現(xiàn)有封裝生產(chǎn)線的改造問題
現(xiàn)有封裝生產(chǎn)線的改造問題 | |||||||
徐波1,2,王樂1,2,史建衛(wèi)2,袁和平2 | |||||||
(1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點試驗室,黑龍江 哈爾濱150001 2、日東電子科技(深圳)有限公司,廣東 深圳 518103) | |||||||
1 無鉛再流焊設(shè)備的改造原則 實施無鉛化電子組裝,許多企業(yè)并不主動,而是在各種壓力下才轉(zhuǎn)為無鉛技術(shù),壓力主要包括法令規(guī)定、環(huán)保意識、市場利益、用戶需求,有害物質(zhì)管理處理和無鉛技術(shù)方面等。 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(fù)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、更強的冷卻能力等。 目前國內(nèi)市場存在成千成萬舊生產(chǎn)線,如果要全部通過購買新設(shè)備更換來實施無鉛化改造,對設(shè)備制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(fù)擔(dān)。目前一臺新的再流焊設(shè)備一般在30萬左右,再加上附加功能,如快冷、氮氣保護(hù)等,費用相當(dāng)大。對于電子組裝廠,尤其是利潤較低的企業(yè),力求尋找一些簡單的改造方法來迎接無鉛化的挑戰(zhàn)。面對這樣的問題,根據(jù)舊生產(chǎn)線設(shè)備的特點和新產(chǎn)品的要求,對舊生產(chǎn)線可以從以下所述進(jìn)行改造。 2 加熱系統(tǒng) 在選擇無鉛熱風(fēng)再流焊設(shè)備時,加熱系統(tǒng)是非常重要的一個性能指標(biāo),其中包括加熱效率、溫控精度、溫度均勻性以及穩(wěn)定性等。 2.1 溫度高效性 溫度高效性是熱傳導(dǎo)效率的一個直接反映。熱傳導(dǎo)率高,設(shè)備的設(shè)定穩(wěn)定和實際穩(wěn)定就相差較小,溫度補償能力快,生產(chǎn)柔性系數(shù)就大,可以適用不同的生產(chǎn)量,不同熱容大小的產(chǎn)品,如果溫度高效性不好,實際的無鉛焊接峰值溫度240℃,設(shè)定溫度就會達(dá)到290℃甚至更高,導(dǎo)致高溫下熱風(fēng)電動機的使用壽命減少,溫度高效性是一個很重要的參數(shù),它決定了設(shè)備是否能做到無鉛化生產(chǎn)要求。 2.2 溫度均勻性 當(dāng)溫度曲線穩(wěn)定之后,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共晶釬料的溫度均勻性要求為±5℃,而無鉛釬料的溫度均勻性要求為±2℃。 2.3 溫度穩(wěn)定性 無鉛再流焊爐必須具有穩(wěn)定的溫度曲線,如果溫度曲線不穩(wěn)定,就沒有可靠穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量保證,目前一些電子制造商在生產(chǎn)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(wěn)定性,而先進(jìn)的設(shè)備制作商已開發(fā)出一套溫度監(jiān)控系統(tǒng),對爐體內(nèi)各溫區(qū)實際溫度進(jìn)行實時監(jiān)控,確保溫度曲線穩(wěn)定性。 加熱系統(tǒng)改造應(yīng)注意以下幾個方面: (1)如果舊設(shè)備為上下兩面同時加熱的各模塊獨立控制強制熱風(fēng)對流系統(tǒng)、爐腔隔熱系統(tǒng)良好,且熱風(fēng)電動機能承受300~350℃高溫,此設(shè)備具有較強的加熱效率,容易實現(xiàn)較高的峰值溫度,可用于無鉛化生產(chǎn)。 (2)如果舊設(shè)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(fēng)對流系統(tǒng),爐腔隔熱系統(tǒng)不良且熱風(fēng)電動機不能承受300~350℃的高溫,此設(shè)備加熱效率較低,達(dá)到較高峰值溫度較難,一般不適合無鉛化生產(chǎn)。 (3)如果舊設(shè)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(fēng)對流系統(tǒng),且加熱模塊容易增加、更換和維修,熱風(fēng)電動機能承受300~350℃高溫,此設(shè)備可通過適當(dāng)?shù)脑鎏砑訜崮K來提高熱效率,可以用于無鉛化生產(chǎn)。 (4)如果舊設(shè)備帶有紅外加熱系統(tǒng),此設(shè)備溫度均勻性較差,不能滿足無鉛化生產(chǎn)所需溫度均勻性要求,一般不適合無鉛化生產(chǎn)。 3 冷卻系統(tǒng) 無鉛化后再流焊峰值溫度升高,在同等條件下產(chǎn)品出口溫度升高,不便于焊后工人檢測,這就要求快速冷卻以達(dá)到新工藝的要求,另外一些研究表明,快速冷卻可以細(xì)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(shè)備一般采用循環(huán)水冷系統(tǒng),并配有一臺制冷機進(jìn)行強制冷卻。相應(yīng)地,設(shè)備的價格要增加3萬左右,而且還要占用一些資源。 冷卻系統(tǒng)改造應(yīng)注意以下幾個方面: (1)如果舊設(shè)備為強制風(fēng)冷進(jìn)行冷卻,其冷卻速率一般為1~2℃/s,此設(shè)備一般不能滿足無鉛化生產(chǎn),如果設(shè)備冷卻系統(tǒng)可更換,那么就可以方便升級為水循環(huán)冷卻,用較低的成本來進(jìn)行無鉛化生產(chǎn)。 (2)如果舊設(shè)備為水循環(huán)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(chǎn),對特殊要求的溫度曲線,如冷卻速率要求大于4℃/s就不能滿足,需要將冷水管與外界冷水機連通進(jìn)行升級或更換,其冷卻速率可達(dá)到4~6℃/s。 4 助焊劑管理系統(tǒng) 無鉛化后助焊劑污染由于高溫氧化的影響而顯得格外明顯,無鉛再流焊設(shè)備一般都配有助焊劑管理系統(tǒng),防止還有大量助焊劑的高溫氣流進(jìn)入冷卻區(qū)而凝結(jié)在散熱片和爐體內(nèi),降低冷卻效果并污染設(shè)備。圖1為助焊劑管理系統(tǒng)示意圖。 上述系統(tǒng)是把含有大量助焊劑的高溫氣流從預(yù)熱區(qū)、再流區(qū)及冷卻區(qū)前抽出,經(jīng)過體外冷卻過慮系統(tǒng)后,把干凈的氣體送回爐內(nèi),這樣做還有一個好處就是使用氮氣保護(hù)時形成閉循環(huán),防止氮氣消耗。此系統(tǒng)改動較大,一般難以升級,如果生產(chǎn)量不是很大,助焊劑污染程度小,可以定期進(jìn)行清理而不用替換。 5.1 氮氣使用原則 無鉛化電子組裝中并不是一定要氮氣保護(hù),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; 5.2 再流焊設(shè)備氮氣系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn) 衡量再流焊設(shè)備氮氣系統(tǒng)可用殘余氧氣含量最低值和氮氣消耗量來評價此系統(tǒng)的性能。殘余氧含量一般采用氧分析儀進(jìn)行測試,測試氧含量有兩個指標(biāo),即穩(wěn)定程度和最低氧含量。最低氧含量與氮氣源純度有關(guān),使用高純度氮氣源時,一些較好的設(shè)備可以降到50×10-6或更低。氮氣消耗量與所需氧含量和設(shè)備防漏能力有關(guān):一般氧含量越低,氮氣消耗量越大;設(shè)備防漏能力越差,氮氣消耗量越大。目前市場上的再流焊設(shè)備在氧含量為500×10-6時,氮氣消耗量一般為25~35m3/h。 舊生產(chǎn)線實施無鉛氮氣保護(hù)時,再流焊設(shè)備面臨改造和替換兩種選擇。如果原有再流焊設(shè)備為過渡、可升級型,那么氮氣系統(tǒng)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(shè)備的設(shè)計和加工在機架結(jié)構(gòu)、氣密性、氮氣系統(tǒng)的添加部件(比如氧分析儀,氮氣調(diào)節(jié)閥)等方面是不可以升級的,即勉強能改造,其效果也不能達(dá)到預(yù)期的目的,設(shè)備的穩(wěn)定性和效率都有待探討,圖2為具有氮氣保護(hù)功能的加熱模塊結(jié)構(gòu)。 再流焊爐氮氣系統(tǒng),目前國內(nèi)外已有成熟的技術(shù)得以應(yīng)用,主要有5種:一是采用可變的風(fēng)扇速度來降低N2消耗;二是爐內(nèi)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(dāng)爐中沒有PCB板通過的時候,系統(tǒng)會自動減小風(fēng)扇速度、空氣循環(huán)和氮氣供應(yīng);三是可以在智能控制時精確的調(diào)節(jié)對流速率,從而減小N2的消耗;四是可以通過減小爐子開口、出口和采用閉環(huán)氮氣控制系統(tǒng)來減小N2消耗。