摘 要：根據無鉛回流焊的工藝特點，論述了對回流爐加熱、冷卻、助焊劑管理和氮氣保護各系統的改造原則和方案，給出了氮氣保護系統的評價標準，對罐裝氮氣和氮氣發生器兩種供應系統進行了成本估算和對比。
電子整機行業的無鉛化技術發展是國際信息產業工業發展的必然趨勢，我國信息產業部也要求在2006年7月1日前，全國實現電子信息產品的無鉛化，當電子組裝逐漸實現無鉛後，無鉛釺料的高熔點、低潤溼性給實際的焊接生產工藝帶來了很大變化。設備生產廠商應該對爐子結構和性能進行新的設計和改進，滿足無鉛化焊接的要求，主要包括加熱系統、製程控制系統、助焊劑管理系統、冷卻系統和氮氣保護系統。
1 無鉛再流焊設備的改造原則
實施無鉛化電子組裝，許多企業並不主動，而是在各種壓力下才轉為無鉛技術，壓力主要包括法令規定、環保意識、市場利益、用戶需求，有害物質管理處理和無鉛技術方面等。
無鉛化對再流焊設備提出了許多新的要求，主要包括：更高的加熱能力、空載和負載狀態下的熱穩定性、適合高溫工作的材料、良好的熱絕緣、優良的均溫性，氮氣防漏能力、溫度曲線的靈活性、更強的冷卻能力等。 目前國內市場存在成千成萬舊生產線，如果要全部通過購買新設備更換來實施無鉛化改造，對設備製造商而言是個很大的機遇，但對電子組裝廠來說是個沉重的負擔。目前一臺新的再流焊設備一般在30萬左右，再加上附加功能，如快冷、氮氣保護等，費用相當大。對於電子組裝廠，尤其是利潤較低的企業，力求尋找一些簡單的改造方法來迎接無鉛化的挑戰。面對這樣的問題，根據舊生產線設備的特點和新產品的要求，對舊生產線可以從以下所述進行改造。
2 加熱系統
在選擇無鉛熱風再流焊設備時，加熱系統是非常重要的一個性能指標，其中包括加熱效率、溫控精度、溫度均勻性以及穩定性等。
2.1 溫度高效性
溫度高效性是熱傳導效率的一個直接反映。熱傳導率高，設備的設定穩定和實際穩定就相差較小，溫度補償能力快，生產柔性係數就大，可以適用不同的生產量，不同熱容大小的產品，如果溫度高效性不好，實際的無鉛焊接峰值溫度240℃，設定溫度就會達到290℃甚至更高，導致高溫下熱風電動機的使用壽命減少，溫度高效性是一個很重要的參數，它決定了設備是否能做到無鉛化生產要求。
2.2 溫度均勻性
當溫度曲線穩定之後，常用測試板上任意兩點的最大溫度偏差ΔT來衡量溫度均勻性，一般情況下，溫度偏差越小，溫度均勻性就越好，SnPb共晶釺料的溫度均勻性要求為±5℃，而無鉛釺料的溫度均勻性要求為±2℃。
2.3 溫度穩定性
無鉛再流焊爐必須具有穩定的溫度曲線，如果溫度曲線不穩定，就沒有可靠穩定的產品質量保證，目前一些電子製造商在生產時，會每一個工作日和半個工作日測試一次溫度曲線，來保證溫度曲線的穩定性，而先進的設備製作商已開發出一套溫度監控系統，對爐體內各溫區實際溫度進行實時監控，確保溫度曲線穩定性。
加熱系統改造應注意以下幾個方面： （1）如果舊設備為上下兩面同時加熱的各模塊獨立控制強制熱風對流系統、爐腔隔熱系統良好，且熱風電動機能承受300～350℃高溫，此設備具有較強的加熱效率，容易實現較高的峰值溫度，可用於無鉛化生產。
（2）如果舊設備為局部上下兩面同時加熱或單面加熱的各模塊獨立控制強制熱風對流系統，爐腔隔熱系統不良且熱風電動機不能承受300～350℃的高溫，此設備加熱效率較低，達到較高峰值溫度較難，一般不適合無鉛化生產。
