制氮機在SMT焊接中的應(yīng)用

　　盡管七十年代初氮氣就已經(jīng)應(yīng)用于電子制造，但直到引入了免清洗技術(shù)，因其需要在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行焊接，氮氣的使用才得到廣泛的認(rèn)可。1968進(jìn)行惰性氣體實驗時，波峰焊接設(shè)備都是開放式的。既沒有關(guān)于作業(yè)者安全和健康的規(guī)范，也沒有密封的要求。zui初，在波峰焊中使用氮氣僅僅是為了降低成本，減少或消除氧化渣，減少機器的保養(yǎng)和改進(jìn)免清洗焊接的性能。

　　氮保護(hù)層九十年代初期開發(fā)的設(shè)備已采用隧道式結(jié)構(gòu)，以形成氮保護(hù)層。保護(hù)層包圍著波峰焊接傳送帶，阻止空氣從入口和出口進(jìn)出。隧道腔的垂直高度應(yīng)盡可能低，密封框架上有窗口，便于觀察焊接過程。也可以取下窗口，接觸機器的內(nèi)部，對機器進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整制程流程。在印制板進(jìn)出的過程中，注入焊接系統(tǒng)的氮氣阻止空氣從開口處進(jìn)入。因此，氮氣必須維持正壓。一些輕的懸掛活動門鉸接在隧道的長度方向，以減少空氣的侵入。當(dāng)電路組件靠近時，這些懸掛門可以向上翻轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)獨饬鞒鏊淼肋M(jìn)出口時，所有末端開口的隧道設(shè)計都有一些排放氮氣的方法。通常需要平衡這種“廢氣”，以便將房間的空氣送到排氣管，這樣有助于防止廢氣從隧道中抽吸過量的氮氣。注意，此時的關(guān)鍵是要降低溫度和減少氮氣的損耗。隧道的長度可以很短，僅履蓋預(yù)熱區(qū)和焊接槽;也可以是很長，從上料端到下料端。因而，長隧道的設(shè)備實際上覆蓋了助焊劑發(fā)配裝置、預(yù)熱區(qū)和波峰焊接區(qū)。短隧道與長隧道之間的區(qū)別表現(xiàn)在所需氮氣的量上：向系統(tǒng)注入雜質(zhì)含量為1ppm至2ppm的低溫氮氣時，焊接波峰周圍的氧氣雜質(zhì)應(yīng)低于10ppm。與長隧道相比，短隧道消耗更多的氮氣，并且對車間的空氣氣流更加敏感。對空氣氣流的高敏感度往往會導(dǎo)致在波峰中所測量的純度不穩(wěn)定。不管怎樣，這種裝置一直都在100ppm至200ppm的雜質(zhì)含量下使用，而且它為焊接制程帶來了明顯的好處。你可以對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改裝，使其可以使用氮氣，但這將是一個昂貴、耗時的過程。

　　屏蔽波峰惰性氣體環(huán)境中的波峰焊接還有另外一種方法，即采用屏蔽設(shè)計制成的護(hù)罩，圍繞在焊嘴的周圍直至焊接波峰回落到焊接槽的位置?！皣婌F器”位于護(hù)罩底部，供給氮氣。這種方法的主要優(yōu)點是可以直接接觸系統(tǒng)。在密封的系統(tǒng)中，有可能使表面黏著零配件的表面達(dá)到回流焊的溫度，導(dǎo)致焊料回流。如果印制板翹曲或隧道出口處的“簾”接觸了印制板上面的SMD，這種可能性將會增加。另一方面，采用這種“屏蔽”技術(shù)，完全消除了波峰焊后周圍區(qū)域的溫度問題。Electrovert和Soltec公司已經(jīng)制造出了在開放式波峰中使用氮氣的焊接系統(tǒng)，他們發(fā)現(xiàn)氧化渣的減少同隧道式焊接系統(tǒng)做得一樣好。“屏蔽”的結(jié)果可以與采用電鍍、熱涂或熱風(fēng)整平印制板的焊接組件所獲得的結(jié)果相比。使用這項新技術(shù)的另外一個優(yōu)點是，其氮氣消耗量與zui昂貴的封閉式波峰焊接系統(tǒng)相同，甚至更低。在用于表面黏著焊接的雙波峰系統(tǒng)中，可以對每一個波峰使用獨立的屏蔽罩和氮氣供給控制。系統(tǒng)中沒有焊接組件時，系統(tǒng)可進(jìn)入等待模式，將焊接波峰設(shè)置在較低的高度以減少氧化渣的生成，并停止或降低氮氣的流速。當(dāng)系統(tǒng)探測到印制板時，它能夠重新激活正常作業(yè)控制設(shè)置。這種控制機理進(jìn)一步降低了氮氣消耗量。如果能夠只用一個波峰進(jìn)行焊接，便可節(jié)省更多的氮氣。在隧道系統(tǒng)中，要求噴嘴擴展到焊料槽的邊緣上方到達(dá)隧道內(nèi)。而在屏蔽系統(tǒng)中，噴嘴黏著在系統(tǒng)的下部，對于不需要氮氣也能進(jìn)行良好焊接的組件允許快速徹底地關(guān)閉氮氣。此外在焊料返回到焊槽中這段較短的距離也有屏蔽，焊料濺落的機會也減少了。與隧道設(shè)計相比，屏蔽式容易改裝，消耗時間也少。大多數(shù)組件的焊接結(jié)果是相同的，而且作業(yè)成本是所有惰性氣體波峰焊接中zui低的。但是，這些系統(tǒng)要求的維護(hù)比隧道式的要多。

