混合技術貼裝與回流的模板設計

1、混合技術貼裝與回流的模板設計By William E. Coleman, Denis Jean and Julie Bradbury本文回顧用于在通孔焊盤/開口的周圍和內(nèi)面印刷錫膏的模板設計要求有必要回顧對于混合技術板的模板設計要求，因為全面實施允許通孔元件和表面貼裝元件(SMD) 兩者同時貼裝和隨后的回流焊接。這消除了波峰焊接或手工焊接通孔元件的必要。通孔元件的材料類型、 引腳類型、引腳長度和支起高度將被考慮。將考慮三種模板設計：使用特大模板開孔來添印錫膏在通孔焊盤區(qū)域內(nèi)的單一厚度模板，使用特大模板開孔來添印錫膏在通孔焊盤區(qū)域內(nèi)的臺階式模板，和用于在通孔焊盤區(qū)域內(nèi)的印刷錫膏的厚模板 &quo

2、t; " 厚度 )。厚模板是雙印模板工藝中的第二塊模板。模板設計的選擇依靠幾個因素。這些因素包括：用于填充引腳周圍已鍍通孔以形成適當焊錫圓角的總的焊錫量要求；板的厚度；引腳直徑；已鍍通孔尺寸；通孔元件在板面分布的位置；元件間距；阻焊表面能量；錫膏活性水平；和金屬可焊性。背景雖然從通孔元件到SMD 的轉(zhuǎn)換已經(jīng)是戲劇性的，但許多印刷電路板 (PCB) 還使用兩種技術來組裝。在大多數(shù)電子裝配中，將有一些通孔元件在板上。在要求功率的應用中，連接器將繼續(xù)以通孔形式存在。把通孔元件和SMD 一起貼裝和回流焊接會帶來很大的利益。這表示對錫膏印刷工藝的特殊挑戰(zhàn)。模板必須提供足夠的錫膏量來填充通孔，提

3、供良好的焊接點。通孔元件必須能夠經(jīng)受在回流焊接過程中遇到的特別大的熱量。對通孔引腳形式和整個 PCB 設計必須作特殊的考慮。最近由 Gervascio 和 Whitmoreet al 發(fā)表的論文已探討了對通孔回流焊接的腳-浸-膏的工藝。通孔元件選擇元件材料。元件經(jīng)常落入“不兼容 ”的范疇，因為它們是設計用于波峰焊接的- 元件身體的溫度典型的比回流焊接工藝低50°100°C。以下是對回流焊接工藝的可接受和不可接受的材料一列表：可接受材料：DiallylPhthalate; Fluorinated Ethylene Propylene(FEP); Neoprene; Nylon

4、 6/6; Perfluoroalkoxy (PFA) resin; Phenolic; Polyamide-imide; Polyarylsulfone; Polyester ; Thermoset; Polyetherimide; Polyethylene Terephthalate; Polyimide; Polysulfone; Polytetrafluoroethylene (PFTE); Silicone; Polyphenylene Sulfide(PPS); Liquid Crystal Polymer (LCP); Polyetheretherketone.不可接受材料：Ac

5、rylonitrileButadiene Styrene (ABS);Acetalpolymer; Acrylic; Cellulose Acetate Butyrate (CAB); Polybutylene Teraphthalate (PBT); Polybutylene; Polycarbonate; Polyethylene; Polyphenylene Oxide; Polypropylene; Polystyrene; Polyvinyl Chloride (PVC); Polyethylene Tedrephthalate (PET).引腳類型：直腳比較鎖腳通孔元件將經(jīng)常有很高

6、的保持力，波峰焊接期間用來保持元件的位置。在闖入式回流焊接中，這種力量沒有必要。高插入力量將使手工或自動插件復雜化，產(chǎn)生通孔元件插件或貼裝期間的缺陷機會。通孔元件的插件力量必須小于貼裝設備的Z 軸力量；理想的，插件力應該趨于零。插件振動應該保持到最小，以防止較小的 SMD 位移。元件選擇必須考慮到機器限制 (貼裝精度，貼裝力量，視覺能力和送料機構(gòu) )和人機工程學因素。 有高引腳數(shù)的通孔元件應該有手工貼裝的定位特征，指導操作員對焊盤孔的適當定位。引腳長度引腳長度不應該超過 PCB 厚度的 "。當引腳插入，一些錫膏被頂出孔，留在引腳上。如果引腳太長，在回流焊接過程中錫膏將不能流回焊盤，減

