通孔再流焊接技術(shù)的知識總介_pcb板

      1引言

      目前PCB組裝中，表面貼裝元件約占800／0，成本為60％，而穿孔元件約占20％，成本為40％。這種混合板采用傳統(tǒng)再流焊技術(shù)是不能進(jìn)行焊接，需采用再流焊與波峰焊兩道工序。然而波峰焊接技術(shù)被應(yīng)用于過孔插裝元件(THD)印制板組件的焊接有許多不足之處：不適合高密度、細(xì)間距元件焊接；橋接、漏焊較多；需噴涂助焊劑；印制板受到較大熱沖擊易翹曲變形。

      為了適應(yīng)表面組裝技術(shù)的發(fā)展，解決以上焊接難點(diǎn)，通孔再流焊接技術(shù)得到應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)一道工序完成焊接。通孔再流焊接技術(shù)(THR，Through-holeReflow)，又稱為穿孔再流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。該技術(shù)原理是在印制板完成貼片后，使用一種安裝有許多針管的特殊模板，調(diào)整模板位置使針管與插裝元件的過孔焊盤對齊，使用刮刀將模板上的焊膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件同時通過再流焊完成焊接。

      通孔再流焊在很多方面可以替代波峰焊來實(shí)現(xiàn)對插裝元件的焊接，特別是在處理焊接面上分布有高密度貼片元件(或有線間距SMD)的插件焊點(diǎn)的焊接，這此采用傳統(tǒng)的波峰焊接已無能為力，另外通孔再流焊能極大地提高焊接質(zhì)量，這足以彌補(bǔ)其設(shè)備昂貴的不足。通孔再流焊的出現(xiàn)，對于豐富焊接手段、提高線路板組裝密度(可在焊接面分布高密度貼片元件)、提升焊接質(zhì)量、降低工藝流程，都大有幫助。

      2通孔再流焊(THR＆PIP)工藝過程

      一般元件都可以加工成為表面貼裝元件，但是部分異型元件，如連接器、變壓器和屏蔽罩等，為了滿足機(jī)械強(qiáng)度和大電流需要，仍然需要加工成為接插元件，通孔式接插元件有較好的焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度。

      接插元件應(yīng)用于通孔再流焊工藝時應(yīng)考慮2個問題：一為并不是所有接插元件都可以滿足通孔再流焊工藝需求，即元件材料不會因再流高溫而破壞，表1為可(不可)用于再流焊工藝的元件材料匯總；二是雖然通孔式接插元件可利用現(xiàn)有的SMT設(shè)備來組裝，但在許多產(chǎn)品中不能提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，而且在大面積PCB上，由于平整度的關(guān)系，很難使表面貼裝式接插元件的所有引腳都與焊盤有一個牢固的接觸，就需重新設(shè)計(jì)模板、再流焊溫度曲線及引腳與開孔直徑比例等。

      通孔插裝元件主體須離開線路板表面至少0.5mm，防止元件插裝前后焊膏發(fā)生移動。元件引腳不要太長，通常長出板面1.0～1.5mm就可以。此外，緊固件不可有太大的咬接力，因?yàn)楸砻尜N裝設(shè)備通常只支持10～20N的壓接力。

      通孔再流焊生產(chǎn)工藝流程與SMT流程極其相似，即印刷焊膏于PCB通孔焊盤，放置插裝件，再流焊接。圖1為一單面通孔再流焊工藝過程示意圖。無論對于單面混裝板還是雙面混裝板，流程都相同。

      3通孔再流焊焊盤設(shè)計(jì)