　　回流焊中的氮氣在惰性氣體應(yīng)用于波峰焊接制程之前，氮氣就一直用于回流焊接中。部份原因是在表面黏著陶瓷混合電路的回流焊中，混合IC工業(yè)長期使用氮氣，當(dāng)其它公司看到混裝IC制造的效益時，他們便將這個原理應(yīng)用到了PCB焊接中。在這種焊接中，氮氣也取代了系統(tǒng)中的氧氣。氮氣可引入到每一個區(qū)域，不只是在回流區(qū)，也用于制程的冷卻過程?，F(xiàn)在大多數(shù)回流焊系統(tǒng)已經(jīng)為應(yīng)用氮氣作好了準(zhǔn)備;一些系統(tǒng)能夠很容易地進(jìn)行升級，以采用氣體噴射。

　　在回流焊接中使用氮氣有以下的優(yōu)點：

　　1.端子和焊盤的潤濕較快。2.可焊性變化少。3.改善了助焊劑殘留物和焊點表面的外觀。4.快速冷卻而沒有銅氧化

　　隨著無鉛制程已提上日程，如何順利導(dǎo)入無鉛化已成為SMT用戶最關(guān)心的問題。怎樣選擇最適和自己生產(chǎn)的氮氣源?如何確定氮氣氣氛的具體參數(shù)?成本到底增加多少?

　　(一)氮氣源的選擇其實氮氣源的供應(yīng)方式有好幾種，你可以有氣體分餾塔、向氣體公司購買瓶裝氮、向氣體公司購買液氮和現(xiàn)場制氮(N2 generator)可供選擇。氣體公司或者是N2使用量特別大的公司可以配備氣體分餾塔(N2Distillation)其工作原理是把空氣壓縮，使其液化，然后在利用氮氣、氧氣的沸點不同，將其分餾。這種設(shè)備占地面積很大，而且造價昂貴，不適合一般企業(yè)。氣量很小的用戶可以向氣體公司購買鋼瓶氮。用高壓鋼瓶儲存氮氣，然后直接運送到用氣點進(jìn)行使用。瓶裝氮氣具有隨開隨用、靈活方便等優(yōu)點。但具有危險性高、成本高、運輸儲存麻煩等缺點。如果瓶裝氮已不能滿足目前生產(chǎn)，你就應(yīng)該向氣體公司購買液態(tài)氮氣或者選用現(xiàn)場制氮來獲取所需氮氣。用液氮儲槽或杜瓦罐來儲存液態(tài)氮氣，在需要使用時將液氮氣化成氣態(tài)氮，經(jīng)過減壓、升溫后才可使用。液氮具有方便快捷、隨開隨用等特點，但存罐中液氮需經(jīng)常補充，這也給采購和運輸帶來麻煩與壓力。同時長期大量使用液氮，成本高，運輸麻煩，且受供給源的影響較大總體投資很大?，F(xiàn)場制氮又有膜分離制氮(Membrane)和變壓吸附(Pressure Swing Adsorption)制氮機。膜分離制氮機是在20世紀(jì)80年代興起的高科技技術(shù)。該設(shè)備以空氣為原料，中空纖維膜為分離利用氧和氮在膜組織里滲透速率不同——水和氧氣可以通過而氮氣則不能，從而實現(xiàn)氧氮分離。膜分離制氮機制出的氮氣純度較低，一般為95-99.9%。而且膜分離制氮機能耗大，而且其核心部件——中空纖維膜主要依賴進(jìn)口，價格高，交貨周期長，設(shè)備后續(xù)維護(hù)麻煩。

　　PSA制氮機主要以碳分子篩為吸附劑，壓縮空氣為主要原料，利用氧氣和氮氣吸附速率不同，碳分子篩優(yōu)先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中，實現(xiàn)氧氣和氮氣的分離，得到我們所需要的氣體。利用這種變壓吸附的原理和工藝，采用雙吸附塔并聯(lián)交替進(jìn)行吸附，一塔工作一塔再生，連續(xù)產(chǎn)氮。一次性可能取純度為98-99.99%的合格產(chǎn)品氣(東莞市特洛伊氣體設(shè)備有限公司生產(chǎn)的特洛伊品牌制氮機一次性提取純度可達(dá)98-99.995%)。PSA制氮機制出的氮氣若經(jīng)過氮氣純化裝置可進(jìn)一步深度除氧，可得到99.9999%，即氧含量在1ppm以下的高純度高品質(zhì)氮氣。