7、少了最后的焊接圓角體積。PCB 設計事項通孔尺寸。在分析元件通孔尺寸的設計中，幾個因素起作用：貼裝精度公差 (A)PCB 通孔位置公差 (B)PCB 通孔尺寸公差 (C)零件引腳位置公差(D)引腳直徑公差 (E)經(jīng)驗顯示，最壞情況的分析不總是必須的。假設這些因素設正常和獨立地分布的， 每個因素的自然公差限( ±3 sigma)與它們各自的規(guī)格限定相符合，或在其內(nèi)，對插件過程的總標準偏差的估計的公差的平方和開平方根。決定元件通孔尺寸的方程式如下：最后孔徑= 名義引腳直徑+ (A2 + B2 + C2 + D2 + E2)在最后通孔中成功插件的概率可從Z 表估算，因為在正態(tài)分布中，自然公

8、差限為：可是，應該注意到，元件引腳與最后通孔尺寸之間的間隙越大，需要越多的錫膏量來形成適度的焊接點。焊盤尺寸。當考慮最小焊盤尺寸時，設計必須考慮到最后通孔尺寸， PCB 制造公差和最小要求環(huán)。最小環(huán)是從通孔邊緣到焊盤外徑的銅材。這是需要用來使電鍍?nèi)菀缀蜋C械錨定已鍍通孔的一層銅的最小量的函數(shù)。下面給出對于任何最后通孔尺寸的最小焊盤直徑：最小焊盤直徑= 最后通孔直徑+ 2 x ( 最小環(huán) ) + PCB 制造公差應該注意到最小焊盤尺寸減少了需要用來形成頂面和低面焊接圓角的錫膏量。錫膏不準入內(nèi)的區(qū)域。通孔元件將要求額外的間隙，沒有元件和暴露通路孔需要錫膏添印。如果有暴露的通路孔太靠近，焊錫將在通路孔

9、與元件焊盤之間平分，引起錫橋。通孔元件的錫膏不準入內(nèi)區(qū)域應該沒有暴露的金屬(除焊盤外 )，其它孔和圖例油墨。圖例油墨可能影響回流期間錫膏的流動，并引起它分開，形成錫珠。錫膏添印的考慮成功的錫膏添印是錫膏流變學、阻焊和通孔元件支起高度的函數(shù)。高表面能量的阻焊將比低表面能量的阻焊允許更多的添印。如果添印多，低表面能量的阻焊可能形成錫珠。另外，可焊性較高的焊盤表面拋光., HASL vs. OSP)、引腳拋光和較高熔濕強度的錫膏，都有助于使添印回流過程更穩(wěn)健。錫膏印刷應該覆蓋整個焊盤，使焊盤作用在添印區(qū)域的熔濕力最大。所要求的元件支起高度是超出元件焊盤的錫膏量的函數(shù)。因為在不可焊表面的熔錫的形狀是球

10、形的，添印的錫膏有一種趨勢在回流期間當它向內(nèi)移向焊盤時形成球形。元件支起高度必須大于2x (在任何給定方向印刷超出元件焊盤量x 3)/4n1/3 。容納材料的元件不應該與錫膏接觸。支起高度不能滿足這個要求或添印方式不能重新安排的地方，或許有必要減少添印尺寸和用臺階式模板來補償錫膏不足。電器測試考慮這個過程將影響電器在線測試(ICT) 。當使用闖入式回流工藝，通孔元件的引腳尖和底面焊接圓角覆蓋有助焊劑殘留，可能導致不適當?shù)奶结樈佑|，如果引腳尖是用來作測試點。將要求額外的測試焊盤來消除不良的探針接觸。另一個可能影響ICT 的因素是，沒堵塞的通路孔引起的真空降低。對測試的目的，非測試通路孔可以用阻焊

