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無鉛手工焊接製程的變革

作者：Ed Zamborsky/ OK International (OK公司) 美國東部銷售經理日期：2008/12/3 來源：半導體科技

當印刷電路板可以進行最後的異形元件手工焊接時，通常都已經過了許多耗時和耗成本的生產流程，並有許多元件佈滿其中，但大多數都是很脆弱的：其中許多元件的體積也都十分小巧；有些則可能非常昂貴。難怪全球所有的品質經理和生產線監管人員，在控制其手工焊接品質時都倍感壓力。

為確保板卡的完整性，品質經理和生產線監管人員必須確保焊接製程的一致性和可重複性，以及高品質和可靠的焊點。當然，由於對任何業務來說，生產率都是最主要的目標，因此，他們還必須保證，在這樣的品質控制下，產量仍保持在可接受的水準。

要做到這一點非常困難。手工製程本身就比建立在統計程序控制體系下的全自動化組裝製程之變數大。而且，電路板還會塞滿各種走線精細的電路及精密而脆弱的元件，因此要直接在這些區域完成焊接就需要合適的工具，操作人員要有高超的技藝，並在作業時要能集中注意力。此外，由於現今都採用高溫無鉛焊錫，為完成焊錫重新熔化，操作人員必須施以足夠的熱量，而且還不可以破壞電路板本身及其上面的熱敏感元件。所有這些困難也都在返修 (rework) 焊接的過程中出現，要在返修中克服這些困難非常難及費時，而且損壞元件的風險更大。

熱管理問題
在瞭解這些問題後就很清楚，焊接專業人員必須嚴格控制其製程。尤其是得精確地控制焊接點的熱量；因溫度過低會影響生產率，過高則可能降低板卡的可靠性。

許多傳統烙鐵由於採用的是過時的設計，因此都無法讓操作人員依照其需求進行控制，部分原因是這些烙鐵的熱管理功能差。烙鐵頭一般都與加熱源有一定距離，它經過加熱後儲備熱能，並在接觸到焊盤時迅速釋放出熱能。發生熱損壞的可能性顯然存在，但這還不是唯一的問題。由於烙鐵頭對焊盤所釋放出的熱能也會變冷，因此必須儘快對其重新加熱。但由於熱敏元件和加熱器都與烙鐵頭有一定距離，所以加熱的動作並不會立即完成。同樣地，在對烙鐵頭重新加熱時，這種因距離產生的傳導"慣性"也會導致烙鐵頭過熱。

在當今的無鉛製程時代，烙鐵頭溫度在設定點附近不受控制的振盪確是個難題。加上現在使用的大多數焊接工具由於其烙鐵頭的熱效率低，不能將熱能以很高的效率從烙鐵傳輸到焊盤 (效率遠遠低於100%)，因此，無論如何努力，操作人員都很難控制其手工的焊接製程。由於烙鐵本身及烙鐵頭與焊盤間的熱遲滯效應問題，他們常常企圖希望可以提高烙鐵頭在閒置時的溫度來維持生產率，而這使溫度更加偏離設定點，後果可能非常嚴重。

諷刺的是，過熱的烙鐵頭還會增加焊接時間，這是因為助焊劑可能在發揮作用前就已被燒掉，或者因為採用了無鉛焊劑，由於活性更大而炭化，這會讓殘留物沉積在烙鐵頭之上，妨礙了其潤濕。過熱還將加快氧化，這對焊點的形成更加不利，並進一步縮短烙鐵頭的工作壽命。

提高熱效率
無鉛手工焊接需要全新的焊接工具，能準確地測出焊盤處所需的熱能，而不是測量烙鐵頭的閒置溫度等間接參數，還能適時地準確地提供所需的熱能。這樣，焊接就能以更低的溫度和更快的速度進行，並且消除了因溫度過高而帶來的損壞風險。

