不稳，使用到最后压力不足，氧含量会随之升高，对于一个企业来讲，怎样进行决策，应该根据实际的生产量、生活长期性等因素来决定，择优选择。

7 小结

（1）旧设备改造是无铅化电子组装面临的一个大问题，对于旧设备的改造，各电子组装厂应该根据自己旧设备的特点和新产品的需求制定合理的改造方案，把成本降到最低。

（2）氮气保护是无铅化电子组装提出的一个新问题，目前研究表明：氮气保护对无铅再流焊工艺有一定的改善作用。

（3）在使用氮气保护的条件下，需要建立无铅氮气保护系统，这需要从再流焊设备和氮气工艺系统两方面着手。对于再流焊设备而言，要增加氮气供应接口和防止氮气泄露相关措施，另外还需氧含量检测设备，氮气输入管道等等。

（4）氮气源的供应要考虑实际生产量而定，对于小批量生产，而且不间断更换生产线的企业，可以采用罐装液氮作为发生器，反之就要采用氮气发生器来提供氮气。