制氮機氮氣保護在無鉛回流焊工藝中的應(yīng)用

第一部分 無鉛焊接與氮氣
 
為什么要導入無鉛工藝：
  鉛是一種有毒的重金屬，人體過量吸收鉛會引起中毒，攝入低量的鉛則可能對人的智力、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)造成影響，全球電子裝聯(lián)行業(yè)每年要消耗大約６００００噸左右的焊料，而且還在逐年增加，同此形成的含鹽的工業(yè)渣滓嚴重污染環(huán)境，因此減少鉛的使用已成為全世界關(guān)注的焦點，歐洲、日本許多大公司正在大力加速無鉛替代合金的開發(fā)，并已規(guī)劃在２００２年開始在電子產(chǎn)品裝配中逐步減少鉛的使用。（傳統(tǒng)的焊料成份６３Ｓn/３７Ｐb，在目前的電子裝聯(lián)行業(yè)，鉛被廣泛使用）
  歐盟組織２００６年開始逐步導入無鉛工藝（醫(yī)療電子行業(yè)推遲到２００８年），７月之前全面導入無鉛工藝。電子整機行業(yè)的無鉛化技術(shù)發(fā)展是國際信息產(chǎn)業(yè)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國信息產(chǎn)業(yè)部也要求在２００６年７月１日前，全國實現(xiàn)電子信息產(chǎn)品的無鉛化。
 
導入無鉛工藝為什么用氮氣：無鉛化對再流焊設(shè)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(tài)下的熱穩(wěn)定性、適合高溫工作的材料、良好的熱絕緣、優(yōu)良的均溫性，氮氣防漏能力、溫度曲線的靈活性、更強的冷卻能力待。
 
無鉛化電子組裝中使用氮氣的必要性有以下幾點原則：
１、滿足歐美和日本等客戶的要求時；
２、使用高溫焊膏或固體、低活性（免清洗、低殘留）焊膏時；
３、釬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、倒裝芯片和不可以反修元器件時；
４、多次過板組裝工藝或釬焊帶有ＯＰＳ鍍層的ＰＣＢ多次再流時；
５、釬焊無保護膜銅焊盤或儲存時間較長的電路板或可靠性。
  由于使用了氮氣，就需要對爐子進行投資主考慮耗用的氮氣量、氮氣源選擇和氮氣的價格，而且，了解后者更為重要。事實上，在焊接工藝中使用特殊氣氛惰性氮氣氛，可以使用焊接的產(chǎn)品在焊接過程中不會產(chǎn)生缺陷，能夠一次通過測試驗收，這樣即節(jié)省了郵缺陷帶來的返修成本和勞動力成本，也節(jié)省了工藝時間。雖然選購氮氣氛需要花費一定的資金，但比起焊缺陷帶來的返修成本要低得多。
  使用氮氣對焊接的好處：在回流焊中使用惰性氣體保護，已有較久歷史了，并已得到較大范圍的應(yīng)用，一般都是選擇氮氣保護。
 
氮氣回流焊有以下優(yōu)點：
1）防止減少氧化；
2）提高焊接潤濕力，加快潤濕速度；
3）減少錫球的產(chǎn)生，避免橋接，得到列好的焊接質(zhì)量，特別重要的是，可以使用更低活性助焊劑的錫膏；
4）也能提高焊點的性能，減少基材的變色。
 
第二部份 無鉛焊爐用氮氣配置
對于每臺焊接爐的氮氣流量，我們通常這樣配置：
回流焊接爐：15-25m3/h
波峰焊接爐：15-18m3/h
 
另外有些特殊規(guī)格按實際流量計算。
氮氣純度：≥99.99%
氮氣壓力：0.4Mpa   0.6Mpa
氮氣露點：-40℃--60℃
 
焊接用氮氣來源和方式
  氮氣源的供應(yīng)要考慮實際生產(chǎn)量而定，對于小批量生產(chǎn)，而且不間斷更換生產(chǎn)線的企業(yè)，可以采用罐裝液氮作為發(fā)生器，反之就要采有氮氣發(fā)生器來提供氮氣。
  當?shù)獨馐褂昧亢艽?，而且需要貨源非常穩(wěn)定時，運用PSA技術(shù)制取氮氣的現(xiàn)場院發(fā)生器就更為安全穩(wěn)定經(jīng)濟實用了，所以大批量生產(chǎn)一般不推薦采用罐裝液氮?？筛鶕?jù)實際生產(chǎn)量靈活搭配，生產(chǎn)柔性系數(shù)大，對于小批量，間斷性生產(chǎn)采用罐裝液氮較為合適。使用液氮其缺點也是很明顯的，需要停機進行氮氣更換，壓力不穩(wěn)，使用到最后壓力不足，氧含量會隨之升高，而現(xiàn)場制氮裝置卻可以完全避免以上缺點。
  對于個企業(yè)來講，怎么樣進行決策，應(yīng)該根據(jù)實際的生產(chǎn)量、生活長期性等因素來決定，擇優(yōu)選擇。
 
兩種供氮方式成本分析：
  資本估算是可以量化，而在具體的生產(chǎn)中，實際資本投入一般要大于上述估算值。為了比較兩種氮氣供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，暫不考慮不可量化因素。假設(shè)一電子組裝廠現(xiàn)有生產(chǎn)線15條，要進行無鉛回流焊生產(chǎn)工藝，下面對其舊生產(chǎn)線改造投資成本進行簡單的估算。
 
1）生產(chǎn)時氧含量控制在1000*10-6左右，每臺再流焊設(shè)備每小時消耗氮氣25m3，則15要線第小時共需要消耗氮氣375m3。氮氣供氣方式采用“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(fā)生器共5套，每套設(shè)備價格約45萬元，則氮氣發(fā)生器設(shè)備投入成本：M1=45*5=225（萬元）
 
2）氮氣發(fā)生器每小時耗電量為55KW，設(shè)備服役期按照3000h（十年）計算，工業(yè)用電按照0.6元/度計算，則服役期內(nèi)工業(yè)用電費用：M2=5*55*30000*0.6=49.5萬元
 
3）假設(shè)每年使用一套消耗品，那么服役期內(nèi)所需要消耗品總費用為：M3=0.5*（5*5-5*1）=10（萬元）
 
4）占地費用暫不考慮，則無鉛氮氣保護再流焊氮氣總資本投入：M=M1+M2+M3=225+49.5+10=284.5萬元
 
5）每臺爐子每小時消耗氮氣成本：M=284.5/(30000*15)=6.3(元/h)
  如果使用罐裝液氮，每臺爐子每小時消耗氮氣375m3，每立方液氮可以汽化為643m3氮氣，則每立方液氮可以供應(yīng)生產(chǎn)時間約為：T=VA/VN=643/375=1.7(小時)
  每臺爐子每小時的成本消耗為：M7=1000/（1.7*15）=39.2(元/小時)
  則每年15套爐子可節(jié)約成本=（39.2-6.3）*15*3000=148(萬元)
  焊接用制氮機配置方式
  采用深圳匯通公司提供的制氮機供氣，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1015%的余量。如果一臺爐子耗氮量為30m3/h，那么制氮機的流量應(yīng)為30*3*1.15=103.5m3/h。由于氮氣流量與純度成反比，考慮實施一拖幾的時候，并非拖的越多越好，一般選擇“一拖二”、“一拖三”、“一拖四”。另外考慮到降低風險系數(shù)，盡可能采用制氮機組，防止出現(xiàn)故障。