（3）如果舊設備為局部上下兩面同時加熱或單面加熱的各模塊獨立控制強制熱風對流系統，且加熱模塊容易增加、更換和維修，熱風電動機能承受300～350℃高溫，此設備可通過適當的增添加熱模塊來提高熱效率，可以用於無鉛化生產。
（4）如果舊設備帶有紅外加熱系統，此設備溫度均勻性較差，不能滿足無鉛化生產所需溫度均勻性要求，一般不適合無鉛化生產。
（5）如果舊設備為熱風強制對流系統，但採用的是大循環氣流流動方式，而不是個模塊獨立氣流循環，此設備溫度各溫區溫度不易控制，均溫性和穩定性較差，一般不適合無鉛化生產。
3 冷卻系統
無鉛化後再流焊峰值溫度升高，在同等條件下產品出口溫度升高，不便於焊後工人檢測，這就要求快速冷卻以達到新工藝的要求，另外一些研究表明，快速冷卻可以細化組織，防止金屬間化合物（IMC）增厚，提高可靠性[1]，目前無鉛再流焊設備一般採用循環水冷系統，並配有一臺制冷機進行強制冷卻。相應地，設備的價格要增加3萬左右，而且還要佔用一些資源。
冷卻系統改造應注意以下幾個方面：
（1）如果舊設備為強制風冷進行冷卻，其冷卻速率一般為1～2℃/s，此設備一般不能滿足無鉛化生產，如果設備冷卻系統可更換，那麼就可以方便升級為水循環冷卻，用較低的成本來進行無鉛化生產。
（2）如果舊設備為水循環冷卻，其冷卻速度一般為2～4℃/s，可以滿足一般的無鉛化生產，對特殊要求的溫度曲線，如冷卻速率要求大於4℃/s就不能滿足，需要將冷水管與外界冷水機連通進行升級或更換，其冷卻速率可達到4～6℃/s。
4 助焊劑管理系統
無鉛化後助焊劑汙染由於高溫氧化的影響而顯得格外明顯，無鉛再流焊設備一般都配有助焊劑管理系統，防止還有大量助焊劑的高溫氣流進入冷卻區而凝結在散熱片和爐體內，降低冷卻效果並汙染設備。圖1為助焊劑管理系統示意圖。
上述系統是把含有大量助焊劑的高溫氣流從預熱區、再流區及冷卻區前抽出，經過體外冷卻過慮系統後，把乾淨的氣體送回爐內，這樣做還有一個好處就是使用氮氣保護時形成閉循環，防止氮氣消耗。此系統改動較大，一般難以升級，如果生產量不是很大，助焊劑汙染程度小，可以定期進行清理而不用替換。
5 氮氣保護系統
5.1 氮氣使用原則
無鉛化電子組裝中並不是一定要氮氣保護，原則包括以下幾個方面的要求：
（1）滿足歐美和日本等客戶的要求時；
（2）使用高溫焊膏或低固體、低活性（免清洗、低殘留）焊膏時；
（3）釺焊比較昂貴的集成電路元器件、小體積元器件、細間距元器件、倒裝晶片和不可以反修元器件時；
（4）多次過板組裝工藝或釺焊帶有OPS鍍層的PCB多次再流時；
（5）釺焊無保護膜銅焊盤或儲存時間較長的電路板或可靠性首要時。 從氮氣保護再流焊工藝來講，它可以改善性能較差助焊劑潤溼性，提高焊點強度，對部分類型焊點缺陷也有一定的防止作用，此外更重要的是它可以減少內部空洞，降低峰值溫度，擴大工藝溫度窗口。考慮到這些特點，生產中可根據實際情況選擇是否實施氮氣保護。
5.2 再流焊設備氮氣系統評價標準
衡量再流焊設備氮氣系統可用殘餘氧氣含量最低值和氮氣消耗量來評價此系統的性能。殘餘氧含量一般採用氧分析儀進行測試，測試氧含量有兩個指標，即穩定程度和最低氧含量。最低氧含量與氮氣源純度有關，使用高純度氮氣源時，一些較好的設備可以降到50×10－6或更低。氮氣消耗量與所需氧含量和設備防漏能力有關：一般氧含量越低，氮氣消耗量越大；設備防漏能力越差，氮氣消耗量越大。目前市場上的再流焊設備在氧含量為500×10－6時，氮氣消耗量一般為25～35m3/h。
