立体工件的批量上锡转化技术

吕晓胜

京信射频技术（广州）有限公司，广东 广州 510700

移动通信在我国发展十分迅猛，我国跻身是基站天线强国，已连续多年全球市场销售量占比超过50%；
现在我国已经建设了一张十分优秀的4G网络，伴随着网络信号的普及，特别是网上购物、移动支付、导航、短视频、社交软件等应用，给人们带有极大的便利。随着2G/3G/4G/5G迭代商用，为满足基站天线的共站共址需求，适应多个网络系统的多制式多频共用天线与日俱增，其天线的结构复杂程度和质量控制要求难度大。移动通信现在处于后4G和5G时代，天线产品呈现高集成、高性能、多频段特点。其中核心部件辐射单元的结构复杂程度越来越高，单副产品的辐射单元数量越来越多，单个辐射单元的焊点数量越来越多、且呈现在不同的维度上；
这给辐射单元的批量化焊接和质量管控，造成相当大的冲击和困扰[1]。

1.1 辐射单元产能需求

在天线制造中，核心部件辐射单元的由于结构复杂、焊点较多、产能需求非常大，每天需要生产几万个这样的辐射单元。单个辐射单元的装配及焊接工时评估，综合按照每个辐射单元15个焊点，以及每个焊点的焊接时间需要4s来核算。这样一个辐射单元的焊接时长就需要60s。整体测算下来，一个人1h也就产出60个，即一个人一天产出600个（工作时长按照10h统计）。每天生产3万个辐射单元，就需要50个人，投入的人力物力相当大；
同时焊接质量一致性也不能得到很好的管控。对应关系如表1所示。

表1 产能、节拍与人员投入关系

1.2 一次性焊接技术

面对辐射单元这样庞大数量的产能需求，不可能采用单点焊接的技术方案，必须针对辐射单元这种多维焊点的产品，开发一种一次性焊接技术。能通过批量处理的方式，将辐射单元的装配和焊接的步骤，细分成每个子工序，按一定的生产节拍，进行流水化的装配和量化参数的一次性加热焊接，实现批量生产。

1.3 辐射单元的结构特点

天线辐射单元的焊点结构呈多维度分布，不处在同一个平面，而且焊点的形态各异，如图1所标示的焊点1～17，即为焊点位置。焊点呈四层结构分布，数量多达17个。

图1 天线辐射单元焊点分布图

1.4 批量焊接技术工艺

为了实现批量焊接，最大化的保障产出，对辐射单元采用阵列摆放的方式；
并采用锡膏制程，形成模组化并进行流水焊接作业。如图2所示，在相应尺寸内进行容量最大化的设置，即为4×4的模组、一模共16个。以一个组合式的集成化夹具作为载体，形成一种分层组装、分层上锡；
然后通过整体加热方式，一次性对辐射单元上的所有焊点或焊盘上的锡膏，进行融化和焊接；
从而一次性形成焊点的批量焊接技术。

图2 批量焊接技术路线图

1.5 批量上锡转化技术

要实现一次性焊接技术，需要提前对辐射单元的每个焊点位置，进行批量上锡作业。由于辐射单元呈立体结构件，由于一半的焊点位于结构件的内部，无法直接采用点涂及印锡的工艺，需要转化思维，通过工艺上的变换，采用印锡的工艺方法，对同轴电缆进行预上锡；
同时采用特殊的炉温曲线，对锡膏进行软化预定型；
同时还要保证预定型之后的锡膏内部仍保留较多的助焊剂。通过这种的方法进行变换之后，同轴电缆连带半融化已成型的锡膏，再进行多个立体结构件的组装，然后进行批量的整体加热，完成二次融化和焊接[2]。

2.1 立体工件批量上锡思维

对整个辐射单元的结构进行分解，17个焊点分布在四个维度，如图3所示。其中面1、面2、面4是属于平面形的结构，呈水平分布，可以通过分层印锡、分层组装的方式，进行上锡转化；
面3是属于弧面的结构，呈垂直分布，要实现批量上锡，明显是不可能的。按照传统的作业方式，一般会采用锡膏点涂的方式，但由于产品要采用一次性焊接的技术，要进行4×4的模组摆放，这样面3的焊点就处于内部遮蔽状态，点涂方案无法实施。这就要进行发散思维，对面3的同轴电缆采用预置的方式，转化为水平分布的上锡及预成型的需求。

图3 辐射单元焊点分类分解图

2.2 锡膏选择与制程研究

由于辐射单元的零件中，有采用压铸铝合金的材料，表面电镀锡。其材料熔点为232℃，所以为了兼容工件材料的耐温性及焊点的可靠性，锡膏选取了中温非共晶锡膏，成分为AgBiAg，熔点为138～187℃。产品成分中焊料合金之化学成分，如表2所示。

