穿孔回流焊接工藝技術(shù)

1、湖州生力電子有限公司 沈新海 本文確定了在實施穿孔回流焊（pihr）工藝之前或過程中需要考慮的包括材料、工藝、設(shè)計和可靠性等方面的關(guān)鍵問題，對穿孔回流焊的基本技術(shù)要求作了說明。 smt 穿孔 回流焊 pihr 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元件 smc/smd 為主。但是，由于固有強度、可靠性和適用性等因素，某些穿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電路板上使用穿孔元件的傳統(tǒng)工藝如圖1，其缺點是單個焊點費用很高，因為其中牽涉到額外的處理步驟，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

2、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。 穿孔回流焊接pin-in-hole reflow簡稱pihr的工藝技術(shù)如圖2，可實現(xiàn)在單一步驟中同時對穿孔元件和表面貼裝元件（smc/smd）進行回流焊。相對傳統(tǒng)工藝，在經(jīng)濟性、先進性上都有很大的優(yōu)勢。所以，pihr工藝是電子組裝中的一項革新，必然會得到廣泛的應(yīng)用。 圖1 傳統(tǒng)工藝流程 圖2 pihr工藝流程 pihr 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

3、率。； 5、可省去了一個或一個以上的熱處理步驟，從而改善pcb可焊性和電子元件的可靠性，等等。 1、在穿孔回焊過程中焊錫膏的用量比較大，由于助焊劑揮發(fā)物質(zhì)的沉積會增加對機器的污染，因而回流爐具有有效的助焊劑管理系統(tǒng)是很重要的； 2、此外，許多穿孔元件尤其是連接器無法承受回流焊溫度； 3、由于要同時兼顧到穿孔元件和貼片元件，使工藝難度增加。 本文重點是確定對 pihr 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)計或與工藝相關(guān)的因素，揭示在實施高良率 pihr 工藝之前必須清楚了解的關(guān)鍵問題。 1. 穿孔回流焊焊點形態(tài)要求 2. 獲得理想焊點的焊錫膏體積計算 3. 焊錫膏沉積方法

4、4. 設(shè)計和材料問題 5. 貼裝問題 6. 回流溫度曲線開發(fā) 下面將逐項予以詳細(xì)描述。 首先，應(yīng)該確定pihr焊點的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，建議參照業(yè)界普遍認(rèn)同的焊點質(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，進行修改以適應(yīng)其工藝水平。 pihr理想焊點模型是一個完全填充的電鍍穿孔 plated through hole pth，在pcb的頂面和底面帶有焊接圓角（如圖3）。 ipc-a-610d對穿孔焊接點的可接受標(biāo)準(zhǔn)是底部焊接圓角的存在和焊料充滿至少75板厚的穿孔。pihr工藝開發(fā)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是，如何在具有高密度引腳元件的穿孔里面和周圍印刷足夠

5、的錫膏，使得在底面形成可接受的焊接點，以滿足ipc-a-610d的要求。在pihr工藝中，在頂面形成焊接圓腳不是問題，因為錫膏是從頂部印刷的。 圖3 理想的焊點 pihr工藝成功的關(guān)鍵是精確計算印刷所需要的錫膏量，焊錫膏體積計算首先應(yīng)使用理想的固態(tài)金屬焊點，所謂理想的焊點如圖3所示。由于冶金方法、引腳條件、回流特點等因素的變化，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)焊點的體積。 固態(tài)焊料體積頂面和底面的焊點體積（電鍍穿孔的體積穿孔中元件引腳的體積） 當(dāng)計算出焊點的固態(tài)焊料體積后，再計算所需焊錫膏的體積，這是合金類型、流量密度、以及焊錫膏