舊生產線實施無鉛氮氣保護時，再流焊設備面臨改造和替換兩種選擇。如果原有再流焊設備為過渡、可升級型，那麼氮氣系統的改造就比較容易，否則改造成本就會很高，推薦替換方案，因為舊設備的設計和加工在機架結構、氣密性、氮氣系統的添加部件（比如氧分析儀，氮氣調節閥）等方面是不可以升級的，即勉強能改造，其效果也不能達到預期的目的，設備的穩定性和效率都有待探討，圖2為具有氮氣保護功能的加熱模塊結構。
再流焊爐氮氣系統，目前國內外已有成熟的技術得以應用，主要有5種：一是採用可變的風扇速度來降低N2消耗；二是爐內使用可隨意選擇的空置氣流來檢測是否有PCB板正在通過，當爐中沒有PCB板通過的時候，系統會自動減小風扇速度、空氣循環和氮氣供應；三是可以在智能控制時精確的調節對流速率，從而減小N2的消耗；四是可以通過減小爐子開口、出口和採用閉環氮氣控制系統來減小N2消耗。爐子開口被定製為最小可通過元器件的尺寸，被抽進爐體中的氣體越少；五是安裝一個帘子或一些百葉窗和門，這些門通過自動傳感器激活而允許板進出。同時內部設計的改造可以使氣體以很薄的氣流方式流動，並且沒有犧牲熱效率。 日東電子科技（深圳）有限公司，是國內首家生產無鉛再流焊爐的設備商，氮氣保護系統綜合上述四和五的優點，研發出國內第一臺無鉛再流焊設備NT－8N－V2。設備採用爐子出口和入口安裝矽膠簾或高溫材料，並具有可調的進出口尺寸，減小氮氣的洩漏和消耗，見圖3。設備還配備了閉環氮氣控制系統，氧含量檢測系統，進而對氮氣消耗量進行控制。
5.3 氮氣供應系統
實施氮氣保護時，一般要求氧含量在（100～1000）×10－6之間[2]，這對氮氣供應系統構成參考依據。目前常用氮氣源純度可為97～99.9995％，一般使用99.9％，99.99％和99.999％3個等級，其供應方式主要有2種：液態罐裝氮氣和制氮機產生氮氣。
（1）液態罐裝氮氣
液態罐裝氮氣是用大型制氮設備製造出氣態氮氣，然後經過高壓超低溫處理（500MPa，－180℃）使其轉化為液氮，氮氣源純度一般為9.999％，一噸液氮相當於常溫長壓下780m3的有效氮氣。
（2）制氮機產生氮氣
膜分離制氮機。單位時間的產氣量小，只適合配套單臺爐，可達到的氮氣純度較低，一般為99.9％，且對與此配套的空壓機出口壓力要求高。
PSA制氮機。採用不同的流程技術，分離空氣中的氮氣，直接產生高純氮氣供給設備使用。這種系統提供氮氣流量為1～2000m3/h，純度範圍一般為97％～99.9995％，壓力為0.05～10.MPa。這種方式為目前市場主流。
（3）PSA＋純化裝置制氮機
先用PSA生產出低純氮氣（純度一般為99％），再用"氫除氧"工藝淨化，氮氣純度較高，一般為99.99％～99.9995％，這種制氮法故障率較高，即PSA的故障＋"氫除氧"的故障。"氫除氧"故障主要為點火裝置不能間斷，而且始終保持穩定流量的氮氣。
5.4 氮氣系統配置
如果使用PSA制氮機，生產出來的氮氣可直接供設備使用；如果使用罐裝液氮供應，由於氮氣溫度極低，使用時需要一個氣化過程：減壓、升溫。一般需經翹片管汽化器後，通過50m長的金屬管道提供給再流焊設備使用，如圖4。
每臺再流焊設備與氮氣源接口處都有壓力要求，這在操作手冊中有標明，這個壓力通常為0.55MPa，0.75MPa，對應制氮機的出口壓力就應為0.60MPa，0.80MPa（因在遠距離傳送過程中會有壓降產生）。
