通孔再流焊接技術(shù)

1、通孔再流焊接技術(shù)     1 引 言 目前PCB組裝中，表面貼裝元件約占8000，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(guò)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-hole Reflow)，又稱為穿孔再流焊PIHR

2、(Pin-in-Hole Reflow)。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(guò)孔焊盤(pán)對(duì)齊，使用刮刀將模板上的焊膏漏印到焊盤(pán)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)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(duì)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

3、，都大有幫助。2 通孔再流焊(THRPIP)工藝過(guò)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(shí)應(yīng)考慮2個(gè)問(wèn)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(huì)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(lái)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(pán)有一個(gè)牢固的接觸，就需重新

4、設(shè)計(jì)模板、再流焊溫度曲線及引腳與開(kāi)孔直徑比例等。通孔插裝元件主體須離開(kāi)線路板表面至少0.5mm，防止元件插裝前后焊膏發(fā)生移動(dòng)。元件引腳不要太長(zhǎng)，通常長(zhǎng)出板面1.01.5 mm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1020 N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(pán)，放置插裝件，再流焊接。圖1為一單面通孔再流焊工藝過(guò)程示意圖。無(wú)論對(duì)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(pán)設(shè)計(jì)通孔再流焊相鄰的通孔間距要求至少2.54 mm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(pán)孔徑設(shè)計(jì)要求見(jiàn)圖2，其中d為方形

5、插針對(duì)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(shí)，焊膏印刷量易出現(xiàn)不足，而且如果元件是在板上過(guò)爐的話，空洞與少錫的現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，如果元件是在板下過(guò)爐的話，可以加大通孔PAD直徑或邊長(zhǎng)來(lái)補(bǔ)充錫量，這樣一般不太會(huì)有空洞和少錫現(xiàn)象；當(dāng)di>2 mm時(shí)，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0.20.3 mm，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3050來(lái)補(bǔ)充，或焊盤(pán)設(shè)計(jì)為爪形，伸出的部分盡量長(zhǎng)。4 焊膏涂覆工藝通孔再流焊技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)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

6、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(shí)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(pán)上焊膏量恰到好處，否則會(huì)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(huì)降低。模板厚度一定尺寸一定時(shí)，為了滿足足夠的焊膏量，一般可以通過(guò)改變印刷參數(shù)來(lái)控制或采用分級(jí)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(shí)，一部分焊膏被擠出。在未焊接前，這一部分錫可能會(huì)掉下來(lái)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

7、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(lái)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：Vs=(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0.61.O。但是這種方法容易受網(wǎng)板開(kāi)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

8、的爬升，在焊盤(pán)上形成一定的潤(rùn)濕圓角。參照?qǐng)D5，焊盤(pán)上圓角焊膏體積計(jì)算公式為：Vf=A×2X=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(gè)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(shí)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

9、裝。 新型的焊膏涂覆技術(shù)很好地解決了上述2方面的問(wèn)題，一是采用如圖6所示的分級(jí)模板技術(shù)，二是采用如圖7右圖的封閉壓力系統(tǒng)。分級(jí)模板技術(shù)可采用0.150.25 mm厚的分級(jí)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(lái)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(kāi)口、要求印刷大量焊膏和在通孔中施加焊膏等應(yīng)用時(shí)，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

10、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(kāi)孔形狀、尺寸和厚度來(lái)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(duì)比，刮刀系統(tǒng)可以通過(guò)減小刮刀角度來(lái)增加焊膏施放量，封閉壓力系統(tǒng)可以增加垂直壓力來(lái)增加焊膏施放量，根據(jù)IPC-A-610C要求出孔焊膏量為l1.5 mm，如圖8所示。                      

11、;                      5 元件貼裝工藝     通孔再流焊技術(shù)對(duì)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(duì)元件外包材料沒(méi)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(guó)產(chǎn)的一些塑封元件。因此選擇時(shí)要看是否適合更高溫度的工作條件、能否配合視覺(jué)系統(tǒng)、針型柵格、高度及重量、定位和底

12、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(dòng)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(dòng)包裝也需進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，這會(huì)帶來(lái)更高的成本和技術(shù)。     通孔再流焊元件插裝時(shí)，引腳長(zhǎng)度和錐形引腳端部形狀對(duì)插件后的焊膏量也會(huì)有較大影響。元件引腳穿出電路板太長(zhǎng)時(shí)，引腳端部會(huì)帶走一部分焊膏，這部分焊膏可能會(huì)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(zhǎng)度。元件引腳的最大允許長(zhǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定。引腳端部形狀也會(huì)

13、對(duì)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(gè)偏心的問(wèn)題，即插裝位置是否對(duì)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(guò)程中也會(huì)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(rùn)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(pán)處，因而不會(huì)產(chǎn)牛自校準(zhǔn)作用，這樣冷卻后會(huì)產(chǎn)生引腳偏心的焊點(diǎn)。也就是說(shuō)引腳的偏

14、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](méi)有考慮到熱傳遞效應(yīng)對(duì)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(huì)導(dǎo)致元件損壞，太低會(huì)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(guò)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(rùn)濕階段時(shí)間不要過(guò)長(zhǎng)，

15、從潤(rùn)濕到峰值溫度的曲線要很陡，當(dāng)然不能超過(guò)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(pán)上涂敷的焊膏量大得多，再流焊時(shí)會(huì)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(wú)鉛工藝中出現(xiàn)影響可靠性的新問(wèn)題(圖11)。元件和電路板焊盤(pán)鍍層容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，焊點(diǎn)脫離焊盤(pán)；某些情況下焊點(diǎn)與焊盤(pán)不分離，但是焊盤(pán)和PCB分離，原因是由于焊點(diǎn)凝固的不同時(shí)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(wú)鉛焊接中也出現(xiàn)，可能的導(dǎo)致原因是鉛的污染或

16、非共晶合金的熱膨脹和收縮。對(duì)通孔再流焊來(lái)說(shuō)焊盤(pán)尺寸對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響，而通孔對(duì)承載強(qiáng)度有很大的影響。剝離現(xiàn)象不會(huì)對(duì)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(guò)減小焊盤(pán)尺寸或采用如圖12所示結(jié)構(gòu)(阻焊層將焊盤(pán)覆蓋一部分)來(lái)防止焊盤(pán)與PCB剝離。 7 焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)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3040%。從焊點(diǎn)強(qiáng)度方面來(lái)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(lái)判斷：當(dāng)達(dá)到臨界釬料量時(shí)，焊點(diǎn)外觀上沒(méi)有空

17、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(rùn)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(rùn)性的最低條件是焊料球和外圍浸潤(rùn)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(rùn)接近360(最低270)時(shí)就算滿足要求。     通常，孔填充不良往往是工藝或元件有問(wèn)題的征兆，它給可靠性帶來(lái)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(shí)每個(gè)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

18、原因。應(yīng)該考慮釬料在每根引線上的均勻分布和釬料對(duì)引線和孔壁的良好潤(rùn)濕。 8 存在的一些問(wèn)題     通孔再流焊前端工藝會(huì)遇到一些問(wèn)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(jí)模板的方法，使用較厚的模板時(shí)還會(huì)在貼裝元件所需要的時(shí)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(wèn)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(huì)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(wèn)題是引腳的視覺(jué)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(lái)"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)?/p>