6、中金屬重量百分比的函數(shù)。一般認(rèn)為印刷用焊錫膏內(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、流變增強劑等，它們在焊接溫度下會揮發(fā)消失在空氣中。所以， 理想焊點的焊錫膏體積固態(tài)焊料體積2 如果采用點錫膏工藝，焊料的體積比更低，焊錫膏的體積還需增加，大約是： 理想焊點的焊錫膏體積固態(tài)焊料體積2.5 對于 pihr 工藝，焊料沉積方法包括鋼網(wǎng)印刷、自動點焊錫膏，以及預(yù)置焊料片。 a 鋼網(wǎng)印刷是將焊錫膏沉積于 pcb 的首選方法。成功實施鋼網(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)，因為焊料體積與鋼網(wǎng)開孔面積和厚度是函數(shù)關(guān)系。 2、使用鋼質(zhì)刮刀以避免印刷時相對較大的鋼網(wǎng)

7、開孔的焊錫膏被挖取的情況。 3、優(yōu)先考慮定制設(shè)計的板支撐頂模，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體積，可考慮將焊錫膏同時印刷在板的頂面和底面。 5、dek最近的研究是使用內(nèi)置式刮板通過直接壓力將錫膏印刷在板上的印刷機。在這個方法中，沒有使用傳統(tǒng)的刮板，這個錫膏印刷方法可以保證在穿孔中充滿錫膏。 常見的穿孔印刷方法有以下幾種： 1 最便利和最高成本效益的工藝是設(shè)計一個同時適合 smc/smd 和穿孔元件的鋼網(wǎng)（如圖4）。鋼網(wǎng)厚度優(yōu)先考慮適合板上smc/smd。需要的焊錫膏量一部分被印進 pth，其余過印在 pcb 表面。這樣做雖然簡便，但是很容易造成錫量不足，我們可以通過

8、雙向印刷（如圖5）、增加穿孔直徑（如圖6）、減小錫膏粘度（如圖7）、減小刮刀角度（如圖8）等方法來增加穿孔中的錫膏量。 圖4 普通鋼網(wǎng)，單面一次印刷 圖5 雙向印刷增加穿孔中的錫膏量 圖6 增加穿孔直徑 圖7 減小錫膏粘度 圖8 減小刮刀角度 2 還有一種選擇，就是采用臺階式鋼網(wǎng)（如圖9），其中較厚的區(qū)域?qū)榇┛自O(shè)。所選擇的工藝隨特定裝配的技術(shù)組合狀況而改變。最后，進行回流焊接。該方法在獲得足夠焊接強度的同時，對元件的熱沖擊較小，而且操作成本也較低。 圖9 臺階式鋼網(wǎng)，單面一次印刷 3 對于既有需要較薄鋼網(wǎng)的smc/smd又有對焊錫膏量要求大的多列異形穿孔元件的情況，可能需要兩次鋼網(wǎng)印刷

9、工藝（如圖10）。這個工藝過程必須使用兩臺排成一列的鋼網(wǎng)印刷機。第一塊鋼網(wǎng)將焊錫膏印刷在表面貼裝焊盤上；第二塊鋼網(wǎng)較厚，它的底部錯開第一次印刷的位置 不影響前次印好的焊錫膏。 圖10 套印，單面二次印刷 4 對于既有需要較薄鋼網(wǎng)的smc/smd又有對焊錫膏量要求?蟮畝嗔幸煨危穿孔元件的情況，也可以不采用套印鋼網(wǎng)，而采用普通鋼網(wǎng)進行雙面二次印刷（如圖11）。這個工藝過程也要使用兩臺排成一列的鋼網(wǎng)印刷機。第一塊鋼網(wǎng)將焊錫膏印刷在正面貼裝元件和插裝元件的焊盤上；第二塊鋼網(wǎng)將焊錫膏只印刷在背面插裝元件的焊盤上 以滿足大的多列異形穿孔元件的焊錫膏錫量。 圖11 普通鋼網(wǎng)，雙面二次印刷 b 自動點焊錫膏是