生產時如果採用液態罐裝氮氣，一般都是"一拖一"，如果採用制氮機供氣，一般實行"一拖三"（即一臺制氮機供三臺爐子）。使用時要考慮到留有10～15％的餘量，如果一臺爐子耗氮量為30m3/h，那麼制氮機的流量應為30×3×1.15＝103.5m3/h。由於氮氣流量與純度成反比，考慮實施"一拖幾"的時候，並非拖的越多越好，一般選擇"一拖二"、"一拖三"、"一拖四"。另外考慮到降低風險係數，儘可能採用制氮機組，防止出現故障。氮氣罐的儲氣量與內壓之間有以下關係[3]：
Va＝Vs×[（Pa×14.7）/14.7]1/2 （1）
其中：Va為實際儲氮量，Vs為實際用氮量，Pa為實際罐內壓力。使用時要注意調節滿足來滿足以上要求。
5.5 氧含量確定
所需氧含量與氮氣源選擇有關，一般可通過所需氧含量要求來選擇具體的氮氣供應方式和製作工藝。氮氣源純度選擇時應該先確定生產時所需最低氧含量，再確定氮氣源純度。一般氮氣源純度選擇為99.9％、99.99％和99.999％，對應設備中最低氧體積含量為1000×10－6、100×10－6和10×10－6。
生產成本與氮氣消耗量有關，而氮氣消耗量與所需氧含量有關，圖5為Alan Tae等人對氧含量與生產生本進行的一個評估，可以看出當氧含量低於700×10－6後，隨著氧含量的下降，氮氣消耗量和生成成本急劇增加。在選擇氧含量時，可以參考表1。
5.6 採用氮氣保護生產成本估算
目前國內市場舊設備改造的面臨的最大問題就是投資成本。一臺無鉛再流焊設備的市場價格為25～30萬元，配套氮氣供應系統，成本會更高，而這對於流動資金不足或低利潤電子製造或組裝廠，比如家電生產商，是一個很大開支。
5.6.1 氮氣發生器供應系統成本估算
（以下成本估算各計算式中凡下標R表示回流爐，下標O表示氧氣，下標N表示氮氣，下標E表示用電價格，下標M表示設備，下標S表示消耗品）
（1）再流焊設備成本
所需再流焊設備數量：XR
每臺再流焊設備價格：QR
購買所需資金：M1＝XR×QR
（2）氮氣發生器選型
生產時所需氧含量：LO
每臺再流焊設備每小時消耗氮氣量：VN
氮氣發生器供應方式：Y1/2，Y1/3，Y1/4
再流焊設備接口處所需壓力：P＝0.60～0.80MPa
根據以上參數對氮氣發生器進行選型。
（3）氮氣發生器成本
每臺氮氣發生器價格：QN
所需氮氣發生器數量：XN
購買所需資金：M2＝XN×QN
（4）電能消耗成本
每套氮氣供應系統每小時消耗電能：EN
當地工業用電價格：QE
氮氣供應系統服役期：HM
服役期內工業用電費用：M3＝XN×EN×HM×QE
（5）氮氣供應系統消耗品成本
每套消耗品費用：QS
服役期內所需消耗品總套數：
消耗品所需總費用：M4＝QS×（XS－1×XN）
（6）工業用地成本
每套氮氣供應系統佔地面積：SN
服役期內工業用地所需費用：M5
（7）無鉛氮氣保護再流焊總資本投入：
M＝M1＋M2＋M3＋M4＋M5
（8）每小時消耗成本
M6＝（M2＋M3＋M4＋M5）÷（HM×XR）
5.6.2 罐裝液氮供應系統成本估算
常用罐裝液氮公稱工作壓力為115kg，氮氣摩爾質量為28g/mol，即一罐液氮在室溫下的體積為： VA＝115÷28×22.4＝92（m3）
