制氮機在SMT焊接中的應用

　　盡管七十年代初氮氣就已經應用于電子制造，但直到引入了免清洗技術，因其需要在惰性氣體環境中進行焊接，氮氣的使用才得到廣泛的認可。1968進行惰性氣體實驗時，波峰焊接設備都是開放式的。既沒有關于作業者安全和健康的規范，也沒有密封的要求。zui初，在波峰焊中使用氮氣僅僅是為了降低成本，減少或消除氧化渣，減少機器的保養和改進免清洗焊接的性能。

　　氮保護層九十年代初期開發的設備已采用隧道式結構，以形成氮保護層。保護層包圍著波峰焊接傳送帶，阻止空氣從入口和出口進出。隧道腔的垂直高度應盡可能低，密封框架上有窗口，便于觀察焊接過程。也可以取下窗口，接觸機器的內部，對機器進行維護和調整制程流程。在印制板進出的過程中，注入焊接系統的氮氣阻止空氣從開口處進入。因此，氮氣必須維持正壓。一些輕的懸掛活動門鉸接在隧道的長度方向，以減少空氣的侵入。當電路組件靠近時，這些懸掛門可以向上翻轉。當氮氣流出隧道進出口時，所有末端開口的隧道設計都有一些排放氮氣的方法。通常需要平衡這種“廢氣”，以便將房間的空氣送到排氣管，這樣有助于防止廢氣從隧道中抽吸過量的氮氣。注意，此時的關鍵是要降低溫度和減少氮氣的損耗。隧道的長度可以很短，僅履蓋預熱區和焊接槽;也可以是很長，從上料端到下料端。因而，長隧道的設備實際上覆蓋了助焊劑發配裝置、預熱區和波峰焊接區。短隧道與長隧道之間的區別表現在所需氮氣的量上：向系統注入雜質含量為1ppm至2ppm的低溫氮氣時，焊接波峰周圍的氧氣雜質應低于10ppm。與長隧道相比，短隧道消耗更多的氮氣，并且對車間的空氣氣流更加敏感。對空氣氣流的高敏感度往往會導致在波峰中所測量的純度不穩定。不管怎樣，這種裝置一直都在100ppm至200ppm的雜質含量下使用，而且它為焊接制程帶來了明顯的好處。你可以對現有設備進行改裝，使其可以使用氮氣，但這將是一個昂貴、耗時的過程。

　　屏蔽波峰惰性氣體環境中的波峰焊接還有另外一種方法，即采用屏蔽設計制成的護罩，圍繞在焊嘴的周圍直至焊接波峰回落到焊接槽的位置?！皣婌F器”位于護罩底部，供給氮氣。這種方法的主要優點是可以直接接觸系統。在密封的系統中，有可能使表面黏著零配件的表面達到回流焊的溫度，導致焊料回流。如果印制板翹曲或隧道出口處的“簾”接觸了印制板上面的SMD，這種可能性將會增加。另一方面，采用這種“屏蔽”技術，完全消除了波峰焊后周圍區域的溫度問題。Electrovert和Soltec公司已經制造出了在開放式波峰中使用氮氣的焊接系統，他們發現氧化渣的減少同隧道式焊接系統做得一樣好?！捌帘巍钡慕Y果可以與采用電鍍、熱涂或熱風整平印制板的焊接組件所獲得的結果相比。使用這項新技術的另外一個優點是，其氮氣消耗量與zui昂貴的封閉式波峰焊接系統相同，甚至更低。在用于表面黏著焊接的雙波峰系統中，可以對每一個波峰使用獨立的屏蔽罩和氮氣供給控制。系統中沒有焊接組件時，系統可進入等待模式，將焊接波峰設置在較低的高度以減少氧化渣的生成，并停止或降低氮氣的流速。當系統探測到印制板時，它能夠重新激活正常作業控制設置。這種控制機理進一步降低了氮氣消耗量。如果能夠只用一個波峰進行焊接，便可節省更多的氮氣。在隧道系統中，要求噴嘴擴展到焊料槽的邊緣上方到達隧道內。而在屏蔽系統中，噴嘴黏著在系統的下部，對于不需要氮氣也能進行良好焊接的組件允許快速徹底地關閉氮氣。此外在焊料返回到焊槽中這段較短的距離也有屏蔽，焊料濺落的機會也減少了。與隧道設計相比，屏蔽式容易改裝，消耗時間也少。大多數組件的焊接結果是相同的，而且作業成本是所有惰性氣體波峰焊接中zui低的。但是，這些系統要求的維護比隧道式的要多。