10、小批量機種生產(chǎn)的最佳選擇，它能很好地為穿孔和異形元件沉積體積正確的焊錫膏。它提供了鋼網(wǎng)印刷可能無法實現(xiàn)的大量焊錫膏沉積的靈活性和能力。該技術(shù)也能將焊錫膏沉積于已經(jīng)進行部分裝配的pcb。為裸露的 pth 點焊錫膏時，建議使用比pth直徑略大的噴嘴。這樣，在點焊錫膏時強迫焊錫膏緊貼 pth 的孔壁，并使材料從 pth 的底部稍稍擠出，然后從點焊錫膏相反的方向?qū)⒃迦耄ㄈ鐖D12）。如果使用比 pth 直徑小的噴嘴，焊錫膏會從孔中排出并造成嚴(yán)重的焊錫膏損失。另一種工藝步驟就是插入元件并從引腳涂敷焊錫膏。噴嘴被設(shè)計成圍繞元件引腳的彎形。焊錫膏被擠向引腳周圍并進入 pth（如圖13）。 圖12 自動點焊

11、錫膏工藝之一 圖13 自動點焊錫膏工藝之二 c 預(yù)成形焊片是提供形成高質(zhì)量互連所需焊料體積的另一種選擇。目前已經(jīng)有公司可以提供引腳敷有助焊劑的預(yù)成形焊片，如同片式元件一樣進行編帶封裝，可以使用貼片機進行高速取放?；亓骱笗r，附加的預(yù)成形焊片與?肝嘁黃鶉芻曰竦鎂返暮噶咸寤?圖14 如果要應(yīng)用穿孔回流焊技術(shù)，也需要對元件、pcb設(shè)計、鋼網(wǎng)設(shè)計等方面提出一些不同于傳統(tǒng)工藝的要求。 a 穿孔元件要求能承受回流爐的回流溫度的標(biāo)準(zhǔn)，最小為230度/65秒（錫鉛工藝）或260度/65秒（無鉛工藝）。以下是一系列能夠承受回流焊溫度的樹脂： ? 液晶聚合物 lcp 相對昂貴，在薄壁鑄模中能保持緊密公差，并具有很好

12、的薄壁硬度 ? 聚亞苯基硫化物 pps 具有很好的流動性 ? 聚二甲基環(huán)化己烯對苯二酸酯 pct） ? polyphthalamide ppa 為了避免元件引腳帶走焊錫膏，造成錫量不足，元件引腳的末端應(yīng)設(shè)計成尖頭形狀（如圖15）。同時引腳有一個正確的長度非常重要，當(dāng)它們進入生產(chǎn)過程之前，必須被預(yù)先剪切，以達(dá)到比板厚多1.524毫米或更短的條件（如圖16）。如果引腳過長，會頂走焊錫膏，造成焊點錫量不足。 圖15 元件引腳末端應(yīng)設(shè)計成尖頭形狀 圖16 元件引腳的長度 另一項元件要求是元件距離 pcb 表面具有足夠和正確定位的離板間隙，離板間隙可使熔化的焊錫膏從其印刷位置自由地流向 pth（如圖17

13、）。錫珠和橋連是由不正確的元件本體設(shè)計而引發(fā)的缺陷。 圖17 元件本體與pcb之間保持合理間隙 bpcb pcb金屬化孔的直徑應(yīng)比圓形引腳的直徑大0.30.4毫米，比方形引腳的對角線大0.10.15毫米（如圖18）。pcb鉆孔的尺寸應(yīng)再大0.15毫米，這是電鍍補償。 圖18 pcb孔與元件引腳的尺寸 c 鋼網(wǎng)厚度：選擇鋼網(wǎng)厚度必須經(jīng)過仔細(xì)的考慮，一般使用 0.15mm0.20mm的厚度。有一點必須認(rèn)識的，是鋼網(wǎng)開孔面積是元件間距、列數(shù)、以及相鄰印錫間距的函數(shù)。 刮印方向：在設(shè)計鋼網(wǎng)穿孔時，重要的是要考慮刮刀的印刷方向。對于較小直徑 pth，這種作用更明顯，如果刮印方向與兩列pth 穿孔垂直，將