      通孔再流焊相鄰的通孔間距要求至少2.54mm或以上，目的防止相互之間產(chǎn)生連錫從而導(dǎo)致相鄰的孔內(nèi)少錫。焊盤孔徑設(shè)計(jì)要求見圖2，其中d為方形插針對角直徑，di為焊孔直徑，da為焊孔外徑。焊孔直徑設(shè)計(jì)要適當(dāng)，當(dāng)di<1mm時，焊膏印刷量易出現(xiàn)不足，而且如果元件是在板上過爐的話，空洞與少錫的現(xiàn)象會更嚴(yán)重，如果元件是在板下過爐的話，可以加大通孔PAD直徑或邊長來補(bǔ)充錫量，這樣一般不太會有空洞和少錫現(xiàn)象；當(dāng)di>2mm時，焊膏容易從通孔漏掉造成空洞、少錫現(xiàn)象。焊孔直徑di一般比插針直徑d大0.2～0.3mm，如果連接器端子較少，焊孔直徑可以稍小一些。為增加焊膏量，焊孔外徑一般比焊孔直徑大30％～50％來補(bǔ)充，或焊盤設(shè)計(jì)為爪形，伸出的部分盡量長。

      4焊膏涂覆工藝

      通孔再流焊技術(shù)的關(guān)鍵問題是由于焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致通孔焊點(diǎn)所需焊膏量要比表面貼裝焊點(diǎn)所需焊膏量大，采用模板印刷的方法不能同時滿足通孔元件及表面貼裝元件所需焊膏量。要獲得良好的焊接效果，就要確保通孔再流焊基板各通孔焊盤上焊膏量恰到好處，否則會出現(xiàn)填錫不足等缺陷，如圖3所示，導(dǎo)致在機(jī)械載荷作用下焊點(diǎn)強(qiáng)度會降低。

      模板厚度一定尺寸一定時，為了滿足足夠的焊膏量，一般可以通過改變印刷參數(shù)來控制或采用分級模板印刷技術(shù)。模板如果太厚可以印刷兩次，第一次專印通孔部分，第二次全部印刷一次。焊膏印刷量與通孔的下表面保持水平即可，如果太多，當(dāng)元件插入孔中時，一部分焊膏被擠出。在未焊接前，這一部分錫可能會掉下來而帶走孔中的一部分錫。

      傳統(tǒng)模板設(shè)計(jì)和焊膏印刷技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以改善通孔再流焊印刷工藝，比如改進(jìn)印刷圖案，擴(kuò)大印刷面積，如圖4所示。焊點(diǎn)所需合金體積必須根據(jù)引線形狀、通孔直徑、和基板厚度來確定要填充的釬料量，然后按所要求的填充百分比計(jì)算所需要的焊膏數(shù)量。估計(jì)焊膏中的金屬含量大約為體積的50％，計(jì)算公式如下：

      8MRYr:E!WVs=(Vh-Vl)×2(1)其中：Vs為填充通孔所需焊膏的體積，Vh為通孔的體積，Vl為引腳插入通孔部分的體積。

      所需印刷面積印刷合計(jì)體積乘以調(diào)整系數(shù)F，其一般為0.6～1.O。但是這種方法容易受網(wǎng)板開孔"縱橫比"的影響，還是不能大大滿足要求。

      上面計(jì)算的只是填滿通孔所需要的焊膏體積，而通常我們追求的焊點(diǎn)形態(tài)不僅是填滿通孔，釬料在引腳上還應(yīng)有一定的爬升，在焊盤上形成一定的潤濕圓角。參照圖5，焊盤上圓角焊膏體積計(jì)算公式為：(F3w9L4l6G0P,MVf=A×2πX=0.125r2×2(0.2234×r+a)(2)