作為領先的組裝設備廠家，OK公司便開發了一款這樣的工具，方法是使烙鐵頭溫度保持恒定，而不是保持烙鐵頭的功率恒定。因此，烙鐵頭不再是個儲存熱能量，而是像一條"高速的傳熱通道"，焊盤耗費多少熱能，它就從加熱器吸收多少熱能。由於熱敏功能內建於烙鐵頭中，因此能實現瞬間反饋。這個優勢再加上專利的冶金設計，能夠自動且準確地將溫度控制在設定點的 ±1蚓範圍內。由於能立即完成熱恢復，因此不再有讓人苦惱的延遲，從而提高了生產率。由於返修設備的溫度固定，且不需要校準，使用者因而能夠輕易地提高其手工焊接的製程控制水準。

導熱係數
為了讓此一構想成功地實現，烙鐵頭本身必須能讓熱能自由地流過；當然，製造烙鐵頭的材料得要有良好的導熱性。但OK公司研究發現，這只是其中一部分。從公司對不同風格的烙鐵頭進行的大量實驗顯示，優化烙鐵頭的幾何形狀可提高熱效率。其研究還發現，特定的烙鐵頭要傳輸多少熱能，可透過測量其導熱係數 (Conductivity Factor，CF) 來預測，這個係數是烙鐵頭的長度、寬度和橫截面的公式函數。

圖一：利用烙鐵頭形狀的設計來優化導熱係數

圖二：要在焊盤多或大的板卡上完成無鉛焊接，需要更高的熱能水準和恢復速度，這就要求採用具有優化導熱係數的烙鐵頭。

圖一所示為烙鐵頭熱效率 (即導熱係數) 隨其幾何形狀的變化關係，即採用相同的加熱源溫度焊接一塊雙層電路板 (負載輕的情況) 以及一塊10層電路板 (負載重的情況) 時，三種形狀不同但鑿端 (chisel) 相同的烙鐵頭之表現情況。圖中的基準線代表無鉛焊接對熱性能的最低要求。由於熱效率高低反映出熱能流動的快慢，因此烙鐵頭越短越寬，流過的熱能就越多，因此導熱係數也越高。的確，圖中右邊的烙鐵頭最細，且採用多階變細 (multi-stage tapering) 的形狀，就妨礙了熱能的流動，其導熱係數自然最低；而性能最好的是左邊粗短且逐漸平滑變細的烙鐵頭。

OK公司利用此一寶貴研究成果，在業界率先設計出一系列具有高導熱係數的烙鐵頭，即PowerTipsTM系列產品，為操作人員提供業界導熱效率最高的工具。這些工具能確保溫度控制在嚴密的容差範圍內，這樣，操作人員可將精力集中在手工焊接的操作挑戰上，操作人員還可選擇不同形狀的烙鐵頭來因應那些最複雜的焊接點。而且，在進行精細焊接時，操作人員還可借助重量輕、符合人體工學設計的烙鐵，其中包括了手柄離烙鐵頭近，以便於進行準確的控制，及冷操作溫度的握柄。

結論
許多人都有這樣的誤解，以為透過控制烙鐵頭閒置溫度等間接參數，就可能獲得品質高且可信賴的手工焊接點。雖然，這種方法可能對於要求較寬鬆的錫鉛焊料還可以接受，但在當今的無鉛焊接時代，它就變得極具風險，尤其是操作人員通常試圖透過提高溫度的設定來加快焊接速度時，更是如此。無鉛焊接的操作溫度接近可導致電路板和脆弱元件產生熱衝擊和熱損壞的程度，因此不能再允許用反覆嘗試錯誤地提高溫度的方式作業。

手工焊接製程如要繼續保持高品質的焊接點及可接受的產量，就必須提高熱效率和溫控的水準。目前已有能夠自動、直接、迅速及即時地向焊盤傳送精確熱能的烙鐵和烙鐵頭技術。搭配使用這類焊接工具，操作人員就能在較低的溫度下，在可重複的製程中達到更嚴格的焊點品質和可靠性要求。

由於這類焊接工具的所有熱控制過程都已自動化，且回應速度更快，因此還能獲得更高的良率和產量。此外，由於降低了工作溫度，從而使烙鐵頭的壽命得以延長，也使得更換的成本降低。最後，這些經過簡化的手工焊接操作技術，更可繼續大幅降低操作人員的培訓成本。SST-AP/Taiwan

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