治具浅谈

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• Source: 北京SMT专业委员会
• Date: 2016-11-08
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作者：北京柏瑞安电子科技有限公司 --李冬

随着科学技术的飞速发展，电子产品正向着高频化微型化低功耗、高精度高功率、多功能、组件化、模块化和智能化的方向发展，微型元器件普遍使用，贴片与插件混装工艺越来越多，采用波峰治具进行波峰焊接越来越受到人们的青睐。
简单来讲波峰焊治具是波峰焊制程中用于承载PCB板过锡炉并完成焊接作业的治具，通常也叫流焊治具。
从质量角度来讲，如果PCB板为双面板，使用波峰焊治具可以对焊锡面的SΜD零件进行覆盖保护，仅留DIP零件焊脚过锡，免去了红胶固定贴片工艺，避免了焊锡面的贴片元件在波峰焊接过程出现掉件情况，并在很大程度上降低了PCB在波峰焊接中出现元件虚焊、漏焊、连焊等风险。另外波峰治具上还可以安装压扣、弹片类的辅助零件，可以对一些容易浮起或偏斜的元件起到定位作用，提高焊接效果。
从成本角度来讲，某些元件因功能或材料限制不耐高温，只能手工焊接。遇到这种问题，如果不采用波峰治具过板，就只能采用贴阻焊纸的方法来解决，用阻焊纸贴住此元件的金属化孔，等PCB过完波峰后再手工焊接，增加生产人力的同时更降低了焊接质量的稳定性，得不偿失。当产品达到一定数量时，采用波峰治具焊接的方法会比贴阻焊的方法更合适，下面是一个具体的核算公式：
（贴阻焊纸工时＋揭阻焊纸工时（h））×人工费用（元/h）＋阻焊纸长度×单价＝治具数量×治具单价
另外在PCB设计过程中因结构需要，某些器件需要伸出板外，为了保证PCB能够正常进入波峰轨道需要在PCB上加足够宽的工艺边。而目前PCB板材可谓寸土寸金，采用波峰焊治具则可以减少甚至完全去除辅助工艺边，达到节省材料成本的目的。
从效率角度来讲，如何让同样设备获取更高产能一直是老板们关注的课题之一。在电子行业尤其是自主研发或ODM行业，一台整机需要多块不同功能的部件板，要做到JIT生产制，一条整机组装线就需要配置多条插件线及其对应的波峰焊机。采用波峰焊治具，不但能实现同类小板多联过板，还能实现不同功能板多拼过板，提高联装生产线的生产效率
另外某些PCB因设计或材料原因在高温环境下容易产生变形，在波峰焊的预热过程中出现板面翘起现象，造成波峰焊接的困难甚至无法使用波峰进行焊接，而使用波峰治具则可以完全避免此类情况发生
综上所述，无论从质量还是效率的角度，使用波峰焊治具都是一个不错的选择。从成本的角度出发，波峰治具的选取还需要考虑一下几点。
波峰治具选取的初步重点是数量的评估，下面是一个简单的评估方法。
使用方法    计算公式    备注
插件前段开始投入    1×工位数+WS中数量+周转数量    插件前段投入时最少需求量
插件前段开始投入    2×工位数+ WS中数量+周转数量    插件前段投入时一般需求数量
插件前段开始投入    （线体长度+Ws）/治具长度+周转数量    
波峰前开始投入    WS /(工装长度+20mm)+周转数量    不受节拍、链速影响，需求数量较多
波峰前开始投入    （WS+治具长度）/波峰链速/生产节拍+周转数量    需求数量少，但受到节拍、链速影响
注：周转数量一般为10—20个（具体数量应视各公司生产数量与产能来定）
考虑治具数量的同时还必须数值治具的使用寿命以及保养方法，正确的使用及保养方法是节约成本不可忽视的因素
波峰治具的使用寿命与所用材料、设计强度(本身厚度、遮蔽及支撑厚度)和锡温高低，甚至过炉周转时间(由治具数量决定)有关。
.波峰治具常用材料是合成石,国内目前有两种合成石材料。一种是玻璃纤维增强型塑胶，其玻璃纤维含量超过70%，工作温度可达350℃，最高耐温可达400℃，平整度好，感光效果佳，多用在回流焊中；另一种合成石是由由玻璃纤维和高机强度树脂制成的复合材料。工作温度可达360℃—400°C。主要特征为：变形小- 耐高温 - 抗化学腐蚀- 机械强度高- 重量轻。其表面电阻系数为每平方105到109Ω，静电放射非常缓慢，因此确保了组件在生产过程中不被损坏。多用在波峰焊接中。合成石也有材质上的好与差，主要表现在抗静电性能和使用寿命。可以由颜色区分：蓝色合成石最差，黑色合成石中等，墨绿色合成石为最佳。