      其中：A為圓角截面積，X為圓角帶重力中心，r為圓角半徑，a為引腳半徑。那么Vs與Vf的和才是一個理想焊點(diǎn)成型所需要的焊膏體積。傳統(tǒng)技術(shù)不能保證施放所需的焊膏量形成合適的焊點(diǎn)，焊料預(yù)成型與焊膏相結(jié)合解決了滿足通孔元件的焊點(diǎn)要求。焊料預(yù)成型是把軋制的焊料帶沖壓成期望的尺寸，進(jìn)而按要求制成不同的形狀和大小。組裝時在插裝部位印刷焊膏，將預(yù)制件貼裝在焊膏中，然后插裝通孔元件進(jìn)行再流焊。這種方法很好地解決了焊膏施放量，但是難以進(jìn)行高密度組裝。新型的焊膏涂覆技術(shù)很好地解決了上述2方面的問題，一是采用如圖6所示的分級模板技術(shù)，二是采用如圖7右圖的封閉壓力系統(tǒng)。分級模板技術(shù)可采用0.15～0.25mm厚的分級模板進(jìn)行印刷，常選擇類型3粉末，網(wǎng)板材料一般為不銹鋼和鎳，近年來多種塑料材料也漸漸被人所接收。使用聚合物箔片制造標(biāo)準(zhǔn)的SMT網(wǎng)板，可以制成厚度大于8mm的網(wǎng)板，實(shí)現(xiàn)單一厚度的網(wǎng)板在單次印刷行程中印刷涂覆量不同的焊膏。封閉壓力系統(tǒng)可明顯提高材料的傳送能力，達(dá)100％的填充率，在印刷小孔徑比開口、要求印刷大量焊膏和在通孔中施加焊膏等應(yīng)用時，它具有許多優(yōu)點(diǎn)。噴嘴中焊膏流速與釬料直徑有一定關(guān)系：松香基焊膏，釬料直徑與流速關(guān)系很大；高分子材料基焊膏，釬料直徑與流速關(guān)系很小。

      印刷釬料量由模板開孔形狀、尺寸和厚度來控制，刮刀的速度、壓力和分離速度也是決定焊膏印刷量的重要指標(biāo)。圖7為刮刀系統(tǒng)與封閉壓力系統(tǒng)印刷工藝對比，刮刀系統(tǒng)可以通過減小刮刀角度來增加焊膏施放量，封閉壓力系統(tǒng)可以增加垂直壓力來增加焊膏施放量，根據(jù)IPC-A-610C要求出孔焊膏量為l～1.5mm，如圖8所示。

    5元件貼裝工藝

    通孔再流焊技術(shù)對元件要求嚴(yán)格，許多通孔元件設(shè)計(jì)一般是根據(jù)手工焊和波峰焊工藝設(shè)計(jì)的，對元件外包材料沒有什么特殊要求，不能經(jīng)受再流焊高溫的熱沖擊，比如鋁電解電容和國產(chǎn)的一些塑封元件。因此選擇時要看是否適合更高溫度的工作條件、能否配合視覺系統(tǒng)、針型柵格、高度及重量、定位和底座受力、端子形狀、PCB布局、焊膏應(yīng)用及再流等，元件成本有所增加。另外，不規(guī)則形狀元件的自動安裝需用新一代的取放機(jī)處理，并提供更強(qiáng)的底座受力，進(jìn)料器和自動包裝也需進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，這會帶來更高的成本和技術(shù)。

    通孔再流焊元件插裝時，引腳長度和錐形引腳端部形狀對插件后的焊膏量也會有較大影響。元件引腳穿出電路板太長時，引腳端部會帶走一部分焊膏，這部分焊膏可能會脫落造成少錫或者焊后在端子的末端殘留有大的釬料球。因此，應(yīng)該規(guī)定引腳伸出長度。元件引腳的最大允許長度取決于基板的厚度、釬料量、引線表面質(zhì)量，而且常常必須由給定的組件通過實(shí)驗(yàn)方法確定。引腳端部形狀也會對影響到焊膏量，錐形端子比平頭端子帶走焊膏量要少。