爐子開口被定制為最小可通過元器件的尺寸,被抽進(jìn)爐體中的氣體越少;五是安裝一個簾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(jìn)出。同時內(nèi)部設(shè)計的改造可以使氣體以很薄的氣流方式流動,并且沒有犧牲熱效率。 日東電子科技(深圳)有限公司,是國內(nèi)首家生產(chǎn)無鉛再流焊爐的設(shè)備商,氮氣保護(hù)系統(tǒng)綜合上述四和五的優(yōu)點,研發(fā)出國內(nèi)第一臺無鉛再流焊設(shè)備NT-8N-V2。設(shè)備采用爐子出口和入口安裝硅膠簾或高溫材料,并具有可調(diào)的進(jìn)出口尺寸,減小氮氣的泄漏和消耗,見圖3。設(shè)備還配備了閉環(huán)氮氣控制系統(tǒng),氧含量檢測系統(tǒng),進(jìn)而對氮氣消耗量進(jìn)行控制。 5.3 氮氣供應(yīng)系統(tǒng) 實施氮氣保護(hù)時,一般要求氧含量在(100~1000)×10-6之間[2],這對氮氣供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成參考依據(jù)。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(yīng)方式主要有2種:液態(tài)罐裝氮氣和制氮機產(chǎn)生氮氣。 (1)液態(tài)罐裝氮氣 液態(tài)罐裝氮氣是用大型制氮設(shè)備制造出氣態(tài)氮氣,然后經(jīng)過高壓超低溫處理(500MPa,-180℃)使其轉(zhuǎn)化為液氮,氮氣源純度一般為9.999%,一噸液氮相當(dāng)于常溫長壓下780m3的有效氮氣。 (2)制氮機產(chǎn)生氮氣 膜分離制氮機。單位時間的產(chǎn)氣量小,只適合配套單臺爐,可達(dá)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。采用不同的流程技術(shù),分離空氣中的氮氣,直接產(chǎn)生高純氮氣供給設(shè)備使用。這種系統(tǒng)提供氮氣流量為1~2000m3/h,純度范圍一般為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(chǎn)出低純氮氣(純度一般為99%),再用"氫除氧"工藝凈化,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(wěn)定流量的氮氣。 5.4 氮氣系統(tǒng)配置 如果使用PSA制氮機,生產(chǎn)出來的氮氣可直接供設(shè)備使用;如果使用罐裝液氮供應(yīng),由于氮氣溫度極低,使用時需要一個氣化過程:減壓、升溫。一般需經(jīng)翹片管汽化器后,通過50m長的金屬管道提供給再流焊設(shè)備使用,如圖4。 每臺再流焊設(shè)備與氮氣源接口處都有壓力要求,這在操作手冊中有標(biāo)明,這個壓力通常為0.55MPa,0.75MPa,對應(yīng)制氮機的出口壓力就應(yīng)為0.60MPa,0.80MPa(因在遠(yuǎn)距離傳送過程中會有壓降產(chǎn)生)。 生產(chǎn)時如果采用液態(tài)罐裝氮氣,一般都是"一拖一",如果采用制氮機供氣,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(fēng)險系數(shù),盡可能采用制氮機組,防止出現(xiàn)故障。氮氣罐的儲氣量與內(nèi)壓之間有以下關(guān)系[3]: 其中:Va為實際儲氮量,Vs為實際用氮量,Pa為實際罐內(nèi)壓力。使用時要注意調(diào)節(jié)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(guān),一般可通過所需氧含量要求來選擇具體的氮氣供應(yīng)方式和制作工藝。氮氣源純度選擇時應(yīng)該先確定生產(chǎn)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(yīng)設(shè)備中最低氧體積含量為1000×10-6、100×10-6和10×10-6。 生產(chǎn)成本與氮氣消耗量有關(guān),而氮氣消耗量與所需氧含量有關(guān),圖5為Alan Tae等人對氧含量與生產(chǎn)生本進(jìn)行的一個評估,可以看出當(dāng)氧含量低于700×10-6后,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 采用氮氣保護(hù)生產(chǎn)成本估算 目前國內(nèi)市場舊設(shè)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(shè)備的市場價格為25~30萬元,配套氮氣供應(yīng)系統(tǒng),成本會更高,而這對于流動資金不足或低利潤電子制造或組裝廠,比如家電生產(chǎn)商,是一個很大開支。 