穿孔回流焊接工藝技術(shù)

　　引言

 

　　由于電子產(chǎn)品越來(lái)越重視小型化、多功能，使電路板上元件密度越來(lái)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(qiáng)度、可靠性和適用性等因素，某些穿孔元件仍然無(wú)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，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。

 

　　穿孔回流焊接(pin-in-hole reflow,簡(jiǎn)稱 PIHR)的工藝技術(shù)如圖 2，可實(shí)現(xiàn)在單一步驟中同時(shí)對(duì)穿孔元件和表面貼裝元件(SMC/SMD)進(jìn)行回流焊。相對(duì)傳統(tǒng)工藝，在經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性上都有很大的優(yōu)勢(shì)。所以，PIHR 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。

 

　　PIHR 工藝與傳統(tǒng)工藝相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

 

　　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(jiǎn)化成一種綜合的工藝過(guò)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。

 

　　盡管用穿孔回焊可得到良好的工藝效果，但還是存在一些工藝問(wèn)題。

 

　　1、在穿孔回焊過(guò)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(huì)增加對(duì)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、此外，許多穿孔元件尤其是連接器無(wú)法承受回流焊溫度;

 

　　3、由于要同時(shí)兼顧到穿孔元件和貼片元件，使工藝難度增加。

 

　　本文重點(diǎn)是確定對(duì) 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(jì)或與工藝相關(guān)的因素，揭示在實(shí)施高良率 PIHR 工藝之前必須清楚了解的關(guān)鍵問(wèn)題。

 

　　1. 穿孔回流焊焊點(diǎn)形態(tài)要求

 

　　2. 獲得理想焊點(diǎn)的焊錫膏體積計(jì)算

 

　　3. 焊錫膏沉積方法4. 設(shè)計(jì)和材料問(wèn)題

 

　　5. 貼裝問(wèn)題

 

　　6. 回流溫度曲線開(kāi)發(fā)

 

　　下面將逐項(xiàng)予以詳細(xì)描述。

 

　　一、穿孔回流焊焊點(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。

 

　　PIHR 理想焊點(diǎn)模型是一個(gè)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(duì)穿孔焊接點(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%板厚的穿孔。PIHR 工藝開(kāi)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 PIHR 工藝中，在頂面形成焊接圓腳不是問(wèn)題，因?yàn)殄a膏是從頂部印刷的。

 

　　二、理想焊點(diǎn)的焊錫膏體積計(jì)算：

 

　　PIHR 工藝成功的關(guān)鍵是精確計(jì)算印刷所需要的錫膏量，焊錫膏體積計(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(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接圓角的

 

　　形狀，使用圓弧描述焊腳是適當(dāng)和簡(jiǎn)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+(電鍍穿孔的體積-穿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)算所需焊錫膏的體積，這是合金類型、流量密度、以及焊錫膏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?cè)鰪?qiáng)劑等，它們?cè)诤附訙囟认聲?huì)揮發(fā)消失在空氣中。所以，理想焊點(diǎn)的焊錫膏體積=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，焊錫膏的體積還需增加，大約是：理想焊點(diǎn)的焊錫膏體積=固態(tài)焊料體積×2.5

 

　　三、焊料沉積方法：

 

　　對(duì)于 PIHR 工藝，焊料沉積方法包括鋼網(wǎng)印刷、自動(dòng)點(diǎn)焊錫膏，以及預(yù)置焊料片。

 

　　A、鋼網(wǎng)印刷

 

　　鋼網(wǎng)印刷是將焊錫膏沉積于 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(wèn)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(kāi)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(duì)較大的鋼網(wǎng)開(kāi)孔的焊錫膏被挖取的情況。

 

　　3、優(yōu)先考慮定制設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)直接壓力將錫膏印刷在板上的印刷機(jī)。在這個(gè)方法中，沒(méi)有使用傳統(tǒng)的刮板，這個(gè)錫膏印刷方法可以保證在穿孔中充滿錫膏。

 

　　常見(jiàn)的穿孔印刷方法有以下幾種：

 

　　1、普通鋼網(wǎng)，單面一次印刷：

 

