通孔回流焊接技術(shù)研究與實施

1、許 繼 集 團 XJ ELECTRONICS CO.,LTD許繼電子有限公司工藝技術(shù)論文 通孔回流焊接技術(shù)研究與實施作者：張智勇許昌許繼電子有限公司2010年10月25日一 綜述：在傳統(tǒng)的電子組裝工藝中，對于安裝有過孔插裝元件(THD)印制板組件的焊接一般采用波峰焊接技術(shù)。但波峰焊接有許多不足之處：不適合高密度、細間距元件焊接；橋接、漏焊較多；需噴涂助焊劑；印制板受到較大熱沖擊翹曲變形。因此波峰焊接在許多方面不能適應(yīng)電子組裝技術(shù)的發(fā)展。為了適應(yīng)表面組裝技術(shù)的發(fā)展，解決以上焊接難點的措施是采用通孔回流焊接技術(shù)。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

2、插裝元件的過孔焊盤對齊，使用刮刀將模板上的錫膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件同時通過回流焊完成焊接。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，某些通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PCB上使用通孔元件的傳統(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。通孔回流焊接的

3、工藝技術(shù)如圖2，可實現(xiàn)在單一步驟中同時對通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，通孔回流工藝是電子組裝中的一項革新，必然會得到廣泛的應(yīng)用。二 通孔回流焊接工藝與傳統(tǒng)工藝相比具有以下優(yōu)勢： 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，達到回流焊的高直通率。；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。盡管用通孔回焊可得到良好的工藝效果，但還是存在一些工藝

4、問題。1、在通孔回焊過程中錫膏的用量比較大，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、對THT元件質(zhì)量要求高，要求THT元件能經(jīng)受再流焊爐的熱沖擊，例如線圈、連接器、屏蔽等。有鉛焊接時要求元件體耐溫235，無鉛要求260以上。許多THT元件尤其是連接器無法承受回流焊溫度；電位器、鋁電解電容、國產(chǎn)的連接器、國產(chǎn)塑封器件等不適合回流焊工藝。3、由于要同時兼顧到THT元件和SND元件，使工藝難度增加。本文重點是確定對通孔回流工藝質(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，揭示在實施通孔回流工藝之前必須清楚了解的關(guān)鍵

5、問題。1. 通孔回流焊焊點形態(tài)要求2. 獲得理想焊點的錫膏體積計算 3. 錫膏沉積方法4. 設(shè)計和材料問題5. 貼裝問題6. 回流溫度曲線的設(shè)定下面將逐項予以詳細描述。1、通孔回流焊焊點形態(tài)要求：首先，應(yīng)該確定PIHR焊點的質(zhì)量標準，建議參照業(yè)界普遍認同的焊點質(zhì)量標準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)可在此標準基礎(chǔ)上，進行修改以適應(yīng)其工藝水平。通孔回流理想焊點模型是一個完全填充的電鍍通孔 (Plated Through Hole，PTH)，在PCB的頂面和底面帶有焊接圓角（如圖3）。 IPC-A-610D對通孔焊接點的可接受標準是底部焊接圓角的存

6、在和焊料充滿至少75%板厚的通孔。PIHR工藝的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是，如何在具有高密度引腳元件的通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，以滿足IPC-A-610D的要求。在通孔回流工藝中，在頂面形成焊接圓腳不是問題，因為錫膏是從頂部印刷的。2、理想焊點的錫膏體積計算：通孔回流工藝成功的關(guān)鍵是精確計算印刷所需要的錫膏量，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，無法準確地預(yù)測焊接圓角的形狀，使用圓弧描述焊腳是適當和簡單的近似方法，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+（電鍍通