在实际生产中，合成石治具的使用寿命往往取决于一下几点：
第一点，治具的使用寿命很大部分是由设计就开始决定的.有些PCB在设计是,焊盘与贴片元件很近,而且元件又高,为了保证波峰的上锡效果治具只能设计成很薄的壁,所以寿命很短.
第二点，合成石在过完炉之后，材料本身处于松弛状态，这时如果受到外力作用，其某些薄弱位置就会产生应力，时间一长，就会出现变形和断裂；
第三点，治具上主要材料是合成石，但是还要有压扣、挡锡条、连接的螺钉等非合成石材料，由于它们之间的热膨胀系数不同，在受到外力作用时极容易松脱，如果没有及时进行维修，下次过炉时，螺钉连接处就会容易进锡，时间一长就不好维修了，往往报废的治具就是没法维修使用的。所以，做好治具的维修至关重要。
第四点，尽量避免治具接触强酸或强碱溶液。因合成石对酒精敏感（主要因为合成石是玻璃纤维化合物，与酒精等有机化学反映），故绝对不能用酒精清洗合成石治具（最好的清洗方法是超声波清洗机加清水进行清洗），助焊剂尽量选用中性助焊剂。
第五点，治具重新过炉前保证温度已经回落到40度以下
第六点，波峰焊机轨道太紧或存放过程累叠过高都会使托盘变形导致报废。
总体来说合成石材料的治具使用次数能达到20000次以上
除合成石材料外，环氧玻纤板材料也是波峰治具较常用的类型。此类材料价格较低，是合成石类材料的1/3左右，波峰治具的使用次数也有3000—5000，适用于小批量多种类的中低端产品。
    在拥有众多优点的同时，波峰焊治具也同样有其不可忽视的局限性。波峰焊治具由于其厚度及遮蔽效应的影响也会带来工艺难题。如波峰焊治具选型不当、加工不妥，在波峰焊接中容易出现连焊、漏焊、锡珠和通孔上锡等焊接质量问题。因此在波峰焊治具设计过程中需要注意以下几点：
治具的材质和厚度：根据生产数量及周期选择治具的材质，拼板类治具厚度主要从治具强度方面考虑，通常为4—5mm。防焊功能的治具则要根据PCB板厚度及其在治具的定位深度还有BOTTOM面贴片元件高度来选择，一般在5—8mm。
治具的镶嵌与保护：注意保持治具中PCB的平整，如果PCB与治具之间有缝隙，助焊剂及焊锡就会侵入缝隙，影响焊接质量。PCB嵌入治具后建议略高于托盘上表面，以确保压扣弹力。BOTTOM面的贴片元件保护厚度建议在1mm以上，贴片元件的保护建议应该大于0.5mm
 
治具设计时应尽可能的加大让位，让位边缘坡度及其导锡坡度一般为46°—60°，以方便焊锡的流动，提升焊接质量。
另外，如果不影响BOTTOM面贴片元件遮蔽厚度以及治具强度，建议治具加导锡槽。这些导锡槽将引导焊锡到治具让位的位置，同时也引导焊锡回流至锡槽，提升焊锡的流动性。
随着贴片与插件混装工艺的越来越多，利用波峰焊治具进行波峰焊接的工艺已经得到广泛应用。只要做好PCB设计布局，再辅以相应的波峰焊工艺，波峰焊治具在解决工艺问题中将更加得心应手，在未来的应用也会更加宽广。

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