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无铅回流焊机采购要兼顾性能、成本和维护剖析


    

     目前,中国成为全球电子信息产品制造基地已经是一个不争的事实,而且这一地位在今后较长一段时间内将不会改变。中国生产的程控交换机、手机、彩电、空调、电冰箱、激光视盘机、组合音响等产品产量已位居全球第一位。毫无疑问,随着SMT技术在计算机、网络通信、消费电子以及汽车电子等产品中的广泛应用,中国的SMT产业正迎来发展历史上的黄金时期。

  2007年中国将成为全球重要的SMT设备制造基地之一2004年中国SMT产业增长了59.5%,产业规模达到40.3亿元,是2000年产业规模的12倍。同时从季度增长来看,2004年各季度的同比增长均保持在40%以上。由于受下游产业的拉动,二季度中国SMT产业单季规模首次突破10亿元,同比增长60.2%。而三季度的同比增长更是达到了73.1%,产业规模达到了12.7亿元。四季度由于受全球产业环境和国内需求的影响,产业增幅稍有下滑,但产业单季规模仍保持在10亿元队上。同时,我们预计2005-2009年中国SMT产业的年均复合增长率将达到57.2%,到2009年中国SMT产业规模将达到423.5亿元。届时中国将成为全球重要的SMT设备制造基地之一。

  中国SMT产业发展现状与趋势剖析
  未来几年内中国SMT产业的高速发展主要源自于以下几个方面的重要原因:
第一,中国电子信息产品制造产业在全球的地位短期内仍无法撼动,而且还将继续保持较高的增长速度。虽然目前全球手机、笔记本电脑和数码相机等产品的生产制造已经陆续完成向中国的转移,但是这并没有意味着未来中国的电子信息产品制造业缺乏新的增长点。从目前来看,下一波转移的重点将是全球汽车电子产品制造业。而且,即将到来的2008年北京奥运会也将为产业上下游带来新的商机。

  第二,全球大型EMS生产商将保持向中国转移或扩产的趋势。面对激烈的市场竞争,全球主要EMS生产商从2002年起都相继开始了生产基地的战略转移,而有着庞大内需市场又能实现低成本制造的中国大陆自然成了这些EMS大厂的首选之地。迄今为止,包括Flextronics、 Solectron、Samina-SCI、Jabil、 Celestica等全球5大EMS服务商都已经在中国设厂,而且中国业务在全球EMS大厂的营收比例还在快速提升之中。

  第三,片式元器件使用量的高速增长也必将带动市场对SMT设备需求的持续扩大。目前中国电子元器件的片式化率虽已超过60%,但相对国际上电子产品的 SMT化率90%而言,仍然存在一定的差距,因此中国SMT产业仍有良好发展空间。

  第四,在中国市场日趋重要的情形下,全球主要贴片机生产商开始大幅提高在中国本地化生产水平,纷纷将核心设备贴片机生产转移到中国来。我们分析预计,全球贴片机产能在中国布局的完成时间将在2007年前后。这也带动了中国SMT产业整体的水涨船高。

  产业结构将从以焊接设备为主导向以贴片机为主导进行升级
  现阶段中国SMT产业仍主要以焊接设备、检测设备和印刷设备等配套产品生产为主。由于技术和稳定性等原因,尽管国内部分企业目前已经研制出了全自动贴片机样机,但是一直都没有推出通过中试的成熟产品,实际生产销售的主要还是手动贴片机。另外,主要国外企业虽然也已经纷纷进入中国,但是其核心贴片机的生产仍主要还是在国外进行,国内主要负责周边配套设备的生产以及贴片机的维护、调试等服务工作。

2006年7月1日起,欧洲WEEE(电气与电子设备废弃物)指南明确规定,禁止进口含铅的电子产品,并将最高含铅量(以重量计)不超过1000ppm的产品标记为“绿色环保”产品。业界必须研发出理想的焊料和相应的处理设备,以满足现阶段无铅生产的要求。

 
更新设备要付出昂贵的花费,同时锡-银-铜(Sn-Ag-Cu)合金也有望成为一种无铅焊料。这种变化也改变了传统焊接工艺,因此采购无铅回流焊必须对设备和工艺的新特点有深刻的认识,同时不但要考虑初期投资费用,还应该注重设备的长期成本。另外,无铅回流焊的维护便利性可减少生产时间和降低维护成本,所以在采购时应该重视无铅回流焊的维护便利性。
 
    无铅焊料高熔点使工艺窗口变窄
 
    260℃为回流焊炉的危险温度,多数元件的测试温度不会超过这一点,因此可以将它认为是回流焊工艺的温度上限。要正确地进行回流焊,焊炉的峰值温度要最少比合金的熔点高15℃。锡-铅(Sn-Pb)焊料的共熔温度曲线峰值为225℃,高于熔点42℃,低于危险温度35℃。因此,焊炉温度应设定为230℃到280℃之间。所选无铅回流焊最高额定温度只要达到300℃,就能满足峰值温度要求。
 
