立体工件的批量上锡转化技术_吕晓胜.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术68|立体工件的批量上锡转化技术吕晓胜京信射频技术（广州）有限公司，广东广州510700摘要：移动通信天线制造主要工作是产品的装联。天线产品是由反射板、辐射单元、移相器、馈电网络、传动组件等核心部件组合而成。天线产品既是一种电气件，也是一种结构件；是通过结构件装联的可靠性，来保证电气的连续性和稳定性。由于天线产品这种装联的节点非常多，一副天线有成百上千个节点，节点的单点失效即会造成整副产品指标失效的苛刻要求。天线产品中的部件数量最多的为辐射单元，按照常规的订单量，每天需要生产的辐射单元数量就高达几万个。移动通信进入后4G及5G时代，天线的多制式、轻量化等要求，辐射单元的构成也呈高度集成，多达10几个零件组合而成，需要焊接的焊点多达17个。在这种数量众多、零件众多、焊接节点众多、指标单点失效制约的制造需求下，辐射单元的制造技术方式如采用人工焊接或机械手进行单点焊接，将耗费极大的人力物力，同时也无法保障产品焊接的一致性和质量。由此背景，开发出辐射单元的一次性焊接技术。本文系统重点讨论了辐射单元的一次性焊接技术中的关键技术点：批量上锡转化技术。关键词：一次性焊接；立体工件；印锡；上锡；天线；辐射单元中图分类号:TN82文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.12.015 0引言移动通信在我国发展十分迅猛，我国跻身是基站天线强国，已连续多年全球市场销售量占比超过50%；现在我国已经建设了一张十分优秀的4G网络，伴随着网络信号的普及，特别是网上购物、移动支付、导航、短视频、社交软件等应用，给人们带有极大的便利。随着2G/3G/4G/5G迭代商用，为满足基站天线的共站共址需求，适应多个网络系统的多制式多频共用天线与日俱增，其天线的结构复杂程度和质量控制要求难度大。移动通信现在处于后4G和5G时代，天线产品呈现高集成、高性能、多频段特点。其中核心部件辐射单元的结构复杂程度越来越高，单副产品的辐射单元数量越来越多，单个辐射单元的焊点数量越来越多、且呈现在不同的维度上；这给辐射单元的批量化焊接和质量管控，造成相当大的冲击和困扰1。1制造需求及焊接技术1.1辐射单元产能需求在天线制造中，核心部件辐射单元的由于结构复杂、焊点较多、产能需求非常大，每天需要生产几万个这样的辐射单元。单个辐射单元的装配及焊接工时评估，综合按照每个辐射单元15个焊点，以及每个焊点的焊接时间需要4s来核算。这样一个辐射单元的焊接时长就需要60s。整体测算下来，一个人1h也就产出60个，即一个人一天产出600个（工作时长按照10h统计）。每天生产3万个辐射单元，就需要50个人，投入的人力物力相当大；同时焊接质量一致性也不能得到很好的管控。对应关系如表1所示。1.2一次性焊接技术面对辐射单元这样庞大数量的产能需求，不可能采用单点焊接的技术方案，必须针对辐射单元这种多维焊点的产品，开发一种一次性焊接作者简介：吕晓胜，男，广东广州，中级工程师，研究方向：电子产品结构。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|69电子元器件与材料技术。能通过批量处理的方式，将辐射单元的装配和焊接的步骤，细分成每个子工序，按一定的生产节拍，进行流水化的装配和量化参数的一次性加热焊接，实现批量生产。1.3辐射单元的结构特点天线辐射单元的焊点结构呈多维度分布，不处在同一个平面，而且焊点的形态各异，如图1所标示的焊点117，即为焊点位置。焊点呈四层结构分布，数量多达17个。1.4批量焊接技术工艺为了实现批量焊接，最大化的保障产出，对辐射单元采用阵列摆放的方式；并采用锡膏制程，形成模组化并进行流水焊接作业。如图2所示，在相应尺寸内进行容量最大化的设置，即为44的模组、一模共16个。