5.6.1 氮氣發(fā)生器供應(yīng)系統(tǒng)成本估算 (以下成本估算各計算式中凡下標(biāo)R表示回流爐,下標(biāo)O表示氧氣,下標(biāo)N表示氮氣,下標(biāo)E表示用電價格,下標(biāo)M表示設(shè)備,下標(biāo)S表示消耗品) (1)再流焊設(shè)備成本 (2)氮氣發(fā)生器選型 (3)氮氣發(fā)生器成本 (4)電能消耗成本 (5)氮氣供應(yīng)系統(tǒng)消耗品成本 (6)工業(yè)用地成本 (7)無鉛氮氣保護(hù)再流焊總資本投入: (8)每小時消耗成本 5.6.2 罐裝液氮供應(yīng)系統(tǒng)成本估算 常用罐裝液氮公稱工作壓力為115kg,氮氣摩爾質(zhì)量為28g/mol,即一罐液氮在室溫下的體積為: VA=115÷28×22.4=92(m3) 考慮使用后留有10~15%的余量,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(shè)每臺再流焊設(shè)備每小時消耗氮氣量為VN,則每罐液氮可以供應(yīng)生產(chǎn)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(chǎn)中,實際資本投入一般要大于上述估算值M。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(jìn)行無鉛流焊生產(chǎn)工藝,下面對其舊生產(chǎn)線改造投資成本進(jìn)行簡單的估算。 (1)再流焊設(shè)備投入成本:M1=15×30=450(萬元); (2)生產(chǎn)時氧含量控制在1 000×10-6左右,每臺再流焊設(shè)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65萬元,則氮氣發(fā)生器設(shè)備投入成本: M2=65×5=325(萬元) (3)氮氣發(fā)生器每小時耗電量為50kW,設(shè)備服役期按照30 000h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: M3=5×50×30000×0.6=45(萬元) (4)假設(shè)每年使用一套消耗品,那么服役期內(nèi)所需消耗品總費用為: M4=0.5×(5×5-5×1)=10(萬元) (5)占地費用暫不考慮,則無鉛氮氣保護(hù)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(yīng)生產(chǎn)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(chǎn)附加成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮氣發(fā)生器成本,所以大批量生產(chǎn)一般不推薦采用罐裝液氮,而罐裝氮氣并不是沒有優(yōu)點,一次性投入資本小,使用方便,占地面積小,可根據(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)較為合適。其缺點也是很明顯的,需要停機進(jìn)行氮氣源更換,壓力不穩(wěn),使用到最后壓力不足,氧含量會隨之升高,對于一個企業(yè)來講,怎樣進(jìn)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。 (1)舊設(shè)備改造是無鉛化電子組裝面臨的一個大問題,對于舊設(shè)備的改造,各電子組裝廠應(yīng)該根據(jù)自己舊設(shè)備的特點和新產(chǎn)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(hù)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(hù)對無鉛再流焊工藝有一定的改善作用。 (3)在使用氮氣保護(hù)的條件下,需要建立無鉛氮氣保護(hù)系統(tǒng),這需要從再流焊設(shè)備和氮氣工藝系統(tǒng)兩方面著手。對于再流焊設(shè)備而言,要增加氮氣供應(yīng)接口和防止氮氣泄露相關(guān)措施,另外還需氧含量檢測設(shè)備,氮氣輸入管道等等。 |
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