14、使得鄰近的兩列pth 穿孔充填狀況不同。如果將印刷方向旋轉(zhuǎn) 90度，使得刮印方向與兩列pth 穿孔一致，便可消除這種作用。 印錫間距：相鄰焊盤之間保持分開的焊錫膏沉積，將避免最熱點從相鄰焊盤吸收焊料，導(dǎo)致相鄰焊盤的錫量不足。焊錫膏加熱時有坍塌或溢散的趨勢，并且粘度降低，使相鄰焊盤間焊錫膏坍塌粘連的可能性增大?？蛇M行反復(fù)實驗來將印錫區(qū)域、高度及焊錫膏配方與相鄰焊盤印錫間距聯(lián)系起來，確定最佳的相鄰焊盤印錫間距設(shè)計指引。 開孔大?。轰摼W(wǎng)漏孔總是比焊盤要大，部分焊錫膏將涂在阻焊層上，需確認(rèn)回流焊后不會出現(xiàn)錫珠。為了很好地滿足焊錫充填pcb穿孔，確定涂敷焊料體積和pcb穿孔充填之間的關(guān)系是必須的。通過反

15、復(fù)實驗，可以繪制出涂敷焊料體積和pcb穿孔充填程度之間的曲線。 開孔形狀：針對pcb上的特大孔，在其整個直徑范圍不應(yīng)有完全的鋼網(wǎng)開孔，應(yīng)該使用分解餅形。圓形區(qū)域應(yīng)該分裂成四個餅形部分，在孔的邊緣形成傾斜；或者如果空間允許，將保持孔完全封閉，并完全套印焊錫膏敷層。一些元件如微型 din 連接器 插 pc 鼠標(biāo)用 是屏蔽型的。金屬屏蔽屬于可焊表面。如果焊錫膏敷層觸及該材料，就有可能造成焊料濕潤元件殼體而非 pth和引腳。但必須注意的是套印焊錫膏敷層在回流焊時，在被拖回至 pth 時會時而變短、時而變高，高度的增加會導(dǎo)致焊錫膏敷層與可焊的屏蔽部分接觸。因此，在確定焊錫膏敷層位置時必須考慮元件的設(shè)計。

16、 圖19 常見鋼網(wǎng)開孔形狀 目前有一些自動貼片機能夠貼裝異形和穿孔元件，元件可采用管式、卷軸式、盤式等包裝，送料器直接安裝在貼裝機上。自動貼裝具有精確、可靠和高速的優(yōu)點，而且可以進行自動貼裝的元件也越來越多。 手工貼裝是無奈的選擇。使用輔助定位夾具將有助于元件對位，提高手工貼裝效率。手工貼裝的兩項益處在于沒有設(shè)置時間和沒有設(shè)置成本。手工貼裝的缺點在于速度低，并且精度不穩(wěn)定。 回流爐必須能夠為整個元件和所有引腳位置提供足夠的熱量 溫度。與元件上裝配的其它smc/smd相比，許多異形穿孔元件較高和或具有較大的熱容量。分立的頂部和底部加熱控制也有助于降低 pcb 元件上的溫差 t。對于帶有高堆疊25

17、腳 dsub 連接器的計算機主板，元件殼體溫度高得不能接受。解決這個問題的方法是增加底部溫度而降低頂部溫度。焊料液相線之上的時間應(yīng)該足夠長，從而使助焊劑從 pth中揮發(fā)，可能比標(biāo)準(zhǔn)回流焊的溫度曲線要長。 大風(fēng)量強制熱風(fēng)對流回流爐更適合在pihr工藝中使用，它具有較高熱量傳遞率，可以保證穿孔內(nèi)焊錫膏的所有部分都會經(jīng)歷回焊良好的正確熱量曲線。 本文確定了在實施 pihr 工藝之前或過程中需要考慮的關(guān)鍵問題。pihr 工藝步驟提供了某些突出優(yōu)點，包括能夠同時進行 thc 和 smc/smd 回流焊；由于減少了工藝步驟而提高了產(chǎn)出；以及減少場地使用面積等。工藝工程師需要考慮包括材料、工藝、設(shè)計和可靠性等方面的問題。