電子通孔元件和表面貼裝元件通孔回流焊接技術(shù)研究與實(shí)施
在傳統(tǒng)的電子組裝工藝中，對于安裝有過孔插裝元件(THD)印制板組件的焊接一般采用波峰焊接技術(shù)。但波峰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翹曲變形。因此波峰焊接在許多方面不能適應(yīng)電子組裝技術(shù)的發(fā)展。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)的措施是采用通孔回流焊接技術(shù)。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錫膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件同時(shí)通過回流焊完成焊接。由于電子產(chǎn)品越來越重視小型化、多功能，使電路板上元件密度越來越高，許多單面和雙面板都以表面貼裝元件 (SMC/SMD) 為主。但是，由于固有強(qiáng)度、可靠性和適用性等因素，某些通孔元件仍然無法片式化，特別是周邊連接器。在以表面貼裝型元件為主的PCB上使用通孔元件的傳統(tǒng)工藝如圖1，其缺點(diǎn)是單個(gè)焊點(diǎn)費(fèi)用很高，因?yàn)槠渲袪可娴筋~外的處理步驟，包括波峰焊和手工焊，而且波峰焊接有許多不足之處：不適合高密度元件焊接;橋接、漏焊較多;需噴涂助焊劑;印制板受到較大熱沖擊翹曲變形。
通孔回流焊接的工藝技術(shù)如圖2，可實(shí)現(xiàn)在單一步驟中同時(shí)對通孔元件和表面貼裝元件(SMC/SMD)進(jìn)行回流焊。相對傳統(tǒng)工藝，在經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性上都有很大的優(yōu)勢。所以，通孔回流工藝是電子組裝中的一項(xiàng)革新，必然會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。
一、通孔回流焊接工藝與傳統(tǒng)工藝相比具有以下優(yōu)勢：
1、首先是減少了工序，省去了波峰焊這道工序，多種操作被簡化成一種綜合的工藝過程;
2、需要的設(shè)備、材料和人員較少;
3、可降低生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期;
4、可降低因波峰焊而造成的高缺陷率，達(dá)到回流焊的高直通率。;
5、可省去了一個(gè)或一個(gè)以上的熱處理步驟，從而改善PCB可焊性和電子元件的可靠性，等等。
盡管用通孔回焊可得到良好的工藝效果，但還是存在一些工藝問題。
1、在通孔回焊過程中錫膏的用量比較大，由于助焊劑揮發(fā)物質(zhì)的沉積會(huì)增加對機(jī)器的污 染，因而回流爐具有有效的助焊劑管理系統(tǒng)是很重要的;
2、對THT元件質(zhì)量要求高，要求THT元件能經(jīng)受再流焊爐的熱沖擊，例如線圈、連接器、屏蔽等。有鉛焊接時(shí)要求元件體耐溫235℃，無鉛要求260℃以上。許多THT元件尤其是連接器無法承受回流焊溫度;電位器、鋁電解電容、國產(chǎn)的連接器、國產(chǎn)塑封器件等不適合回流焊工藝。
3、由于要同時(shí)兼顧到THT元件和SND元件，使工藝難度增加。
本文重點(diǎn)是確定對通孔回流工藝質(zhì)量有明顯影響的各種因素，然后將這些因素劃分為材料、設(shè)計(jì)或與工藝相關(guān)的因素，揭示在實(shí)施通孔回流工藝之前必須清楚了解的關(guān)鍵問題。
1. 通孔回流焊焊點(diǎn)形態(tài)要求
2. 獲得理想焊點(diǎn)的錫膏體積計(jì)算
3. 錫膏沉積方法
4. 設(shè)計(jì)和材料問題
5. 貼裝問題
6. 回流溫度曲線的設(shè)定
下面將逐項(xiàng)予以詳細(xì)描述。
1 、通孔回流焊焊點(diǎn)形態(tài)要求：
首先，應(yīng)該確定PIHR焊點(diǎn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，建議參照業(yè)界普遍認(rèn)同的焊點(diǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)IPC-A-610D，根據(jù)分類 (1、2或3類)定出目視檢查的最低可接受條件。企業(yè)可在此標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行修改以適應(yīng)其工藝水平。
通孔回流理想焊點(diǎn)模型是一個(gè)完全填充的電鍍通孔(Plated Through Hole，PTH)，在PCB的頂面和底面帶有焊接圓角(如圖3)。
IPC-A-610D對通孔焊接點(diǎn)的可接受標(biāo)準(zhǔn)是底部焊接圓角的存在和焊料充滿至少75%板厚的通孔
。PIHR工藝的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是，如何在具有高密度引腳元件的通孔里面和周圍印刷足夠的錫膏，使得在底面形成可接受的焊接點(diǎn)，以滿足IPC-A-610D的要求。在通孔回流工藝中，在頂面形成焊接圓腳不是問題，因?yàn)殄a膏是從頂部印刷的。
2 、理想焊點(diǎn)的錫膏體積計(jì)算：