11、遮蓋。模板設計焊錫量。用于通孔回流焊接的錫膏模板印刷的目的是，提供足夠的焊錫量在回流焊接后填充通孔，并在引腳周圍形成可接受的焊接圓角。描述所要求的錫膏量的方程式如圖一中所示。有三種通常用于給通孔遞送錫膏的模板設計：非臺階式模板，臺階式模板和雙印模板。開口之間的最小距離。開口之間的網(wǎng)格距離應該最大化，以消除錫橋或由于錫膏塌落引起的焊錫斷源。" 或更少的模板上的開口之間的細網(wǎng)格會在印刷過程中變形和拉長。下面因素中的一些將影響網(wǎng)格尺寸：開口尺寸模板厚度板的彎曲度刮板材料印刷機設定不采用臺階的添印這是一個單一厚度的模板，很大的開口使通孔元件滿足用于形成焊接點的錫膏量的要求。該模板類型的截面如

12、圖二所示。使用這種模板的一個例子是，一個兩排的連接器，"間距， "直徑的通孔和 "的引腳直徑， "厚度的 PCB，在 "的通孔開口范圍內(nèi)沒有其它的元件和通路孔。一塊 " 寬， "長的開口，和 "厚度的添印模板，可以達到足夠的錫膏量，以形成在PCB 的兩面有焊接圓角的焊接點。用臺階式添印當單一厚度的添印模板不能提供適當?shù)腻a膏量來形成一個可接受的焊接點的時候，可使用臺階式添印模板。臺階式添印模板的應用是，多引腳排的通孔元件(三或更多 )或在 SMT 元件和通孔元件之間具有最小不準入內(nèi)區(qū)域的高密度組裝板。這個模板類型的一

13、個例子如圖三所示。K1 和 K2 是不準入內(nèi)距離。K2 是通孔開口與臺階邊緣之間的距離。作為一條設計指導原則，K2 可以小到 "。K1 是臺階邊緣到臺階下降區(qū)域內(nèi)最近的開口的距離。作為一條設計指導原則，K1 對每一個 "的臺階下降厚度不應該小于"。例如，"一個臺階下降到 "，將要求的 K1 不準入內(nèi)距離。也可能把臺階放在模板的接觸面，而不是刮板面 (圖四 )。這種類型的臺階有時對使用金屬刮刀更有效。錫膏裝載式印刷頭沒有印刷刀片，但有擦拭刀片。這些擦拭刀片會碰上模板刮刀面的任何臺階。因此，對這類印刷頭，要求接觸面臺階。同樣的不準入內(nèi)原則用于接觸面

14、或刮刀面臺階。臺階樣式取決于PCB 樣式。圖五所示帶有邊緣連接器的PCB。PCB 輪廓由點虛線表示。 這種情況， 臺階應該比所示的刮刀長度要寬。當刮刀通過刮刀面臺階的加深部分時，不會在端點被支起。金屬箔會很容易地往下偏，對接觸面臺階，形成良好的和PCB之間的接觸。圖六所示，通孔元件交錯在SMT 元件中間。這種情況，模板在一個很大的區(qū)域包括板的區(qū)域，向下一個臺階到" 。還有，臺階比刮板長度更大，如圖所示。在通孔元件區(qū)域，模板向上臺階到 "。向上臺階可以在刮板面或者接觸面。點雙印模板一些通孔元件有小的引腳而大的通孔或密的間距而厚的板。任何一個情況， 使用前兩種模板設計都可能造成錫膏量不足。雙印模板可以遞送大量的錫膏到已鍍通孔中。在這個設計中， 一塊標準的 SMT 模板 "厚 )用來印刷 SMD 的焊錫塊。當SMD 錫膏還有粘性時，一塊厚的模板用來印刷通孔錫膏。通常，這要求第二臺模板印刷機在線設立，完成這次印刷。 這個模板可以達到所要求的厚度 - 一般 " "。當厚度要求超過"時，激光切割、電解拋光的開口由于其優(yōu)良的孔壁