通孔再流焊接技术的知识总介

HEATS · 发表于 2010-9-14 08:38:42

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-通孔再流焊接技术的知识总介： , K* q3 i0 @/ `) K+ b0 e( }. ~

1 引言 : b/ f8 O: E3 _

目前PCB组装中，表面贴装元件约占800／0，成本为60％，而穿孔元件约占20％，成本为40％。这种混合板采用传统再流焊技术是不能进行焊接，需采用再流焊与波峰焊两道工序。然而波峰焊接技术被应用于过孔插装元件(THD)印制板组件的焊接有许多不足之处：不适合高密度、细间距元件焊接；桥接、漏焊较多；需喷涂助焊剂；印制板受到较大热冲击易翘曲变形。! C. T" b3 c) l' T q

为了适应表面组装技术的发展，解决以上焊接难点，通孔再流焊接技术得到应用，可以实现一道工序完成焊接。通孔再流焊接技术(THR，Through-hole Reflow)，又称为穿孔再流焊PIHR(Pin-in-Hole Reflow)。该技术原理是在印制板完成贴片后，使用一种安装有许多针管的特殊模板，调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐，使用刮刀将模板上的焊膏漏印到焊盘上，然后安装插装元件，最后插装元件与贴片元件同时通过再流焊完成焊接。* r* h, V5 q( ^4 |2 W

通孔再流焊在很多方面可以替代波峰焊来实现对插装元件的焊接，特别是在处理焊接面上分布有高密度贴片元件(或有线间距SMD)的插件焊点的焊接，这此采用传统的波峰焊接已无能为力，另外通孔再流焊能极大地提高焊接质量，这足以弥补其设备昂贵的不足。通孔再流焊的出现，对于丰富焊接手段、提高线路板组装密度(可在焊接面分布高密度贴片元件)、提升焊接质量、降低工艺流程，都大有帮助。 0 T6 Z8 d& _2 T8 q& A4 |. e

2 通孔再流焊(THR＆PIP)工艺过程7 Q! `! n" E; B1 c0 c

一般元件都可以加工成为表面贴装元件，但是部分异型元件，如连接器、变压器和屏蔽罩等，为了满足机械强度和大电流需要，仍然需要加工成为接插元件，通孔式接插元件有较好的焊点机械强度。. M1 ]; L) z: r9 l; X

接插元件应用于通孔再流焊工艺时应考虑2个问题：一为并不是所有接插元件都可以满足通孔再流焊工艺需求，即元件材料不会因再流高温而破坏，表1为可(不可)用于再流焊工艺的元件材料汇总；二是虽然通孔式接插元件可利用现有的SMT设备来组装，但在许多产品中不能提供足够的机械强度，而且在大面积PCB上，由于平整度的关系，很难使表面贴装式接插元件的所有引脚都与焊盘有一个牢固的接触，就需重新设计模板、再流焊温度曲线及引脚与开孔直径比例等。- \ E* B- e8 Y! o6 Z: G% g

通孔插装元件主体须离开线路板表面至少0.5mm，防止元件插装前后焊膏发生移动。元件引脚不要太长，通常长出板面1.0～1.5 mm就可以。此外，紧固件不可有太大的咬接力，因为表面贴装设备通常只支持10～20 N的压接力。- D: D( X; N1 L: y

通孔再流焊生产工艺流程与SMT流程极其相似，即印刷焊膏于PCB通孔焊盘，放置插装件，再流焊接。图1为一单面通孔再流焊工艺过程示意图。无论对于单面混装板还是双面混装板，流程都相同。' ^% M2 ~; z8 Y& N" p* t6 m, [& s