　　(二)怎樣確定氮氣氛的具體參數(shù)SMT用戶在決定使用氮氣之前，先確定爐子中的氮氣純度(幾個九，或氧含量的ppm的值)，再確定制氮機出口純度。氧化反應(yīng)的充要條件是氧分子的存在，同樣條件下氧含量越高，氧化反應(yīng)越激烈;反之氧含量越低，氧化反應(yīng)越微弱。當(dāng)然氮氣純度越高越好，但應(yīng)考慮投資成本與產(chǎn)品的不良率和返工量的平衡。目前大多數(shù)的電子廠尚包括鴻海精密股份(臺灣富士康)都選擇：99.99%即氧含量小于100ppm,也有選擇：99.9%即氧含量小于1000ppm，少數(shù)選擇：99.999%既氧含量小于10ppm。所以確切的純度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的檔次、允許的不良率、公司政策、產(chǎn)品對浸潤性的要求等因素決定。確定了爐子中氮氣純度后，再確定制氮機出口純度，通常制氮機不與SMT生產(chǎn)線一起放在車?yán)?，而是放在屋頂，或車間外，通過管道輸入爐子，之間有很多個連接口，很有可能造成氮氣純度下降，所以制氮機的出口純度也要有余。并且單位時間的耗氣量(通常以每小時多少立方米計算)不同品牌、不同型號的爐子耗氣量也不同，輸入PCB的尺寸不同耗氣量也不同，鏈條轉(zhuǎn)動的速度不同耗氣量也不一樣，所以確切的耗氣量要以現(xiàn)場實驗為依據(jù)。

　　參考案例：XXXOEM企業(yè)使用的純度為99.99%制氮機出口氧含量<=100ppm>一期工程一臺：用于一條回焊爐生產(chǎn)線。純度為99.99%，產(chǎn)氣量為20m3/h氮氣系統(tǒng)二期工程三臺：用于三條回焊線爐生產(chǎn)線。純度均為99.99%，產(chǎn)氣量為20m3/h氮氣系統(tǒng)。三期工程四臺：用于四條回焊爐生產(chǎn)線。純度均為99.999%，產(chǎn)氣量為100m3/h氮氣系統(tǒng)。(一)成本分析下面以一套純度為99.99%，產(chǎn)氣量為20m3/hr的氮氣發(fā)生機用于一條SMT生產(chǎn)線，作出簡要經(jīng)濟性分析與比較如下(電費按0.6元計算，一年運行8000小時計算)：1、液氮使用成本市場上的液氮約為1200元/噸，可氣化成純度為99.99%，780m3的氣態(tài)氮，購買1m3的氮氣價格是1.4元。如果加上液氮儲罐的租金、汽化器的購置費、每年人工的費用等，使用1m3氮氣的成本接近1.6元。2、PSA制氮機的使用成本現(xiàn)場PSA制氮機的使用成本主要是電能的消耗，電能的消耗主要來自以下幾個方面：空壓機：空壓機的額定功率為22kw，消耗功率約為額定功率的80%左右，即為：17.5kw左右冷凍干燥機：冷凍干燥機的額定功率為1kw。制氮機：制氮機的原料是壓縮空氣，而制氮機本身基本不耗電，其主要是儀表用電，額定功率大約為0.05kw。每年電費總計：(17.6+1+0.05)×8000×0.6=9.12萬人工費：無需專人職守，可忽略不計。設(shè)備折舊費：設(shè)備投資按20萬元計算，每年折舊2萬元。每年的費用為：(9.12+2)=11.12萬每立方氮氣成本112000÷800÷0.6=0.7元 兩種用氮氣方式每年差價為20×8000×(1.7-0.7)=16萬元所以PSA制氮機投資回收期僅為10個月。(即16÷20) 變壓吸附制氮機避免高費用的瓶裝氮氣，杜瓦罐所帶來的不方便性，同時氮氣的供應(yīng)也沒有必要依賴零售商，避免壓力較高的瓶裝氮氣帶來的危險，以及氣體供應(yīng)中斷帶來停產(chǎn)的損失，變壓吸附制氮機長期穩(wěn)定低費用的運行可避免不可控的氣體價格上升，租賃高昂的低溫儲槽費用，并且操作簡單，又無須另備儲氣罐，能在短時間內(nèi)收回成本。無需專人維護(hù)，維修也簡單。因此，一旦安裝了PSA制氮機我們就可隨心所欲地從空氣中提取氮氣。