插裝元件通孔回流焊接工藝

陳道武

（廈門宏發(fā)汽車電子有限公司，福建 廈門 361021）

0 引言

THR 也可以將其稱為PIP（Pin-In-Paste），即（Pin-In-Paste）。運(yùn)用印刷方式使鋼網(wǎng)錫膏印刷于通孔內(nèi)部、通孔周圍，使元件插入錫膏通孔中，錫膏通孔為裝滿狀態(tài)，然后插裝元件以及貼片元件利用回流焊將焊接完成。運(yùn)用這種工藝，可以使貼片元件以及插裝元件僅通過一次焊接便能完成，防止再次實(shí)施手工焊或者是波峰焊時(shí)對印制板以及元件產(chǎn)生熱沖擊，同時(shí)減少助焊劑殘留，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了工藝流程，減少了人力投入，降低了成本。

1 通孔回流工藝和傳統(tǒng)焊接工藝基本流程比較

1.1 通孔回流焊接基本流程

上料（PCB）-＞ PCB 激光打-＞ 錫膏印刷-＞錫膏印刷檢驗(yàn)-＞元件貼裝（插件元件一起貼裝）-＞貼裝檢驗(yàn)-＞回流焊接-＞自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)（AOI）-＞組裝。

1.2 傳統(tǒng)通孔焊接工藝流程

上料（PCB）→ PCB 激光打標(biāo)→ 錫膏印刷→錫膏印刷檢驗(yàn)→元件貼裝（貼片元件）→貼裝檢驗(yàn)→回流焊接→自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)→進(jìn)行手工插件→展開波峰焊接→檢驗(yàn)波峰焊接與補(bǔ)焊→組裝。

1.3 流程優(yōu)勢

運(yùn)用該種工藝技術(shù)，能夠運(yùn)用單一步驟針對表面貼裝元件與通孔元件實(shí)施回流焊。和傳統(tǒng)工藝之間相比，先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性明顯，具有技術(shù)革新優(yōu)勢，工藝優(yōu)勢和傳統(tǒng)工藝之間相比主要體現(xiàn)在以下幾方面[1]：1）整體工序明顯減少，可以將波峰焊接、手工插件、波峰焊接檢驗(yàn)工序省去，促進(jìn)多種操作進(jìn)行合并，使其成為綜合性工藝過程。2）材料、設(shè)備以及占用場地面積減少，不需要插件傳送帶、波峰焊接設(shè)備及波峰焊接治具投入，不需要購買助焊劑、錫條物料購買助焊劑、錫條物料，騰出車間場地從而提升廠房單位面積的產(chǎn)值。3）人員節(jié)省，工序減少自然對應(yīng)的人力投入也減少，至少節(jié)省2 人。4）PCBA 周轉(zhuǎn)次數(shù)減少，縮短生產(chǎn)周期和降低管理成本，同時(shí)降低了產(chǎn)品周轉(zhuǎn)過程損壞產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。5）受熱沖擊次數(shù)減少，可省去至少一次的熱沖擊處理步驟，從而改善PCB 可焊性和電子元器件的可靠性。6）離子遷移風(fēng)險(xiǎn)降低，防止助焊劑殘留過多導(dǎo)致降低電導(dǎo)性，產(chǎn)生離子遷移或短路風(fēng)險(xiǎn)。7）爐后通孔焊接不良率降低，可避免因波峰焊接造成的不良缺陷。

1.4 成本系統(tǒng)分析

針對一條波峰焊對應(yīng)人工成本、電費(fèi)、錫條損耗、后道工序、助焊劑用量對應(yīng)剪腳展開驗(yàn)證，一條波峰焊費(fèi)用一年可以達(dá)到40 萬，運(yùn)用通孔回流焊接方式產(chǎn)生的費(fèi)用僅為波峰焊接產(chǎn)生費(fèi)用的三分之一[1]。

2 通孔回流焊接技術(shù)要求概述

2.1 插裝元件基本要求

插裝元件引腳長度：單面貼裝進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中一般要求為（0.1mm ≤引腳最終伸出PCB 對應(yīng)的底面長度≤1.5mm）；而雙面通孔進(jìn)行回流過程中另一面需要引腳最終伸出PCB 底面長度≤0mm 且插入PCB 通孔內(nèi)長度≥PCB 厚度的1/5，確保焊接強(qiáng)度和避免通孔回流焊接插裝元件引腳太短導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)氣孔不良的情況。

元件本體距離板間隙（stand-off）須≥0.3mm，同時(shí)元件本體以及外殼不能夠和錫膏之間進(jìn)行接觸。

元件引腳位置端部形狀：元件引腳一般來講端部形狀為尖角或者是錐形，防止錐腳遮擋錫膏。

元件耐高溫要求：元器件須承受進(jìn)行回流焊接時(shí)的溫度，如果為錫鉛工藝，溫度須高于230 ℃，并且持續(xù)時(shí)間為65 s，如果為無鉛工藝，溫度須高于260 ℃，并且持續(xù)時(shí)間為65 s。