    由于很多通孔再流焊元件不適于機(jī)器插裝，故通孔必須足夠大以易于手工插裝。這里存在一個偏心的問題，即插裝位置是否對焊點(diǎn)形態(tài)有影響。在波峰焊工藝中，波峰能給通孔提供充足的釬料量，即使插件引腳偏心，在焊接過程中也會發(fā)生自校準(zhǔn)效應(yīng)，使引腳居于通孔中心。而采用通孔再流焊工藝，通孔中釬料受熱不均勻，先受熱的釬料發(fā)生熔融并在引腳與鍍銅孔上潤濕鋪展，使得引腳的四面受到不均勻力的作用而被拉到孔壁一側(cè)，并且由于釬料量不足，使釬料不能爬升到焊盤處，因而不會產(chǎn)牛自校準(zhǔn)作用，這樣冷卻后會產(chǎn)生引腳偏心的焊點(diǎn)。也就是說引腳的偏心只與釬料量及焊接工藝有關(guān)，而與插件的位置關(guān)系不大。

    6再流焊工藝

    紅外再流焊爐不能用于通孔再流焊，因?yàn)樗鼪]有考慮到熱傳遞效應(yīng)對于大塊元件與幾何形狀復(fù)雜的元件(比如有遮蔽效應(yīng)的元件)的不同。強(qiáng)制熱風(fēng)再流焊爐有著極高的熱傳遞效率，可用于通孔再流焊技術(shù)。再流焊溫度曲線要合適，溫度設(shè)置太高會導(dǎo)致元件損壞，太低會導(dǎo)致焊膏不能完全溶化。圖10為通孔再流焊技術(shù)中焊膏熔化形成焊點(diǎn)的全過程。

    選擇的焊膏必須要求活性較高，否則少錫現(xiàn)象是避免不了的，這一點(diǎn)非常重要。再流工藝曲線的設(shè)置，潤濕階段時間不要過長，從潤濕到峰值溫度的曲線要很陡，當(dāng)然不能超過一般元件所能承受的最大溫升率。另外，由于通孔中的焊膏量比貼裝焊盤上涂敷的焊膏量大得多，再流焊時會有大量的助焊劑揮發(fā)，再流焊爐的助焊劑回收系統(tǒng)要好，排廢氣能力要強(qiáng)，風(fēng)速可調(diào)到最高，爐保養(yǎng)頻率需要增加。

    剝離現(xiàn)象是無鉛工藝中出現(xiàn)影響可靠性的新問題(圖11)。元件和電路板焊盤鍍層容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，焊點(diǎn)脫離焊盤；某些情況下焊點(diǎn)與焊盤不分離，但是焊盤和PCB分離，原因是由于焊點(diǎn)凝固的不同時性使內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力。厚板通孔再流焊技術(shù)中，合金中鉛的污染容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象，但在現(xiàn)在的無鉛焊接中也出現(xiàn)，可能的導(dǎo)致原因是鉛的污染或非共晶合金的熱膨脹和收縮。對通孔再流焊來說焊盤尺寸對焊點(diǎn)強(qiáng)度幾乎沒有影響，而通孔對承載強(qiáng)度有很大的影響。剝離現(xiàn)象不會對焊點(diǎn)強(qiáng)度造成嚴(yán)重影響，但工藝中要求防止剝離出現(xiàn)，可通過減小焊盤尺寸或采用如圖12所示結(jié)構(gòu)(阻焊層將焊盤覆蓋一部分)來防止焊盤與PCB剝離。

      7焊點(diǎn)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

    通孔再流焊具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，即使焊點(diǎn)填充率為30％～40%。從焊點(diǎn)強(qiáng)度方面來講，通孔再流焊中存在與波峰焊強(qiáng)度相當(dāng)?shù)呐R界質(zhì)量分?jǐn)?shù)。臨界釬料量的大小與印制板電路的厚度有關(guān)：厚度越大，臨界釬料量越小。

    焊接質(zhì)量可以采用焊點(diǎn)形態(tài)來判斷：當(dāng)達(dá)到臨界釬料量時，焊點(diǎn)外觀上沒有空洞，強(qiáng)度與波峰焊相當(dāng)。檢查焊點(diǎn)主要看兩處：通孔被填滿的程度及焊料球形區(qū)域外圍浸潤性。IPC-A-610C規(guī)定：理想的通孔再流焊點(diǎn)應(yīng)該達(dá)到100％或至少75％的填充率(圖13)；焊料外圍浸潤性的最低條件是焊料球和外圍浸潤都需要檢查，當(dāng)新月形在電路板兩面都產(chǎn)生且兩面球形的外圍浸潤接近360℃(最低270℃)時就算滿足要求。

