制氮机氮气保护在无铅回流焊工艺中的应用

第一部分 无铅焊接与氮气
 
为什么要导入无铅工艺：
  铅是一种有毒的重金属，人体过量吸收铅会引起中毒，摄入低量的铅则可能对人的智力、神经系统和生殖系统造成影响，全球电子装联行业每年要消耗大约６００００吨左右的焊料，而且还在逐年增加，同此形成的含盐的工业渣滓严重污染环境，因此减少铅的使用已成为全世界关注的焦点，欧洲、日本许多大公司正在大力加速无铅替代合金的开发，并已规划在２００２年开始在电子产品装配中逐步减少铅的使用。（传统的焊料成份６３Ｓn/３７Ｐb，在目前的电子装联行业，铅被广泛使用）
  欧盟组织２００６年开始逐步导入无铅工艺（医疗电子行业推迟到２００８年），７月之前全面导入无铅工艺。电子整机行业的无铅化技术发展是国际信息产业工业发展的必然趋势，我国信息产业部也要求在２００６年７月１日前，全国实现电子信息产品的无铅化。
 
导入无铅工艺为什么用氮气：无铅化对再流焊设备提出了许多新的要求，主要包括：更高的加热能力、空载和负载状态下的热稳定性、适合高温工作的材料、良好的热绝缘、优良的均温性，氮气防漏能力、温度曲线的灵活性、更强的冷却能力待。
 
无铅化电子组装中使用氮气的必要性有以下几点原则：
１、满足欧美和日本等客户的要求时；
２、使用高温焊膏或固体、低活性（免清洗、低残留）焊膏时；
３、钎焊比较昂贵的集成电路元器件、小体积元器件、细间距元器件、倒装芯片和不可以反修元器件时；
４、多次过板组装工艺或钎焊带有ＯＰＳ镀层的ＰＣＢ多次再流时；
５、钎焊无保护膜铜焊盘或储存时间较长的电路板或可靠性。
  由于使用了氮气，就需要对炉子进行投资主考虑耗用的氮气量、氮气源选择和氮气的价格，而且，了解后者更为重要。事实上，在焊接工艺中使用特殊气氛惰性氮气氛，可以使用焊接的产品在焊接过程中不会产生缺陷，能够一次通过测试验收，这样即节省了邮缺陷带来的返修成本和劳动力成本，也节省了工艺时间。虽然选购氮气氛需要花费一定的资金，但比起焊缺陷带来的返修成本要低得多。
  使用氮气对焊接的好处：在回流焊中使用惰性气体保护，已有较久历史了，并已得到较大范围的应用，一般都是选择氮气保护。
 
氮气回流焊有以下优点：
1）防止减少氧化；
2）提高焊接润湿力，加快润湿速度；
3）减少锡球的产生，避免桥接，得到列好的焊接质量，特别重要的是，可以使用更低活性助焊剂的锡膏；
4）也能提高焊点的性能，减少基材的变色。
 
第二部份 无铅焊炉用氮气配置
对于每台焊接炉的氮气流量，我们通常这样配置：
回流焊接炉：15-25m3/h
波峰焊接炉：15-18m3/h
 
另外有些特殊规格按实际流量计算。
氮气纯度：≥99.99%
氮气压力：0.4Mpa   0.6Mpa
氮气露点：-40℃--60℃
 
焊接用氮气来源和方式
  氮气源的供应要考虑实际生产量而定，对于小批量生产，而且不间断更换生产线的企业，可以采用罐装液氮作为发生器，反之就要采有氮气发生器来提供氮气。
  当氮气使用量很大，而且需要货源非常稳定时，运用PSA技术制取氮气的现场院发生器就更为安全稳定经济实用了，所以大批量生产一般不推荐采用罐装液氮。可根据实际生产量灵活搭配，生产柔性系数大，对于小批量，间断性生产采用罐装液氮较为合适。使用液氮其缺点也是很明显的，需要停机进行氮气更换，压力不稳，使用到最后压力不足，氧含量会随之升高，而现场制氮装置却可以完全避免以上缺点。
  对于个企业来讲，怎么样进行决策，应该根据实际的生产量、生活长期性等因素来决定，择优选择。
 
两种供氮方式成本分析：
  资本估算是可以量化，而在具体的生产中，实际资本投入一般要大于上述估算值。为了比较两种氮气供应系统的优缺点，暂不考虑不可量化因素。假设一电子组装厂现有生产线15条，要进行无铅回流焊生产工艺，下面对其旧生产线改造投资成本进行简单的估算。
 
1）生产时氧含量控制在1000*10-6左右，每台再流焊设备每小时消耗氮气25m3，则15要线第小时共需要消耗氮气375m3。氮气供气方式采用“一拖三”，接口处压力取0.6MPa，氮气源所需纯度为99.999%。所需氮气发生器共5套，每套设备价格约45万元，则氮气发生器设备投入成本：M1=45*5=225（万元）
 
2）氮气发生器每小时耗电量为55KW，设备服役期按照3000h（十年）计算，工业用电按照0.6元/度计算，则服役期内工业用电费用：M2=5*55*30000*0.6=49.5万元
 
3）假设每年使用一套消耗品，那么服役期内所需要消耗品总费用为：M3=0.5*（5*5-5*1）=10（万元）
 
4）占地费用暂不考虑，则无铅氮气保护再流焊氮气总资本投入：M=M1+M2+M3=225+49.5+10=284.5万元
 
5）每台炉子每小时消耗氮气成本：M=284.5/(30000*15)=6.3(元/h)
  如果使用罐装液氮，每台炉子每小时消耗氮气375m3，每立方液氮可以汽化为643m3氮气，则每立方液氮可以供应生产时间约为：T=VA/VN=643/375=1.7(小时)
  每台炉子每小时的成本消耗为：M7=1000/（1.7*15）=39.2(元/小时)
  则每年15套炉子可节约成本=（39.2-6.3）*15*3000=148(万元)
  焊接用制氮机配置方式
  采用深圳汇通公司提供的制氮机供气，一般实行“一拖三”（即一台制氮机供三台炉子）。使用时要考虑到留有1015%的余量。如果一台炉子耗氮量为30m3/h，那么制氮机的流量应为30*3*1.15=103.5m3/h。由于氮气流量与纯度成反比，考虑实施一拖几的时候，并非拖的越多越好，一般选择“一拖二”、“一拖三”、“一拖四”。另外考虑到降低风险系数，尽可能采用制氮机组，防止出现故障。