2.2 通孔焊盤進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的基本要求

通孔焊盤和相鄰導(dǎo)體之間存在的間隙：一般來講，間隙須大于等于3.0mm，同時(shí)此范圍須設(shè)為禁布區(qū)；針對0603 等精細(xì)間距元件離焊盤的間隙≥2.0mm。

通孔焊盤環(huán)寬：≥0.25mm，以便“拉”住熔融錫膏，不會(huì)形成錫珠。

插裝元件引腳與通孔匹配要求：孔徑為引腳直徑加0.2mm～0.4mm，引腳與通孔間隙太小不便插裝。

2.3 錫膏及錫膏量要求

錫膏須具有良好的流動(dòng)性，良好的濕潤性，在通孔回流焊接時(shí)對通孔內(nèi)及插裝元件引腳應(yīng)有良好的黏接力。

通孔元件錫膏用量及鋼網(wǎng)開口面積計(jì)算如公式（1）所示。

焊點(diǎn)圖形如圖1 所示。

圖1 通孔焊接和錫膏印刷相關(guān)示意圖

式中：V1代表固態(tài)金屬焊錫對應(yīng)體積；VS代表元件潤濕角以及焊接面方面的固態(tài)焊錫對應(yīng)體積；VH代表插裝孔方面固態(tài)焊錫對應(yīng)體積。

式中：a為焊接面和元件潤濕角的高度；r為元件引腳半徑；R1為PCB 焊盤半徑。

式中：H為PCB 厚度；R2為PCB 通孔半徑。

印刷時(shí)使用的焊膏中焊料合金體積為大約50%，剩下50%為溶劑、助焊劑以及其他添加劑，受焊接溫度影響會(huì)在空氣中揮發(fā)消失，因此理想狀態(tài)下需要的焊膏體積如公式

2.4 鋼網(wǎng)技術(shù)要求

鋼網(wǎng)厚度：一般為0.12mm～0.25mm，須保證鋼網(wǎng)厚度處于合理范圍內(nèi)，避免影響元件引腳焊接效果。鋼網(wǎng)太厚影響錫膏印刷時(shí)脫模效果，太薄錫膏量不夠影像通孔回流焊接時(shí)透錫率（焊錫填充率）。

錫膏印刷需達(dá)到的效果：在印刷以后錫膏處于PCB 的底面時(shí)須為“水滴”狀態(tài)。

錫膏和焊盤二者之間的距離：一般≤2mm，必要時(shí)可以最大距離可以加到5mm，增大距離后也可同步增加導(dǎo)錫槽輔助錫膏回縮，超出此距離時(shí)，會(huì)對焊接過程中錫膏回縮形成不良影響，進(jìn)而出現(xiàn)錫珠。

焊膏填充量：運(yùn)用調(diào)整錫膏印刷機(jī)的印刷速度、印刷次數(shù)、刮刀角度方式增加錫量，印刷次數(shù)如果越大、則刮刀角度便會(huì)越大，在此情況下，錫膏實(shí)際填充量便會(huì)變得越多。

局部進(jìn)行加厚：對鋼網(wǎng)開口來講，運(yùn)用的工藝為階梯鋼網(wǎng)，局部加厚增加錫膏印刷量。表貼元件實(shí)際需要焊膏量與插裝元件相比要小，針對模板厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)做到兩者兼顧，設(shè)計(jì)常規(guī)鋼網(wǎng)具體厚度時(shí)，將表貼元件作為主線進(jìn)行考慮，保證厚度尺寸統(tǒng)一，造成插裝元件需要焊膏量被影響與限制?？梢允褂秒A梯模板，加厚插裝元件中的部分鋼網(wǎng)，并且表貼元件中部分會(huì)有所減薄，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩者兼顧[2]。但是階梯鋼網(wǎng)中插裝元件對應(yīng)的開口與階梯邊緣二者之間距離，以及表貼元件對應(yīng)開口與階梯邊緣二者之間的距離會(huì)影響焊膏印刷整體質(zhì)量，錫膏印刷后，厚度上須保持均勻一致，并且表面處于平整狀態(tài)，印刷圖形和焊盤圖形之間進(jìn)行重合，同時(shí)邊緣須保持齊整。開口位置如果和階梯梯度實(shí)際距離較小，并且梯度差有所增大情況下，會(huì)造成刮刀運(yùn)行時(shí)難以保持平穩(wěn)狀態(tài)，容易發(fā)生焊膏疏松、邊緣不齊整、表面不平整，以及橋連多種缺陷。通孔焊盤鋼網(wǎng)開口方式：一般以正方形、圓形為主，而正方形適用范圍比較普遍，且能夠增加錫膏量的裝載，因此應(yīng)將模板開口類型設(shè)置為正方形。就方形開口來講，實(shí)際占用板面比較小，并且使用的焊膏適中，在具有高密度以及厚度較小特點(diǎn)的印制板中比較適用。對耐高溫陶瓷這方面的插裝元件而言，引腳間距多數(shù)大于2mm，這為模板開口尺寸進(jìn)行外擴(kuò)創(chuàng)造了良好條件，但對外擴(kuò)的區(qū)域來講，須將元件封裝體避開，防止錫珠形成。就兩瓣開口來講，在焊盤孔中沒有焊錫，焊膏量少，便于插入引腳，適用于薄板。長方形開口，增加錫膏量的裝載。鋼網(wǎng)開口之間的間隙：大于2 倍的鋼網(wǎng)厚度，如鋼網(wǎng)厚度為0.13mm，那么鋼網(wǎng)開口之間的最小間隙＞0.26mm，避免橋連不良缺陷。