通孔回流工藝成功的關(guān)鍵是精確計(jì)算印刷所需要的錫膏量，錫膏體積計(jì)算首先應(yīng)使用理想的固態(tài)金屬焊點(diǎn)，所謂理想的焊點(diǎn)如圖3所示。由于冶金方法、引腳條件、回流特點(diǎn)等因素的變化，無法準(zhǔn)確地預(yù)測焊接圓角的形狀，使用圓弧描述焊腳是適當(dāng)和簡單的近似方法，再將焊腳區(qū)域旋轉(zhuǎn)以確定固態(tài)焊點(diǎn)的體積。固態(tài)焊料體積=頂面和底面的焊點(diǎn)體積+(電鍍通孔的體積-通孔中元件引腳的體積)
當(dāng)計(jì)算出焊點(diǎn)的固態(tài)焊料體積后，再計(jì)算所需錫膏的體積，這是合金類型、流量密度、以及錫膏中金屬重量百分比的函數(shù)。一般認(rèn)為印刷用錫膏內(nèi)的焊料只占大約50%的體積，另外50%的體積是助焊劑、增稠劑、流變增強(qiáng)劑等，它們在焊接溫度下會(huì)揮發(fā)消失在空氣中。所以，理想焊點(diǎn)的錫膏體積=固態(tài)焊料體積×2
如果采用點(diǎn)錫膏工藝，焊料的體積比更低，錫膏的體積還需增加，大約是：
理想焊點(diǎn)的錫膏體積=固態(tài)焊料體積×2.5
3 、焊料沉積方法：
對于通孔回流工藝，焊料沉積方法包括鋼網(wǎng)印刷、自動(dòng)點(diǎn)錫膏，以及預(yù)置焊料片。
A、鋼網(wǎng)印刷
鋼網(wǎng)印刷是將錫膏沉積于 PCB 的首選方法。成功實(shí)施鋼網(wǎng)印刷焊料沉積方法，須關(guān)注以下問題：
1、鋼網(wǎng)厚度是關(guān)鍵的參數(shù)，因?yàn)楹噶象w積與鋼網(wǎng)開孔面積和厚度是函數(shù)關(guān)系。
2、使用鋼質(zhì)刮刀以避免印刷時(shí)相對較大的鋼網(wǎng)開孔的錫膏被挖取的情況。
3、優(yōu)先考慮定制支撐頂模，以適應(yīng)100% 以上的孔充填。
4、為了達(dá)到所希望的焊錫圓角形狀，可考慮將錫膏同時(shí)印刷在板的頂面和底面。
4 、應(yīng)用于通孔回流焊接工藝的元件的本體材料
由于通孔和異形組件將要經(jīng)過整個(gè)回流溫度曲線，所以它們必須承受高的溫度。元件應(yīng)該采用那些在 183℃(最好是220℃達(dá)40s)以上、峰值溫度235℃、(60～90 )s內(nèi)不發(fā)生劣化的樹脂制造。元件制造商還需要有關(guān)彎曲、尺寸穩(wěn)定性、收縮和介電特性等方面的標(biāo)準(zhǔn)。
5 、元件插入
采用人工方法將電子元件插入PCB中，元件的管腿不能過長，長引腳也會(huì)吸收焊膏量，針長要與PCB厚度和應(yīng)用類型相匹配，插裝后在PCB焊接面的針長控制在1~1.5mm(根據(jù)產(chǎn)品特性而定)。如電容、電阻、排插、開關(guān)等。元件在插入前管腿已經(jīng)剪切，在焊接后無須再剪切管腿。控制元件插裝高度，元件體、特別是連接器的外殼不能和焊膏接觸。
6 、回流溫度曲線的設(shè)定
由于通孔回流焊的焊膏、元件性質(zhì)基本相同于SMT回流，故溫度曲線也基本相同，通常包括預(yù)熱區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)。
6.1 預(yù)熱區(qū)
將線路板由常溫加熱到120～160℃，目的是PCB及錫膏預(yù)熱，避免PCB及錫膏在回流區(qū)受到熱沖擊。如果PCB上有不耐高溫的元件，則可以將此溫區(qū)的溫度降低，以免損壞元件。
6.2 回流區(qū)(主加熱區(qū))
溫度上升到錫膏熔點(diǎn)，且保持一定的時(shí)間，使錫膏完全熔化，最高溫度在200～ 230℃。在183℃以上的時(shí)問為30～40s。
6.3 冷卻區(qū)
借助冷卻風(fēng)扇，降低焊錫溫度，形成焊點(diǎn)，并將PCB冷卻至常溫。
二、研究試驗(yàn)：
錫膏印刷：
使用0.15mm厚度的鋼片印刷，在插裝IC位置局部加厚至0.2mm，增加錫膏印刷量，使焊點(diǎn)達(dá)到正反面透錫量符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn);
元件安裝：
采用回流焊前手工插件的方式安裝，安裝完畢后一同回流焊接;
回流焊接（焊接試驗(yàn)）：
以CBB-819-CPU0014 CPU板產(chǎn)品回流焊接試驗(yàn)為例：
將回流溫度初步設(shè)在200℃--215℃之間(實(shí)際測量溫度)，使焊錫能夠充分融化，形成良好的焊接(溫度設(shè)定盡量偏低，保證插裝芯片回流焊接后不會(huì)損壞)。此產(chǎn)品使用通孔回流焊接后將樣品送客戶進(jìn)行功能測試，經(jīng)檢測功能達(dá)到客戶要求。
三、結(jié)論 ：
通孔回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，這時(shí)傳統(tǒng)的波峰焊接已無能為力，另外通孔回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。通孔回流焊的出現(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?？梢灶A(yù)見，通孔回流焊將在未來的電子組裝中發(fā)揮日益重要的作用。
來源：許昌許繼電子有限公司
部門：工程技術(shù)部
作者：張智勇
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