　　回流焊中的氮氣在惰性氣體應用于波峰焊接制程之前，氮氣就一直用于回流焊接中。部份原因是在表面黏著陶瓷混合電路的回流焊中，混合IC工業長期使用氮氣，當其它公司看到混裝IC制造的效益時，他們便將這個原理應用到了PCB焊接中。在這種焊接中，氮氣也取代了系統中的氧氣。氮氣可引入到每一個區域，不只是在回流區，也用于制程的冷卻過程?，F在大多數回流焊系統已經為應用氮氣作好了準備;一些系統能夠很容易地進行升級，以采用氣體噴射。

　　在回流焊接中使用氮氣有以下的優點：

　　1.端子和焊盤的潤濕較快。2.可焊性變化少。3.改善了助焊劑殘留物和焊點表面的外觀。4.快速冷卻而沒有銅氧化

　　隨著無鉛制程已提上日程，如何順利導入無鉛化已成為SMT用戶最關心的問題。怎樣選擇最適和自己生產的氮氣源?如何確定氮氣氣氛的具體參數?成本到底增加多少?

　　(一)氮氣源的選擇其實氮氣源的供應方式有好幾種，你可以有氣體分餾塔、向氣體公司購買瓶裝氮、向氣體公司購買液氮和現場制氮(N2 generator)可供選擇。氣體公司或者是N2使用量特別大的公司可以配備氣體分餾塔(N2Distillation)其工作原理是把空氣壓縮，使其液化，然后在利用氮氣、氧氣的沸點不同，將其分餾。這種設備占地面積很大，而且造價昂貴，不適合一般企業。氣量很小的用戶可以向氣體公司購買鋼瓶氮。用高壓鋼瓶儲存氮氣，然后直接運送到用氣點進行使用。瓶裝氮氣具有隨開隨用、靈活方便等優點。但具有危險性高、成本高、運輸儲存麻煩等缺點。如果瓶裝氮已不能滿足目前生產，你就應該向氣體公司購買液態氮氣或者選用現場制氮來獲取所需氮氣。用液氮儲槽或杜瓦罐來儲存液態氮氣，在需要使用時將液氮氣化成氣態氮，經過減壓、升溫后才可使用。液氮具有方便快捷、隨開隨用等特點，但存罐中液氮需經常補充，這也給采購和運輸帶來麻煩與壓力。同時長期大量使用液氮，成本高，運輸麻煩，且受供給源的影響較大總體投資很大?，F場制氮又有膜分離制氮(Membrane)和變壓吸附(Pressure Swing Adsorption)制氮機。膜分離制氮機是在20世紀80年代興起的高科技技術。該設備以空氣為原料，中空纖維膜為分離利用氧和氮在膜組織里滲透速率不同——水和氧氣可以通過而氮氣則不能，從而實現氧氮分離。膜分離制氮機制出的氮氣純度較低，一般為95-99.9%。而且膜分離制氮機能耗大，而且其核心部件——中空纖維膜主要依賴進口，價格高，交貨周期長，設備后續維護麻煩。

　　PSA制氮機主要以碳分子篩為吸附劑，壓縮空氣為主要原料，利用氧氣和氮氣吸附速率不同，碳分子篩優先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中，實現氧氣和氮氣的分離，得到我們所需要的氣體。利用這種變壓吸附的原理和工藝，采用雙吸附塔并聯交替進行吸附，一塔工作一塔再生，連續產氮。一次性可能取純度為98-99.99%的合格產品氣(東莞市特洛伊氣體設備有限公司生產的特洛伊品牌制氮機一次性提取純度可達98-99.995%)。PSA制氮機制出的氮氣若經過氮氣純化裝置可進一步深度除氧，可得到99.9999%，即氧含量在1ppm以下的高純度高品質氮氣。