    通常，孔填充不良往往是工藝或元件有問題的征兆，它給可靠性帶來不利影響。而這種假定不適合通孔再流焊工藝，因?yàn)樵谕自倭骱笗r每個焊點(diǎn)獲得的釬料是有限的。釬料填充程度不可作為軟釬料可焊性好壞的指標(biāo)。再流焊點(diǎn)的不同外觀不是廢品或返修的原因。應(yīng)該考慮釬料在每根引線上的均勻分布和釬料對引線和孔壁的良好潤濕。

    8存在的一些問題

    通孔再流焊前端工藝會遇到一些問題：舊的波峰焊基板由于孔太大而不能用于THR工藝，但由于有細(xì)間距的表面貼裝器件，不能使用更厚的模板。當(dāng)采用分級模板的方法，使用較厚的模板時還會在貼裝元件所需要的時間內(nèi)，為通孔元件所印刷的焊膏出現(xiàn)坍落而互連。許多通孔元器件(尤其是插接件)并非設(shè)計(jì)成可以承受再流焊的高溫。要得到良好的焊接效果，問題的關(guān)鍵在于：一是要確保通孔再流焊基板各部分的焊膏量都恰到好處，否則會出現(xiàn)填錫不足，二是注意那些不能承受溫度變化與遮蔽效應(yīng)的元器件。機(jī)器插裝工藝的關(guān)鍵問題是引腳的視覺校準(zhǔn)。由于錫膏覆蓋插孔，一旦引腳彎曲并且第一次插裝不成功，就不可能使用孔來"搜索"。和元件原型比較并直接反射引腳，需要在插裝前檢查元件，檢查所有引腳和適當(dāng)?shù)牟逖b坐標(biāo)，來保證第一次插裝是能夠完成的。

    另外，通孔再流焊工藝焊膏用量特別大，助焊劑揮發(fā)后形成的殘留物很多，造成對機(jī)器的污染，助焊劑管理系統(tǒng)就顯得尤為重要；大量的助焊劑殘余限制ICT測試效率，要求選擇測試點(diǎn)的引入或采用探針可測試焊膏。

    9結(jié)論

    通孔再流焊技術(shù)是將通孔元件結(jié)合到表面組裝工藝的一一種工藝方法，它相對于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)越性首先減少了波峰焊及手工補(bǔ)焊工序，提高了效率；其次增加了印制板電路的設(shè)計(jì)布局和空間，擴(kuò)大了工藝設(shè)計(jì)窗口，提高了產(chǎn)品可靠性；再次相對波峰焊減少產(chǎn)生橋接的可能性，提高了一次通過率。通孔再流焊技術(shù)的日益盛行主要是因?yàn)榭梢源蟠蠊?jié)省成本，節(jié)省工藝流程，降低機(jī)械要求和占地面積。通孔再流焊技術(shù)雖然存在不足之處，但只要通過適當(dāng)?shù)墓に囋O(shè)計(jì)和工藝過程控制，包括產(chǎn)品優(yōu)化、布局設(shè)計(jì)規(guī)范和模板設(shè)計(jì)規(guī)范的改進(jìn)等，通孔再流焊焊點(diǎn)質(zhì)量與可靠性是可以與傳統(tǒng)替代工藝相媲美。通孔再流焊技術(shù)發(fā)展的主要方向?yàn)楣に嚨膬?yōu)化與元件的改良。良好的工藝可以用來優(yōu)化通孔再流焊，我國在生產(chǎn)調(diào)諧器和高技術(shù)、高附加值的一些通信產(chǎn)品已率先使用PIHR工藝，預(yù)計(jì)不久的將來這項(xiàng)技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。