表2 锡膏焊料组成

产品中焊料合金之熔融温度及密度，如表3所示。

表3 焊料的熔点及密度

产品中锡粉的粒度分布如表4所示。

表4 锡粉的粒度

2.2.1 锡膏制程典型温度控制

典型焊接曲线图如图4所示。

图4 典型焊接曲线图

2.2.2 预热区

预热升温速度控制在1～3℃/sec，过快的升温则容易造成锡球及桥连等不良，元器件也可能因过大的热应力而造成损坏。为保证PCB各部温度均匀，减少温差（Δt），预热时间为60～120sec，预热温度110～140℃/sec。如温度过低或时间过短将会产生未融溶现象。而如果温度过高或时间过长，助焊剂中活性成分挥发，亦可能导致未融溶现象产生[3]。

2.2.3 回流区

回流焊峰值温度一般控制在200℃～220℃，但基于元件的耐热性能，可使用较低的回流温度（195℃）。但如果因为回流炉的特性而有困难而采用较高的峰值温度（220℃），必须充分考虑元件的耐热性。在熔点温度（＞187.0℃）以上，一般时间控制60～90sec，视实际产品工艺而定，可减少，但不能少于50sec。

2.2.4 冷却区

冷却速度对焊点质量很重要，一般焊点强度随冷却速度增加而增加；
冷却速度为2～8℃/sec，若过快则易造成元器件损伤，焊点出现裂纹等不良现象；
过慢则易使焊点表面变得粗糙及强度变差，也易导致立碑现象或元器件移位。

2.3 同轴电缆预放

制作耐高温的电缆托盘，托盘上开具对应数量的同轴电缆固定穴位。如图5所示，通过人工预放或机器整列摆盘的方式，对同轴电缆进行有规律的摆放，以保证同轴电缆需要印锡的面，能够位于对应的空槽中。

图5 同轴电缆定位方式

2.4 同轴电缆圆弧面印锡

依据上文所谈到的面3位置所处焊点的焊锡量需求，依据图6所示的锡膏制程回流之后的体积比变化规律，需要对应2倍的锡膏印锡量。依据这个印锡量，结合同轴电缆的外径尺寸，推导钢网的开口设计；
对应每根同轴电缆的印锡区域的长、宽及厚度等关键尺寸。通过印锡机及刮刀的作用，对整个托盘的同轴电缆进行整体印制上锡，实现同轴电缆锡膏制程的第一次上锡需求[4]。

图6 印锡回流前后体积变化规律

2.5 电缆上锡膏预定型

由于同轴电缆长度比较短，同时为了保证在周转过程中锡膏不被刮蹭到，而产生锡少及锡珠、虚焊等不良现象；
需要对整体印锡的形状进行一定的预定型。所以要提前对同轴电缆上的锡膏进行加热融化固定；
但是又不能直接将焊料进行完全固化，因为完全固化后的焊料状态，在进行辐射单元的二次组装之后，会制约焊料的二次扩散特性，从而无法形成良好的焊点。

锡膏预定型的关键在于温度的设置，以求得到一种“焊点表干、其内部仍含有助焊剂”的锡膏预定型状态。在参考焊料的典型曲线，并结合实际情况，作一定可取的变化；
焊料预成型的温度设置，取锡膏融化处于升温区与回流区的中间值。我们此次焊接技术所采用的锡膏为中温锡膏，成分为SnBiAg，非共晶，熔点为138～187℃。要实现锡膏预定型的效果，曲线设定可以设置微溶段，即回流区的峰值温度设置在155～175℃间，保证锡膏能够产生微融的效应；
同时要严格控制加热时间，微熔段的时间控制在50秒以内，确保锡膏内部的助焊剂留存大于原来的60%，以便能在二次熔化时也能够产生焊料扩散的效应[5]。锡膏预定型的效果如图7所示。

图7 锡膏预定型效果

2.6 同轴电缆取放组装及二次熔化焊接

同轴电缆整体进行首次加热预定型之后，采用对应的底托工装，把平放于托盘内的同轴电缆斜着顶起，使同轴电缆呈45度立在托盘上，并作为一个整体的上料盘进行周转，方便下工序的人工装配拿取。在下一工序，人工双手依次将同轴电缆从托盘拿取下来，进行衔接工序的二次组装。将二次组装好之后的模组，整体流水进入回流炉、回流炉各个温度设置形成对应的温度控制，整体的对模组上的16个辐射单元，共272个焊点上的锡膏及预定型锡膏，进行再次融化和扩散，形成相应的焊点。二次熔化的温度设置，要保证预热充分，回流温度的设置要高于焊料本身熔点温度的30℃以上，即回流区的峰值温度设置在210～220℃之间，即以保证焊点能够二次融化，并充分融透；
同时时间控制相当关键，回流时间控制在60～90s这个区间，以确保焊接可靠，同时也保障焊点不会被老化[6]，二次焊接效果如图8所示。

图8 二次焊接效果

应用以上的批量上锡转化技术，实现立体工件位于多个维度的结构焊点的批量焊接，使产品的焊点效率、质量得到大幅度的提升，保障了产品的一致性；
从而使天线整机产品的一致性达通率也得到大幅度提升。在行业内，通过技术传承和技术转让，促进国内天线行业的制造水平整体提高。最大程度彰显天线制造技术的优越性和灵活性，推动我国经济的健康发展。

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