3 通孔再流焊焊盘设计

通孔再流焊相邻的通孔间距要求至少2.54 mm或以上，目的防止相互之间产生连锡从而导致相邻的孔内少锡。焊盘孔径设计要求见图2，其中d为方形插针对角直径，di为焊孔直径，da为焊孔外径。焊孔直径设计要适当，当di<1mm时，焊膏印刷量易出现不足，而且如果元件是在板上过炉的话，空洞与少锡的现象会更严重，如果元件是在板下过炉的话，可以加大通孔PAD直径或边长来补充锡量，这样一般不太会有空洞和少锡现象；当di>2 mm时，焊膏容易从通孔漏掉造成空洞、少锡现象。焊孔直径di一般比插针直径d大0.2～0.3 mm，如果连接器端子较少，焊孔直径可以稍小一些。为增加焊膏量，焊孔外径一般比焊孔直径大30％～50％来补充，或焊盘设计为爪形，伸出的部分尽量长。

4 焊膏涂覆工艺

通孔再流焊技术的关键问题是由于焊点结构不同，导致通孔焊点所需焊膏量要比表面贴装焊点所需焊膏量大，采用模板印刷的方法不能同时满足通孔元件及表面贴装元件所需焊膏量。要获得良好的焊接效果，就要确保通孔再流焊基板各通孔焊盘上焊膏量恰到好处，否则会出现填锡不足等缺陷，如图3所示，导致在机械载荷作用下焊点强度会降低。

模板厚度一定尺寸一定时，为了满足足够的焊膏量，一般可以通过改变印刷参数来控制或采用分级模板印刷技术。模板如果太厚可以印刷两次，第一次专印通孔部分，第二次全部印刷一次。焊膏印刷量与通孔的下表面保持水平即可，如果太多，当元件插入孔中时，一部分焊膏被挤出。在未焊接前，这一部分锡可能会掉下来而带走孔中的一部分锡。

传统模板设计和焊膏印刷技术的有机结合，可以改善通孔再流焊印刷工艺，比如改进印刷图案，扩大印刷面积，如图4所示。焊点所需合金体积必须根据引线形状、通孔直径、和基板厚度来确定要填充的钎料量，然后按所要求的填充百分比计算所需要的焊膏数量。估计焊膏中的金属含量大约为体积的50％，计算公式如下：

8MR Yr:E!WVs=(Vh-Vl)×2 (1)

其中：Vs为填充通孔所需焊膏的体积，Vh为通孔的体积，Vl为引脚插入通孔部分的体积。

所需印刷面积印刷合计体积乘以调整系数F，其一般为0.6～1.O。但是这种方法容易受网板开孔"纵横比"的影响，还是不能大大满足要求。

上面计算的只是填满通孔所需要的焊膏体积，而通常我们追求的焊点形态不仅是填满通孔，钎料在引脚上还应有一定的爬升，在焊盘上形成一定的润湿圆角。参照图5，焊盘上圆角焊膏体积计算公式为：(F3w9L4l6G0\P,MVf=A×2πX=0.125r2×2(0.2234×r+a)(2)

其中：A为圆角截面积，X为圆角带重力中心，r为圆角半径，a为引脚半径。那么Vs与Vf的和才是一个理想焊点成型所需要的焊膏体积。

传统技术不能保证施放所需的焊膏量形成合适的焊点，焊料预成型与焊膏相结合解决了满足通孔元件的焊点要求。焊料预成型是把轧制的焊料带冲压成期望的尺寸，进而按要求制成不同的形状和大小。组装时在插装部位印刷焊膏，将预制件贴装在焊膏中，然后插装通孔元件进行再流焊。这种方法很好地解决了焊膏施放量，但是难以进行高密度组装。新型的焊膏涂覆技术很好地解决了上述2方面的问题，一是采用如图6所示的分级模板技术，二是采用如图7右图的封闭压力系统。分级模板技术可采用0.15～0.25 mm厚的分级模板进行印刷，常选择类型3粉末，网板材料一般为不锈钢和镍，近年来多种塑料材料也渐渐被人所接收。使用聚合物箔片制造标准的SMT网板，可以制成厚度大于8mm的网板，实现单一厚度的网板在单次印刷行程中印刷涂覆量不同的焊膏。封闭压力系统可明显提高材料的传送能力，达100％的填充率，在印刷小孔径比开口、要求印刷大量焊膏和在通孔中施加焊膏等应用时，它具有许多优点。喷嘴中焊膏流速与钎料直径有一定关系：松香基焊膏，钎料直径与流速关系很大；高分子材料基焊膏，钎料直径与流速关系很小。

