第一部分：波峰焊接动力学理论的形成与应用

第一部分：形成与应用我知道了波峰焊动力学理论

一、概述

1. 焊波动力学理论的形成

理论上，波峰焊是浸焊的逻辑延伸。浸焊和波峰焊的根本区别在于浸没方式：浸焊使用静态液体进行焊接。射频浸没式焊接采用熔融焊料的浸没方式，而波峰焊则采用熔融焊料的波束进行浸没焊接。焊料波发生器是波峰焊设备系统的核心，也是波峰焊设备系统设计中的关键技术。众所周知，焊料波发生器的性能决定了整个系统的功能。

焊料波发生器是产生液态金属焊料波的动态系统。液态金属焊料波的产生、稳定性、工作波形设计、焊料波的热特性、抑制高温熔融焊料氧化的能力、对被焊基材的润湿性以及对焊点保形涂层的影响等都呈现出一定的规律性。描述这些规律性需要流体力学、电磁流体力学（用于电磁泵）、冶金学、金属表面理论、热工程及其他相关领域的知识。通常，解决问题需要这些学科知识的交叉融合和相互渗透。因此，它们共同构成了焊料波动力学理论的基础内容。

2. 波峰焊动力学理论对波峰焊技术发展的指导意义

焊料波动力学理论的研究成果不仅能够实现光滑、光亮、贴合且无拉丝和毛刺等缺陷的高质量焊点，而且还揭示了焊料波发生器设计中应遵循的一系列约束和基本原理。

由于温度较高，PCB浸入焊料中的时间不宜过长。然而，从冶金学的角度来看，为了获得良好的焊点，必须保持PCB与焊料之间足够的接触时间，使焊接区域能够吸收足够的热量，达到良好的润湿温度。
当熔融的液态焊料流经PCB板下方时，会对焊接区域产生摩擦作用，有助于焊料熔化。因此，焊料波应与PCB板保持较长的接触时间，同时尽量减少焊渣的产生，即尽量减少焊料波与空气的接触。
* 为减少拉丝和桥接，PCB 相对于焊料的移动速度在 PCB 离开波峰时应接近于零。
当PCB板通过焊台时，焊锡波纹应平整光滑，确保焊锡与PCB板的整个焊接表面充分接触。不均匀的焊锡波纹会导致熔化的焊锡溢出到PCB板的元件面，或造成部分焊锡缺失。
必须尽量减少焊渣的产生，因为它会加速焊锡泵系统（对于机械泵）的磨损，并导致焊锡波纹不均匀。过多的焊渣还会加速焊料中主要成分（例如锡）的消耗，这不仅会增加生产成本，还会严重污染环境。
为了在波峰焊接中获得最佳效果，必须妥善解决上述问题，并尽可能满足这些相互矛盾的条件。

这些内容构成了焊波动力学理论的研究重点。正是焊波动力学理论的研究成果和应用，使得波峰焊成为印刷电路板（PCB）的主要焊接方法之一，尤其是在大规模生产中。

二、波峰焊中焊料波的动态现象

为了便于讨论，我们假设在波峰焊过程中，PCB 和波峰喷嘴壁之间的液态焊料流动近似为： SIM类似于粘性流体在矩形管道中的流动，如下图所示。

流体力学理论告诉我们，当流体在管道中流动时，流体自身的内聚力（黏性）以及流体与固体壁之间的附着力会在流体内部产生速度差异。靠近管壁的流体将附着在壁面上，相对速度为零，这意味着流体在壁面上没有滑移。在靠近壁面的位置，随着与壁面法向距离的增加，壁面对流体的影响逐渐减弱，流体的速度会迅速增加，直到在一定距离处接近初始未受扰动时的速度。因此，速度变化仅发生在紧邻壁面的薄层内，该薄层被称为边界层或附着层。

为了便于分析，我们首先在喷嘴两侧垂直于焊料流速方向截取两个横截面，即OO横截面（如下图1所示）和O'-O'横截面（如下图2所示），以分析它们的速度分布模式。分别设NN和MM为OO和O'-O'横截面的中心线，并讨论以下两种情况。

（1）当PCB静止时，即v0=0，如前所述，由于流体壁附着效应和内聚力，夹在PCB和喷嘴壁之间的焊料流体的速度分布呈抛物线形，靠近PCB表面和喷嘴壁的速度为零，最大速度出现在中心线处。

（2）当PCB移动且v0 = vx时，当PCB沿逆流箭头指示的方向移动且v0=vx时，OO和O'-O'横截面中的流体速度分布发生变化，如下两图所示：

当PCB沿相反方向移动时，管道内的速度分布；

当PCB沿同一方向移动时，管道内的速度分布。

根据流体力学定律，粘性流体质点在壁面切向方向上的切向速度v0等于刚性壁面上对应点的切向速度vC，即vC = v0。换句话说，靠近边界壁面的流体质点与壁面上对应点的速度相同。显然，如图2.4所示的OO截面情况下，流体速度零点不再出现在边界壁面上，而是移至流体内部的AA面上，管道内的最大速度线也将从NN面移至N'-N'面。我们将速度零线与PCB下表面之间的流体层称为附着层。此时，所有来流的涡旋运动都集中在附着层内，沿PCB表面的切向速度在该层内变化很大，导致PCB表面法向方向上的速度梯度很大。换句话说，流体中存在显著的涡旋运动，这将增强粘性流体颗粒对刚性壁面的粘附力。根据这一理论，在波峰焊过程中，当PCB和液态焊料相对移动时，不可避免地会将大量粘附在待焊基板金属表面的液态焊料一起向前移动。这构成了冰柱形成和桥接的必要条件。此外，PCB相对于波中流体逆流速度(v1)的移动速度(v0)越快，携带的焊料就越多，冰柱形成和桥接也越严重。因此，降低PCB的移动速度(v0)或提高逆流速度(v1)可以压缩附着层的厚度，从而有效抑制其内部的涡旋运动。粘附在PCB壁上并随其移动的多余焊料量将大大减少，从而有效抑制冰柱形成和桥接的概率，这已通过大量的生产实践得到验证。

然而，图 2.5 所示的 O'-O' 截面情况与图 2.4 所示的 OO 截面情况不同。此时，由于 PCB 的运动方向 (v0) 与流体的前进速度方向 (v2) 相同，因此不存在附着层问题，也就不会出现由焊料回流引起的涡流运动。通过调整流体的前进速度 (v2)，可以在 PCB 与波纹分离处获得最佳的分离条件。