　　(二)怎樣確定氮氣氛的具體參數SMT用戶在決定使用氮氣之前，先確定爐子中的氮氣純度(幾個九，或氧含量的ppm的值)，再確定制氮機出口純度。氧化反應的充要條件是氧分子的存在，同樣條件下氧含量越高，氧化反應越激烈;反之氧含量越低，氧化反應越微弱。當然氮氣純度越高越好，但應考慮投資成本與產品的不良率和返工量的平衡。目前大多數的電子廠尚包括鴻海精密股份(臺灣富士康)都選擇：99.99%即氧含量小于100ppm,也有選擇：99.9%即氧含量小于1000ppm，少數選擇：99.999%既氧含量小于10ppm。所以確切的純度應根據產品的檔次、允許的不良率、公司政策、產品對浸潤性的要求等因素決定。確定了爐子中氮氣純度后，再確定制氮機出口純度，通常制氮機不與SMT生產線一起放在車里，而是放在屋頂，或車間外，通過管道輸入爐子，之間有很多個連接口，很有可能造成氮氣純度下降，所以制氮機的出口純度也要有余。并且單位時間的耗氣量(通常以每小時多少立方米計算)不同品牌、不同型號的爐子耗氣量也不同，輸入PCB的尺寸不同耗氣量也不同，鏈條轉動的速度不同耗氣量也不一樣，所以確切的耗氣量要以現場實驗為依據。

　　參考案例：XXXOEM企業使用的純度為99.99%制氮機出口氧含量<=100ppm>一期工程一臺：用于一條回焊爐生產線。純度為99.99%，產氣量為20m3/h氮氣系統二期工程三臺：用于三條回焊線爐生產線。純度均為99.99%，產氣量為20m3/h氮氣系統。三期工程四臺：用于四條回焊爐生產線。純度均為99.999%，產氣量為100m3/h氮氣系統。(一)成本分析下面以一套純度為99.99%，產氣量為20m3/hr的氮氣發生機用于一條SMT生產線，作出簡要經濟性分析與比較如下(電費按0.6元計算，一年運行8000小時計算)：1、液氮使用成本市場上的液氮約為1200元/噸，可氣化成純度為99.99%，780m3的氣態氮，購買1m3的氮氣價格是1.4元。如果加上液氮儲罐的租金、汽化器的購置費、每年人工的費用等，使用1m3氮氣的成本接近1.6元。2、PSA制氮機的使用成本現場PSA制氮機的使用成本主要是電能的消耗，電能的消耗主要來自以下幾個方面：空壓機：空壓機的額定功率為22kw，消耗功率約為額定功率的80%左右，即為：17.5kw左右冷凍干燥機：冷凍干燥機的額定功率為1kw。制氮機：制氮機的原料是壓縮空氣，而制氮機本身基本不耗電，其主要是儀表用電，額定功率大約為0.05kw。每年電費總計：(17.6+1+0.05)×8000×0.6=9.12萬人工費：無需專人職守，可忽略不計。設備折舊費：設備投資按20萬元計算，每年折舊2萬元。每年的費用為：(9.12+2)=11.12萬每立方氮氣成本112000÷800÷0.6=0.7元 兩種用氮氣方式每年差價為20×8000×(1.7-0.7)=16萬元所以PSA制氮機投資回收期僅為10個月。(即16÷20) 變壓吸附制氮機避免高費用的瓶裝氮氣，杜瓦罐所帶來的不方便性，同時氮氣的供應也沒有必要依賴零售商，避免壓力較高的瓶裝氮氣帶來的危險，以及氣體供應中斷帶來停產的損失，變壓吸附制氮機長期穩定低費用的運行可避免不可控的氣體價格上升，租賃高昂的低溫儲槽費用，并且操作簡單，又無須另備儲氣罐，能在短時間內收回成本。無需專人維護，維修也簡單。因此，一旦安裝了PSA制氮機我們就可隨心所欲地從空氣中提取氮氣。