7、孔的體積通孔中元件引腳的體積）當計算出焊點的固態(tài)焊料體積后，再計算所需錫膏的體積，這是合金類型、流量密度、以及錫膏中金屬重量百分比的函數(shù)。一般認為印刷用錫膏內(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，錫膏的體積還需增加，大約是：理想焊點的錫膏體積=固態(tài)焊料體積×2.53、焊料沉積方法：對于通孔回流工藝，焊料沉積方法包括鋼網(wǎng)印刷、自動點錫膏，以及預(yù)置焊料片。A、鋼網(wǎng)印刷鋼網(wǎng)印刷是將錫膏沉積于 PCB 的首選方法。成功實施鋼網(wǎng)印刷

8、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)開孔的錫膏被挖取的情況。3、優(yōu)先考慮定制支撐頂模，以適應(yīng)100% 以上的孔充填。4、為了達到所希望的焊錫圓角形狀，可考慮將錫膏同時印刷在板的頂面和底面。4、應(yīng)用于通孔回流焊接工藝的元件的本體材料由于通孔和異形組件將要經(jīng)過整個回流溫度曲線，所以它們必須承受高的溫度。元件應(yīng)該采用那些在 183（最好是220達40s）以上、峰值溫度235、（6090 ）s內(nèi)不發(fā)生劣化的樹脂制造。元件制造商還需要有關(guān)彎曲、尺寸穩(wěn)定性、收縮和介電特性等方面的標準。5、元件插入采用

9、人工方法將電子元件插入PCB中，元件的管腿不能過長，長引腳也會吸收焊膏量，針長要與PCB厚度和應(yīng)用類型相匹配，插裝后在PCB焊接面的針長控制在11.5mm（根據(jù)產(chǎn)品特性而定）。如電容、電阻、排插、開關(guān)等。元件在插入前管腿已經(jīng)剪切，在焊接后無須再剪切管腿?？刂圃逖b高度，元件體、特別是連接器的外殼不能和焊膏接觸。6、回流溫度曲線的設(shè)定由于通孔回流焊的焊膏、元件性質(zhì)基本相同于SMT回流，故溫度曲線也基本相同，通常包括預(yù)熱區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)。 6.1 預(yù)熱區(qū) 將線路板由常溫加熱到120160，目的是PCB及錫膏預(yù)熱，避免PCB及錫膏在回流區(qū)受到熱沖擊。如果PCB上有不耐高溫的元件，則可以

10、將此溫區(qū)的溫度降低，以免損壞元件。 6.2 回流區(qū)(主加熱區(qū)) 溫度上升到錫膏熔點，且保持一定的時間，使錫膏完全熔化，最高溫度在200230。在183以上的時問為3040s。 6.3 冷卻區(qū) 借助冷卻風(fēng)扇，降低焊錫溫度，形成焊點，并將PCB冷卻至常溫。三研究試驗：錫膏印刷：使用0.15mm厚度的鋼片印刷，在插裝IC位置局部加厚至0.2mm，增加錫膏印刷量，使焊點達到正反面透錫量符合檢驗標準； IC部位網(wǎng)板局部加厚 印刷效果元件安裝：采用回流焊前手工插件的方式安裝，安裝完畢后一同回流焊接； 回流爐前手工插件 安裝后狀態(tài)回流焊接（焊接試驗）：以CBB-819-CPU0014 C

11、PU板產(chǎn)品回流焊接試驗為例：將回流溫度初步設(shè)在200-215之間（實際測量溫度），使焊錫能夠充分融化，形成良好的焊接（溫度設(shè)定盡量偏低，保證插裝芯片回流焊接后不會損壞 ）。此產(chǎn)品使用通孔回流焊接后將樣品送客戶進行功能測試，經(jīng)檢測功能達到客戶要求?；亓鲄?shù)設(shè)定 回流曲線測量 設(shè)定爐溫 上溫區(qū) 110 140 160 180 180 220 200 下溫區(qū) 110 140 160 180 180 220 200 設(shè)定速度：7500mm/秒 實測數(shù)據(jù)：斜率（1.61-2.00）/秒，峰值溫度（208.5-211.0）。四 結(jié)論 ：通孔回流焊在很多方面可以替代波峰焊來實現(xiàn)對插裝元件的焊接，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)的插件焊點的焊接，這時傳統(tǒng)的波峰焊接已無