以一个组合式的集成化夹具作为载体，形成一种分层组装、分层上锡；然后通过整体加热方式，一次性对辐射单元上的所有焊点或焊盘上的锡膏，进行融化和焊接；从而一次性形成焊点的批量焊接技术。1.5批量上锡转化技术要实现一次性焊接技术，需要提前对辐射单元的每个焊点位置，进行批量上锡作业。由于辐射单元呈立体结构件，由于一半的焊点位于结图 2批量焊接技术路线图构件的内部，无法直接采用点涂及印锡的工艺，需要转化思维，通过工艺上的变换，采用印锡的工艺方法，对同轴电缆进行预上锡；同时采用特殊的炉温曲线，对锡膏进行软化预定型；同时还要保证预定型之后的锡膏内部仍保留较多的助焊剂。通过这种的方法进行变换之后，同轴电缆连带半融化已成型的锡膏，再进行多个立体结构件的组装，然后进行批量的整体加热，完成二次融化和焊接2。2批量上锡转化技术的实际应用2.1立体工件批量上锡思维对整个辐射单元的结构进行分解，17个焊点分布在四个维度，如图3所示。其中面1、面2、表 1产能、节拍与人员投入关系产能（个/天）单个辐射单元（秒）人均产出（个/时）工作时长（小时）人员投入（人/天）30000焊点（个）单点时间（秒）60105015460图 1天线辐射单元焊点分布图dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术70|面4是属于平面形的结构，呈水平分布，可以通过分层印锡、分层组装的方式，进行上锡转化；面3是属于弧面的结构，呈垂直分布，要实现批量上锡，明显是不可能的。按照传统的作业方式，一般会采用锡膏点涂的方式，但由于产品要采用一次性焊接的技术，要进行44的模组摆放，这样面3的焊点就处于内部遮蔽状态，点涂方案无法实施。这就要进行发散思维，对面3的同轴电缆采用预置的方式，转化为水平分布的上锡及预成型的需求。图 3辐射单元焊点分类分解图2.2锡膏选择与制程研究由于辐射单元的零件中，有采用压铸铝合金的材料，表面电镀锡。其材料熔点为232，所以为了兼容工件材料的耐温性及焊点的可靠性，锡膏选取了中温非共晶锡膏，成分为AgBiAg，熔点为138187。产品成分中焊料合金之化学成分，如表2所示。表 2锡膏焊料组成组成（质量%）SnBiAg余量35.00.11.00.1产品中焊料合金之熔融温度及密度，如表3所示。表 3焊料的熔点及密度熔融温度范围（）密度（kg/m3）液相线温度固相线温度7.8187138产品中锡粉的粒度分布如表4所示。表 4锡粉的粒度锡粉型号网目规格直径范围（um）印刷间距（mm）T3-325/+50025-45 0.32.2.1锡膏制程典型温度控制典型焊接曲线图如图4所示。2.2.2预热区预热升温速度控制在13/sec，过快的升温则容易造成锡球及桥连等不良，元器件也可能因过大的热应力而造成损坏。为保证PCB各部温度均匀，减少温差（t），预热时间为60120sec，预热温度110140/sec。如温度过低或时间过短将会产生未融溶现象。而如果温图 4典型焊接曲线图 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|71电子元器件与材料度过高或时间过长，助焊剂中活性成分挥发，亦可能导致未融溶现象产生3。2.2.3回流区回流焊峰值温度一般控制在200220，但基于元件的耐热性能，可使用较低的回流温度（195）。但如果因为回流炉的特性而有困难而采用较高的峰值温度（220），必须充分考虑元件的耐热性。在熔点温度（187.0）以上，一般时间控制6090sec，视实际产品工艺而定，可减少，但不能少于50sec。2.2.4冷却区冷却速度对焊点质量很重要，一般焊点强度随冷却速度增加而增加；冷却速度为28/sec，若过快则易造成元器件损伤，焊点出现裂纹等不良现象；过慢则易使焊点表面变得粗糙及强度变差，也易导致立碑现象或元器件移位。2.3同轴电缆预放制作耐高温的电缆托盘，托盘上开具对应数量的同轴电缆固定穴位。如图5所示，通过人工预放或机器整列摆盘的方式，对同轴电缆进行有规律的摆放，以保证同轴电缆需要印锡的面，能够位于对应的空槽中。