    锡-银-铜合金的峰值温度为245℃,高于熔点28℃,低于危险温度15℃。这使得工艺窗口几乎减小了50%,因此温度控制要严格。锡-银-铜合金的峰值温度为245℃,根据无铅工艺的温度曲线,焊炉温度必须设定为约280℃到325℃。多数无铅回流焊设备的最大额定温度为350℃,也符合采购需要。
 
    加热时间对回流焊的影响也极大,它是由加热器的总长度所决定的。产品加热时间长,其温度越高。对于大件的产品,如果将传送带的速度降低10%到15%会获得较好的无铅回流焊温度曲线,但降低生产率会降低。即使额定温度为325℃(甚至300℃)的焊炉也可以不经过任何改动而用于无铅回流焊,视产品的体积大小而定。如果产品体积大同时散热器面积大,则需要速度较慢、炉腔较长及额定温度高达350℃的焊炉。
 
    控制对流需要闭环式静压控制
 
    对流是热传导过程的相当重要的因素,而静压是衡量回流焊炉对流情况的标准。静压的产生与焊炉加热舱的热传导量直接关系。通过用一块大尺寸四方扁平封装(QFP)、塑料引脚芯片载体(PLCC)和小尺寸的小引脚IC(SOIC)的15英寸×11英寸×1/16的电路板进行测试。我们在不同尺寸的元件中装了四个热电偶,用来检测静压是如何影响不同尺寸元件的峰值温度的。当静压减小时,这块带有各种元件的测试板的峰值温度变化了大约7℃。对静压加以闭环式控制可将对流设置为希望值。此外,使用静压控制器后,无论焊炉是以50Hz还是60Hz的交流电工作,其静压均相同。
 
    热性能对无铅回流焊至关重要
 
    回流焊炉的对流情况与其喷嘴结构、气压和所用气体有关。对流较强时则要求焊炉温度较低,以便热传导均匀。因此选择热性能好的无铅回流焊炉十分重要。
 
    典型的循环对流有三个基本步骤,即吸气、加压和传送。在任一步骤置入加热器均可进行加热。在不同的步骤加热,焊炉相应部位的加热特征也不同。吸气步骤加热,气体密度相对较低,加热会比较缓慢。在加压过程中加热,气体的密度较高,与气体分子的碰撞加剧,加热速度最快。在传送步骤加热需要板状加热器,要求气流必须十分缓慢,这样才能均匀的加热。但由于加热器面积较大,在需要突然升温时加热系统会反应较慢。
 
    相比初期成本,长期拥有成本更重要
 
    拥有成本可从多个方面来考虑。不过,我们应该关注设备的长期收益,而不是折旧成本。相比之下,长期拥有成本更重要,它决定了相关的运转费用及维护成本。拥有成本主要包括三个方面:加热效率及热损耗、维护成本和资源损耗。产生热损耗是自然的,损耗量的多少与焊炉的绝缘质量和设计用途用关。绝缘好的无铅回流焊炉有助于保持热量并减少焊炉的工作量。热传导效率较高,加热器只需要少量工作便可提供所需热量。绝缘质量好的焊炉还可减少辐射到环境中的热量并降低相关成本,因为如果环境温度上升,为了散热就会导致空调的耗电量增加。
 
    焊炉维护是拥有成本的另一个部分。频繁维护增加了劳动成本,也占用生产时间。回流焊工艺的唯一副产品是焊炉内会堆积焊料,需要经常清洁。
 
    第三项成本是资源损耗,包括用电量和用氮量。用电量的多少由加热效率而定。对于某件产品而言,将其冷却与加热所需的电力一样。氮是一种保护气体,可防止金属在回流焊过程中过度氧化。此外,氮气的热传导性比空气更佳。使用氮气可获得更大的工艺窗口,同时保持最佳的可焊性,因此,我们希望焊炉能够以细小的精度控制氧气不出现波动。选择可控制焊炉中的废气、优化或缩小炉腔大小、扩展炉腔入口及在可接受的氧浓度下焊接产品的回流焊设备,可以减少焊炉的氮气使用量。
 
    设备可维护性也是采购的关注点
 
    在回流焊的高温下,约有50%或更多的焊料会汽化进入炉体。由于焊炉的生产率较高,因此如果它的设计不利于清洁,维护十分麻烦。
 
    无铅工艺所需的温度增高,堆积的焊料也会更多,需要加以控制或简化维护。因此,选择焊炉设计得易于更换维护的设备十分重要。如果能够方便地用干净部件替换污染部件,就可以尽可能短得占用生产时间。


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