1.5 预热系统

1.5.1 预热系统的作用

预热系统作为波峰焊接设备系统中的一个工位，在实际应用中有以下作用：

① 促使助焊剂活性充分发挥。助焊剂在起作用之前，需要把助焊剂中的活化剂进行激活。然后，这些化学成分与基体金属表面氧化物相互作用，使氧化物从基体金属表面清除。因此，涂覆好助焊剂的PCB需要加热到激活温度才能发生这种反应，如松香基助焊剂需要加热到104℃左右，并应在此温度下停留足够的时间，以保证助焊剂能充分净化PCB的被焊表面。如果只依靠钎料波峰把助焊剂加热到活化温度，那么就要按照助焊剂能够清理好金属表面所需要增加的时间，来延长PCB在波峰里停留的时间，这是极为不利的。

② 除去助焊剂中过多的挥发物来改善焊接质量。PCB进入钎料波峰之前时，大多数助焊剂中的挥发性材料仍与松香混在一起。某些有机酸助焊剂中还含有水分。如果在这种状态下直接进行波峰焊接，那么钎料槽的热度就会使溶剂迅速汽化，这不仅将使钎料本身产生喷溅现象，而且这些蒸汽被截留在填充钎料中形成气孔。另外，由于大量溶剂挥发所消耗的汽化潜热，将使PCB焊接表面温度急剧下降，从而导致虚焊、桥连、拉尖等焊接疵病的发生。

③ 减小波峰焊接时的热冲击。预热可使PCB温度逐步均匀加热，从而使波峰焊接时的热冲击减至最小，缓和了热应力，使PCB的翘曲和变形最小，改善了PCB的机械平整度。

④ 减小元器件的热劣化。由于采取了预先预热，波峰焊接时热冲击可以降低到最小程度，从而使热敏元器件损坏的危险程度降至最低。

⑤ 提高生产效率。预热处理还缩短了波峰焊接过程中把PCB加热到润湿温度所需要的时间，从而加速了波峰焊接过程，提高了生产效率。

1.5.2 对预热系统的基本技术要求

对预热系统的基本技术要求如下：

① 温度调节范围宽，一般应在室温至250℃范围内可调，以覆盖各种不同类型助焊剂的活化温度的要求。

② 应有一定的预热长度，以确保PCB在激活温度下保持足够的时间，该停留时间和温度是保证助焊剂适合净化被焊表面的重要参数。

③ 不应有可见的明火，以避免助焊剂液滴掉在发热元件上燃烧起火，引起火灾。

④ 对助焊剂涂覆系统正常工作的干扰及造成的热影响最小。

⑤ 耐冲击、振动，可靠性高，维修简便。

1.5.3 常用的预热方式及其特性

1.常用预热方式

波峰焊接设备系统中所用的预热器，根据热源传递方式的不同，大致可分为辐射式和容积（热风）式两种，它们各有优点。在工业应用中，通常都是采取扬长避短的办法，将这两种基本预热方式的各自优点加以结合而发展出容积（热风）-辐射组合方式。到目前为止，在波峰焊接设备中曾经或正在采用的结构形式，如图1.13所示。

（1）辐射式预热器

辐射式预热器的传热几乎全靠热辐射。PCB下侧面的温度是靠加热器的温度和加热器与PCB下侧面间的距离来控制的。为了增加热效率，管状加热器系统通常都装有反射器，以便把热能集中在PCB的下表面。平板加热器位于传送装置的下面且与PCB表面靠得很近，这就极大地提高了它们之间的传热效率。如果助焊剂液滴滴到平板加热器上，则必须定期清除，以防止火灾并保持加热效率。

（2）容积式预热器

容积式预热器是使可控制的受热空气（热风）通过PCB的下侧表面来完成预热的，其方式主要是靠传导和对流。压力气流能帮助迅速吹走PCB下表面和孔内的溶剂蒸汽。对于有金属化孔的PCB，要优先选用容积式加热器，因为孔的内侧常因为直线传播的辐射热而受到遮挡。对于多层PCB时此点尤为重要。

（3）容积-辐射组合式

这种组合预热方式将容积、辐射两种预热方式的优点集于一身，所以在一些新机型上普遍采用。特别是对板面存在大量微缝的表面安装组件（SMA），釆用此种预热结构设计，提高预热效果的作用更为明显。因此，很多机型都采用了这种复合方式，即先用容积式预热器清除过量的和微缝中的溶剂，然后用平板辐射式加热器保持适当的温度。

2.容积式和辐射式加热效率的比较

容积式预热器主要是靠加热空气的对流作用（热风）来进行热量传递的，所以在对流传热过程中也伴随着传导传热过程。其传热效果通常比辐射式好，图1.14比较了这两种预热器的加热时间和温升的关系。

3.预热器的发展趋势

（1）提升预热温度和预热时间

由于免清洗助焊剂及水溶性助焊剂的推广应用，对波峰焊接中的预热温度也提出了新的要求。通常免清冼助焊剂中使用的化学活化物质的激活温度，比松香助焊剂中使用的活性剂的激活温度要高些，只有在较高的温度并保持足够的加热时间的情况下，才能使其中的化学活性物质充分激活，达到净化的目的。而使用水溶性助焊剂时要求的预热温度则必须达到水的沸点左右，并需要有足够的预热时间，以使助焊剂中的水分在预热过程中能充分汽化，活性物质能充分激活。

增加预热时间通常有下述两种措施：

① 降低PCB的传送速度。降低PCB的传送速度将导致生产效率的下降，影响产能和经济效益，这是不可取的。

② 增加预热区的长度。为了适应免清洗助焊剂及水溶性助焊剂的应用需要，新设计的机型几乎普遍都采用了两个以上的温区，如荷兰Slotec公司新推出的机型就采用了三温区，预热区长度达2m，如图1.15所示。

（2）提高预热温度控制精度

由于免清洗助焊剂使用的活性物质的激活温度范围很窄，偏高偏低均不行，所以预热温度必须严格控制在其激活的温度区间内工作，才能发挥免清冼助焊剂的理想效果。

（3）加设上部辅助加热装置

随着SMA安装密度的提高以及一些吸热量大的元器件（如接插件）和结构件（如散热器、电磁兼容零部件）的大量采用，加剧了波峰焊接过程因大量吸热而导致的焊接缺陷（如桥连、冷焊、拉尖等）。因此，应在预热区上部增设加热器，如图1.16所示。这对提高SMA上表面的焊前温度、尽量缩小与钎料波峰间的温度差、抑制波峰焊接中的大量吸热现象、减少焊接缺陷是非常有益的。