图 5同轴电缆定位方式2.4同轴电缆圆弧面印锡依据上文所谈到的面3位置所处焊点的焊锡量需求，依据图6所示的锡膏制程回流之后的体积比变化规律，需要对应2倍的锡膏印锡量。依据这个印锡量，结合同轴电缆的外径尺寸，推导钢网的开口设计；对应每根同轴电缆的印锡区域的长、宽及厚度等关键尺寸。通过印锡机及刮刀的作用，对整个托盘的同轴电缆进行整体印制上锡，实现同轴电缆锡膏制程的第一次上锡需求4。图 6印锡回流前后体积变化规律2.5电缆上锡膏预定型由于同轴电缆长度比较短，同时为了保证在周转过程中锡膏不被刮蹭到，而产生锡少及锡珠、虚焊等不良现象；需要对整体印锡的形状进行一定的预定型。所以要提前对同轴电缆上的锡膏进行加热融化固定；但是又不能直接将焊料进行完全固化，因为完全固化后的焊料状态，在进行辐射单元的二次组装之后，会制约焊料的二次扩散特性，从而无法形成良好的焊点。锡膏预定型的关键在于温度的设置，以求得到一种“焊点表干、其内部仍含有助焊剂”的锡膏预定型状态。在参考焊料的典型曲线，并结合实际情况，作一定可取的变化；焊料预成型的温度设置，取锡膏融化处于升温区与回流区的中间值。我们此次焊接技术所采用的锡膏为中温锡膏，成分为SnBiAg，非共晶，熔点为138187。要实现锡膏预定型的效果，曲线设定可以设置微溶段，即回流区的峰值温度设置在155175间，保证锡膏能够产生微融的效应；同时要严格控制加热时间，微熔段的时间控制在50秒以内，确保锡膏内部的助焊剂留存大于原来的60%，以便能在二次熔化时也能够产生焊料扩散的效 应5。锡膏预定型的效果如图7所示。2.6同轴电缆取放组装及二次熔化焊接同轴电缆整体进行首次加热预定型之后，采用对应的底托工装，把平放于托盘内的同轴电缆斜着顶起，使同轴电缆呈45度立在托盘上，并dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术72|图 7锡膏预定型效果作为一个整体的上料盘进行周转，方便下工序的人工装配拿取。在下一工序，人工双手依次将同轴电缆从托盘拿取下来，进行衔接工序的二次组装。将二次组装好之后的模组，整体流水进入回流炉、回流炉各个温度设置形成对应的温度控制，整体的对模组上的16个辐射单元，共272个焊点上的锡膏及预定型锡膏，进行再次融化和扩散，形成相应的焊点。二次熔化的温度设置，要保证预热充分，回流温度的设置要高于焊料本身熔点温度的30以上，即回流区的峰值温度设置在210220之间，即以保证焊点能够二次融化，并充分融透；同时时间控制相当关键，回流时间控制在6090s这个区间，以确保焊接可靠，同时也保障焊点不会被老化6，二次焊接效果如图8所示。图 8二次焊接效果3结语应用以上的批量上锡转化技术，实现立体工件位于多个维度的结构焊点的批量焊接，使产品的焊点效率、质量得到大幅度的提升，保障了产品的一致性；从而使天线整机产品的一致性达通率也得到大幅度提升。在行业内，通过技术传承和技术转让，促进国内天线行业的制造水平整体提高。最大程度彰显天线制造技术的优越性和灵活性，推动我国经济的健康发展。参考文献1 刘小超,倪中华,崔远驰,等.基于工件与外部可消耗工具摩擦的焊接技术研究进展J.焊接学报,2022,43(7):14-27,114.2 高亮,贺彪,何中伟.基于LTCC技术的一种高效率辐射单元的研究J.科技创新与应用,2022,12(10):1-5,12.3 耿艳旭,吕磊,汪明锐.衬套型工件数字化焊接工序实施探讨J.黑龙江科学,2021,12(18):100-101.4 皋利利,汪智萍,曾照勇,等.微带天线辐射单元SMP自动焊接技术J.电子工艺技术,2021,42(5):274-277.5 方胜利.工件焊接自动化监控系统上位机HMI监控软件V1.0.湖北省,湖北汽车工业学院,2021-06-01.6 靳磊,李非,张璐雅.通用型就地辐射处理单元的设计J.集成电路应用,2020,37(4):16-17.