考慮使用後留有10～15％的餘量，實際氮氣體積為： VA＝92×（0.85～0.90）＝78.2～82.8m3
特定的氧含量下，假設每臺再流焊設備每小時消耗氮氣量為VN，則每罐液氮可以供應生產時間約為： T＝VA/VN
目前市場價每公斤液氮價格為3元，每罐液氮的價格為345元，每小時的成本消耗為：M7＝345÷T
6 舉例說明
以上資本估算是可以量化的，而在具體的生產中，實際資本投入一般要大於上述估算值M。為了比較兩種氮氣供應系統的優缺點，暫不考慮不可量化因素。
假設一電子組裝廠現有生產線15條，要進行無鉛流焊生產工藝，下面對其舊生產線改造投資成本進行簡單的估算。
（1）再流焊設備投入成本：M1＝15×30＝450（萬元）；
（2）生產時氧含量控制在1 000×10－6左右，每臺再流焊設備每小時消耗氮氣25m3，則15條線每小時共需要消耗氮氣375m3。氮氣供氣方式採用"一拖三"，接口處壓力取0.6MPa，氮氣源所需純度為99.999％。所需氮氣發生器共5套，每套設備價格約65萬元，則氮氣發生器設備投入成本： M2＝65×5＝325（萬元）
（3）氮氣發生器每小時耗電量為50kW，設備服役期按照30 000h計算，工業用電按照0.6元/度計算，則服役期內工業用電費用： M3＝5×50×30000×0.6＝45（萬元）
（4）假設每年使用一套消耗品，那麼服役期內所需消耗品總費用為： M4＝0.5×（5×5－5×1）＝10（萬元）
（5）佔地費用暫不考慮，則無鉛氮氣保護再流焊總資本投入： M＝M1＋M2＋M3＋M4＝450＋325＋45＋10＝830（萬元）
（6）每臺爐子每小時消耗成本： M6＝380÷（30000×15）≈8.4（元/小時）
如果使用罐裝液氮，每臺爐子每小時消耗氮氣25m3，每罐氮氣實際使用氮氣體積按照80m3計算，則每罐液氮可以供應生產時間約為： T＝VA/VN＝80÷25≈3.2（小時）
每臺爐子每小時的成本消耗為： M7＝345÷3.2≈107.8（元/小時）
由上述分析可知，使用罐裝氮氣生產附加成本要遠遠高於氮氣發生器成本，所以大批量生產一般不推薦採用罐裝液氮，而罐裝氮氣並不是沒有優點，一次性投入資本小，使用方便，佔地面積小，可根據實際生產量靈活搭配，生產柔性係數大，對於小批量，間斷性生產較為合適。其缺點也是很明顯的，需要停機進行氮氣源更換，壓力不穩，使用到最後壓力不足，氧含量會隨之升高，對於一個企業來講，怎樣進行決策，應該根據實際的生產量、生活長期性等因素來決定，擇優選擇。
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（1）舊設備改造是無鉛化電子組裝面臨的一個大問題，對於舊設備的改造，各電子組裝廠應該根據自己舊設備的特點和新產品的需求制定合理的改造方案，把成本降到最低。
（2）氮氣保護是無鉛化電子組裝提出的一個新問題，目前研究表明：氮氣保護對無鉛再流焊工藝有一定的改善作用。
（3）在使用氮氣保護的條件下，需要建立無鉛氮氣保護系統，這需要從再流焊設備和氮氣工藝系統兩方面著手。對於再流焊設備而言，要增加氮氣供應接口和防止氮氣洩露相關措施，另外還需氧含量檢測設備，氮氣輸入管道等等。
（4）氮氣源的供應要考慮實際生產量而定，對於小批量生產，而且不間斷更換生產線的企業，可以採用罐裝液氮作為發生器，反之就要採用氮氣發生器來提供氮氣。