　　最便利和最高成本效益的工藝是設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)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(jìn) PTH，其余過(guò)印在 PCB 表面。這樣做雖然簡(jiǎn)便，但是很容易造成錫量不足，我們可以通過(guò)雙向印刷、增加穿孔直徑、減小錫膏粘度、減小刮刀角度(如圖 8)等方法來(lái)增加穿孔中的錫膏量。

 

　　2、臺(tái)階式鋼網(wǎng)，單面一次印刷

 

　　還有一種選擇，就是采用臺(tái)階式鋼網(wǎng)(如圖 9)，其中較厚的區(qū)域?qū)�為穿孔元件而設(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(jìn)行回流焊接。該方法在獲得足夠焊接強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)元件的熱沖擊較小，而且操作成本也較低。

 

　　3、套印，單面二次印刷

 

　　對(duì)于既有需要較薄鋼網(wǎng)的 SMC/SMD 又有對(duì)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)印刷工藝(如圖 10)。這個(gè)工藝過(guò)程必須使用兩臺(tái)排成一列的鋼網(wǎng)印刷機(jī)。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(cuò)開(kāi)第一次印刷的位置, 不影響前次印好的焊錫膏。

 

　　4、普通鋼網(wǎng)，雙面二次印刷

 

　　對(duì)于既有需要較薄鋼網(wǎng)的 SMC/SMD 又有對(duì)焊錫膏量要求大的多列異形/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(jìn)行雙面二次印刷(如圖 11)。這個(gè)工藝過(guò)程也要使用兩臺(tái)排成一列的鋼網(wǎng)印刷機(jī)。

 

　　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。

 

　　B、自動(dòng)點(diǎn)焊錫膏

 

　　自動(dòng)點(diǎn)焊錫膏是小批量機(jī)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(wú)法實(shí)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(jìn)行部分裝配的PCB。為裸露的 PTH 點(diǎn)焊錫膏時(shí)，建議使用比 PTH 直徑略大的噴嘴。這樣，在點(diǎn)焊錫膏時(shí)強(qiáng)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(diǎn)焊錫膏相反的方向?qū)⒃�件插�?如圖 12)。如

 

　　果使用比 PTH 直徑小的噴嘴，焊錫膏會(huì)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(jì)成圍繞元件引腳的彎形。焊錫膏被擠向引腳周圍并進(jìn)入 PTH。

 

　　C、預(yù)置焊料片

 

　　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(jìn)行編帶封裝，可以使用貼片機(jī)進(jìn)行高速取放。回流焊時(shí)，附加的預(yù)成形焊片與焊錫膏一起熔化，以獲得精確的焊料體積。

 

　　四、設(shè)計(jì)和材料問(wèn)題

 

　　如果要應(yīng)用穿孔回流焊技術(shù)，也需要對(duì)元件、PCB 設(shè)計(jì)、鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)等方面提出一些不同于傳統(tǒng)工藝的要求。

 

　　a)元件設(shè)計(jì)：

 

　　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(wú)鉛工藝)。以下是一系列能夠承受回流焊溫度的樹(shù)脂：

 

　　• 液晶聚合物 (LCP) - 相對(duì)昂貴，在薄壁鑄模中能保持緊密公差，并具有很好的薄壁硬度

 

　　• 聚亞苯基硫化物 (PPS) - 具有很好的流動(dòng)性

 

　　• 聚二甲基環(huán)化己烯對(duì)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(jì)成尖頭形狀(如圖 15)。同時(shí)引腳有一個(gè)正確的長(zhǎng)度非常重要，當(dāng)它們進(jìn)入生產(chǎn)過(guò)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。如果引腳過(guò)長(zhǎng)，會(huì)頂走焊錫膏，造成焊點(diǎn)錫量不足。

 

　　另一項(xiàng)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)。錫珠和橋連是由不正確的元件本體設(shè)計(jì)而引發(fā)的缺陷。

 

　　b)PCB 設(shè)計(jì)

 