印刷钎料量由模板开孔形状、尺寸和厚度来控制，刮刀的速度、压力和分离速度也是决定焊膏印刷量的重要指标。图7为刮刀系统与封闭压力系统印刷工艺对比，刮刀系统可以通过减小刮刀角度来增加焊膏施放量，封闭压力系统可以增加垂直压力来增加焊膏施放量，根据IPC-A-610C要求出孔焊膏量为l～1.5 mm，如图8所示。

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5 元件贴装工艺

通孔再流焊技术对元件要求严格，许多通孔元件设计一般是根据手工焊和波峰焊工艺设计的，对元件外包材料没有什么特殊要求，不能经受再流焊高温的热冲击，比如铝电解电容和国产的一些塑封元件。因此选择时要看是否适合更高温度的工作条件、能否配合视觉系统、针型栅格、高度及重量、定位和底座受力、端子形状、PCB布局、焊膏应用及再流等，元件成本有所增加。另外，不规则形状元件的自动安装需用新一代的取放机处理，并提供更强的底座受力，进料器和自动包装也需进行相应的改进，这会带来更高的成本和技术。

通孔再流焊元件插装时，引脚长度和锥形引脚端部形状对插件后的焊膏量也会有较大影响。元件引脚穿出电路板太长时，引脚端部会带走一部分焊膏，这部分焊膏可能会脱落造成少锡或者焊后在端子的末端残留有大的钎料球。因此，应该规定引脚伸出长度。元件引脚的最大允许长度取决于基板的厚度、钎料量、引线表面质量，而且常常必须由给定的组件通过实验方法确定。引脚端部形状也会对影响到焊膏量，锥形端子比平头端子带走焊膏量要少。

由于很多通孔再流焊元件不适于机器插装，故通孔必须足够大以易于手工插装。这里存在一个偏心的问题，即插装位置是否对焊点形态有影响。在波峰焊工艺中，波峰能给通孔提供充足的钎料量，即使插件引脚偏心，在焊接过程中也会发生自校准效应，使引脚居于通孔中心。而采用通孔再流焊工艺，通孔中钎料受热不均匀，先受热的钎料发生熔融并在引脚与镀铜孔上润湿铺展，使得引脚的四面受到不均匀力的作用而被拉到孔壁一侧，并且由于钎料量不足，使钎料不能爬升到焊盘处，因而不会产牛自校准作用，这样冷却后会产生引脚偏心的焊点。也就是说引脚的偏心只与钎料量及焊接工艺有关，而与插件的位置关系不大。

6 再流焊工艺

红外再流焊炉不能用于通孔再流焊，因为它没有考虑到热传递效应对于大块元件与几何形状复杂的元件(比如有遮蔽效应的元件)的不同。强制热风再流焊炉有着极高的热传递效率，可用于通孔再流焊技术。再流焊温度曲线要合适，温度设置太高会导致元件损坏，太低会导致焊膏不能完全溶化。图10为通孔再流焊技术中焊膏熔化形成焊点的全过程。

选择的焊膏必须要求活性较高，否则少锡现象是避免不了的，这一点非常重要。再流工艺曲线的设置，润湿阶段时间不要过长，从润湿到峰值温度的曲线要很陡，当然不能超过一般元件所能承受的最大温升率。另外，由于通孔中的焊膏量比贴装焊盘上涂敷的焊膏量大得多，再流焊时会有大量的助焊剂挥发，再流焊炉的助焊剂回收系统要好，排废气能力要强，风速可调到最高，炉保养频率需要增加。

剥离现象是无铅工艺中出现影响可靠性的新问题(图11)。元件和电路板焊盘镀层容易产生剥离现象，焊点脱离焊盘；某些情况下焊点与焊盘不分离，但是焊盘和PCB分离，原因是由于焊点凝固的不同时性使内部产生了应力。厚板通孔再流焊技术中，合金中铅的污染容易产生这种现象，但在现在的无铅焊接中也出现，可能的导致原因是铅的污染或非共晶合金的热膨胀和收缩。对通孔再流焊来说焊盘尺寸对焊点强度几乎没有影响，而通孔对承载强度有很大的影响。剥离现象不会对焊点强度造成严重影响，但工艺中要求防止剥离出现，可通过减小焊盘尺寸或采用如图12所示结构(阻焊层将焊盘覆盖一部分)来防止焊盘与PCB剥离。

7 焊点质量评价标准

通孔再流焊具有很高的机械强度，即使焊点填充率为30％～40%。从焊点强度方面来讲，通孔再流焊中存在与波峰焊强度相当的临界质量分数。临界钎料量的大小与印制板电路的厚度有关：厚度越大，临界钎料量越小。

焊接质量可以采用焊点形态来判断：当达到临界钎料量时，焊点外观上没有空洞，强度与波峰焊相当。检查焊点主要看两处：通孔被填满的程度及焊料球形区域外围浸润性。IPC-A-610C规定：理想的通孔再流焊点应该达到100％或至少75％的填充率(图13)；焊料外围浸润性的最低条件是焊料球和外围浸润都需要检查，当新月形在电路板两面都产生且两面球形的外围浸润接近360℃(最低270℃)时就算满足要求。

通常，孔填充不良往往是工艺或元件有问题的征兆，它给可靠性带来不利影响。而这种假定不适合通孔再流焊工艺，因为在通孔再流焊时每个焊点获得的钎料是有限的。钎料填充程度不可作为软钎料可焊性好坏的指标。再流焊点的不同外观不是废品或返修的原因。应该考虑钎料在每根引线上的均匀分布和钎料对引线和孔壁的良好润湿。

8 存在的一些问题

通孔再流焊前端工艺会遇到一些问题：旧的波峰焊基板由于孔太大而不能用于THR工艺，但由于有细间距的表面贴装器件，不能使用更厚的模板。当采用分级模板的方法，使用较厚的模板时还会在贴装元件所需要的时间内，为通孔元件所印刷的焊膏出现坍落而互连。许多通孔元器件(尤其是插接件)并非设计成可以承受再流焊的高温。要得到良好的焊接效果，问题的关键在于：一是要确保通孔再流焊基板各部分的焊膏量都恰到好处，否则会出现填锡不足，二是注意那些不能承受温度变化与遮蔽效应的元器件。机器插装工艺的关键问题是引脚的视觉校准。由于锡膏覆盖插孔，一旦引脚弯曲并且第一次插装不成功，就不可能使用孔来"搜索"。和元件原型比较并直接反射引脚，需要在插装前检查元件，检查所有引脚和适当的插装坐标，来保证第一次插装是能够完成的。

另外，通孔再流焊工艺焊膏用量特别大，助焊剂挥发后形成的残留物很多，造成对机器的污染，助焊剂管理系统就显得尤为重要；大量的助焊剂残余限制ICT测试效率，要求选择测试点的引入或采用探针可测试焊膏。

9 结论

通孔再流焊技术是将通孔元件结合到表面组装工艺的一一种工艺方法，它相对于传统工艺的优越性首先减少了波峰焊及手工补焊工序，提高了效率；其次增加了印制板电路的设计布局和空间，扩大了工艺设计窗口，提高了产品可靠性；再次相对波峰焊减少产生桥接的可能性，提高了一次通过率。通孔再流焊技术的日益盛行主要是因为可以大大节省成本，节省工艺流程，降低机械要求和占地面积。通孔再流焊技术虽然存在不足之处，但只要通过适当的工艺设计和工艺过程控制，包括产品优化、布局设计规范和模板设计规范的改进等，通孔再流焊焊点质量与可靠性是可以与传统替代工艺相媲美。通孔再流焊技术发展的主要方向为工艺的优化与元件的改良。良好的工艺可以用来优化通孔再流焊，我国在生产调谐器和高技术、高附加值的一些通信产品已率先使用PIHR工艺，预计不久的将来这项技术将得到更广泛的应用。

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