　　PCB 金屬化孔的直徑應(yīng)比圓形引腳的直徑大 0.3-0.4 毫米，比方形引腳的對(duì)角線大 0.1-0.15 毫米。PCB 鉆孔的尺寸應(yīng)再大 0.15 毫米，這是電鍍補(bǔ)償。

 

　　鋼網(wǎng)厚度：選擇鋼網(wǎng)厚度必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)的考慮，一般使用 0.15mm-0.20mm 的厚度。有一點(diǎn)必須認(rèn)識(shí)的，是鋼網(wǎng)開(kāi)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(jì)鋼網(wǎng)穿孔時(shí)，重要的是要考慮刮刀的印刷方向。對(duì)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(kāi)的焊錫膏沉積，將避免最熱點(diǎn)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(shí)有坍塌或溢散的趨勢(shì)，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(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(lái)，確定最佳的相鄰焊盤印錫間距設(shè)計(jì)指引。

 

　　開(kāi)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(huì)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(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，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(kāi)孔形狀：針對(duì) PCB 上的特大孔，在其整個(gè)直徑范圍不應(yīng)有完全的鋼網(wǎng)開(kāi)孔，應(yīng)該使用分解餅形。圓形區(qū)域應(yīng)該分裂成四個(gè)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(rùn)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(shí)，在被拖回至 PTH 時(shí)會(huì)時(shí)而變短、時(shí)而變高，高度的增加會(huì)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(shí)必須考慮元件的設(shè)計(jì)。

 

　　圖 19 常見(jiàn)鋼網(wǎng)開(kāi)孔形狀

 

　　五、貼裝問(wèn)題

 

　　目前有一些自動(dòng)貼片機(jī)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(jī)上。自動(dòng)貼裝具有精確、可靠和高速的優(yōu)點(diǎn)，而且可以進(jìn)行自動(dòng)貼裝的元件也越來(lái)越多。

 

　　手工貼裝是無(wú)奈的選擇。使用輔助定位夾具將有助于元件對(duì)位，提高手工貼裝效率。手工貼裝的兩項(xiàng)益處在于沒(méi)有設(shè)置時(shí)間和沒(méi)有設(shè)置成本。手工貼裝的缺點(diǎn)在于速度低，并且精度不穩(wěn)定。

 

　　六、回流溫度曲線開(kāi)發(fā)

 

　　回流爐必須能夠?yàn)檎麄�(gè)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 ΔT。對(duì)于帶有高堆疊 25 腳 DSUB 連接器的計(jì)算機(jī)主板，元件殼體溫度高得不能接受。解決這個(gè)問(wèn)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(shí)間應(yīng)該足夠長(zhǎng)，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(zhǎng)。

 

　　大風(fēng)量強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)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(huì)經(jīng)歷回焊良好的正確熱量曲線。

 

　　總結(jié)

 

　　本文確定了在實(shí)施 PIHR 工藝之前或過(guò)程中需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。PIHR 工藝步驟提供了某些突出優(yōu)點(diǎn)，包括能夠同時(shí)進(jìn)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(chǎng)地使用面積等。工藝工程師需要考慮包括材料、工藝、設(shè)計(jì)和可靠性等方面的問(wèn)題。材料相關(guān)因素與 PCB、元件和焊錫膏相關(guān);工藝相關(guān)問(wèn)題將與通過(guò)印刷或點(diǎn)錫的焊錫膏敷層、元件插裝和回流焊等因素有關(guān);設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題包括鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)和元件特性;至于可靠性則可通過(guò)加速壽命周期試驗(yàn)等傳統(tǒng)方式來(lái)評(píng)估。PIHR 工藝可廣泛應(yīng)用于汽車、通信、消費(fèi)電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。目前日本 SONY 公司有在 1—2 年內(nèi)以穿孔回流焊全面代替波峰焊的計(jì)劃，而我國(guó)生產(chǎn)調(diào)諧器的企業(yè)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)不遠(yuǎn)的將來(lái)這項(xiàng)新技術(shù)將會(huì)得到普遍采用。本文只是對(duì)穿孔回流焊的基本技術(shù)要求作了說(shuō)明，有許多細(xì)節(jié)問(wèn)題還有待進(jìn)一步試驗(yàn)和總結(jié)。