2.5 元件貼裝設(shè)備制程能力

當(dāng)前筆者使用的是FUJI NXT-Ⅲ的貼片機(jī)，以下為該型號(hào)的參數(shù)。1）元件表面要求：插裝元件表面須光滑，避免吸嘴吸取時(shí)漏真空導(dǎo)致拋料或貼偏。2）吸嘴最大吸取質(zhì)量：吸嘴最大吸取質(zhì)量須大于插裝元件的質(zhì)量，如果最大吸取質(zhì)量無法滿足時(shí)，可以更換更大的吸嘴，或者采用更換成夾爪吸嘴。例如繼電器質(zhì)量為10g，采用直徑10mm 的吸嘴時(shí)最大吸取質(zhì)量為13.5g，大于繼電器質(zhì)量，這樣才能確保貼裝過程不會(huì)掉落、貼偏。3）貼裝精度：貼片機(jī)的貼裝精度要比PCB 通孔尺寸公差精度高一個(gè)數(shù)量級，例如FUJI NXT--Ⅲ M6 模組貼裝精度為34μm，而PCB 通孔公差±0.1mm，這樣才能確保貼裝時(shí)能準(zhǔn)確插到通孔內(nèi)。4）可貼元件尺寸范圍：插裝元件外殼尺寸要小于貼片機(jī)可貼元件尺寸范圍。5）可貼元件厚度：插裝元件高度尺寸要小于貼片機(jī)可貼元件厚度范圍，貼裝繼電器時(shí)，元件高度須包括引腳高度尺寸的總高度。

2.6 回流焊爐相關(guān)溫曲線要求

對焊接THR 元件來講，溫度曲線不存在特殊要求，僅需結(jié)合錫膏以及產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置便可，一般情況下，須對溫度進(jìn)行控制，處于低溫和高溫中間值適宜，基于回流時(shí)間進(jìn)行分析，可以不用將其延長，目的在于避免對熱敏感元件產(chǎn)生危害。通過如下驗(yàn)證方法的操作步驟，得到最優(yōu)的通孔回流焊爐溫曲線。

先調(diào)試出滿足焊接質(zhì)量的爐溫曲線步驟，調(diào)試步驟如下。a）獲取所選用錫膏的焊接特性要求及推薦參數(shù)，如阿爾法錫膏推薦的，恒溫區(qū)（150℃～180℃）的時(shí)間：50s～90s，回流區(qū)（217℃以上）時(shí)間：45s～70s，允許的最高溫度：230℃～250℃，預(yù)熱上升斜率：（2～5）℃/s，回流區(qū)升溫斜率：（0.8～1.7）℃/s，冷卻下降斜率：（1～4）℃/s。b）對產(chǎn)品BOM 表中所有元件規(guī)格書中的焊接要求（允許在217℃以上回流區(qū)的時(shí)間、可耐最高溫度等信息）進(jìn)行對比，找出耐熱溫度最低的元件。c）元器件最大且材質(zhì)易吸熱快、焊盤面積大及其周圍元器件密集。d）元器件最小且材質(zhì)易吸熱慢、焊盤面積小及其周圍元器件空曠。e）重要元器件（如IC、QFP、BGA、繼電器外殼、引腳密集的連接器）。f）在印制板組件中按照 a）～d）的要求確定4 個(gè)位置布置測溫點(diǎn)，另選取一根測溫線作為機(jī)動(dòng)點(diǎn)，對不同的元件進(jìn)行布點(diǎn)測試。

焊接參數(shù)設(shè)定不變，通過調(diào)整機(jī)動(dòng)點(diǎn)對不同的布點(diǎn)位置進(jìn)行5 次回流焊測試，得到相應(yīng)爐溫曲線，通過對比每次測試的爐溫曲線中浸潤區(qū)與回流區(qū)升溫斜率，找出升溫斜率差最大的一組；當(dāng)浸潤區(qū)與回流區(qū)的升溫斜率差最大不是同一組爐溫曲線時(shí)，以回流區(qū)的升溫斜率差最大為優(yōu)先，并確定最終測溫點(diǎn)布局。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)（現(xiàn)有溫度設(shè)置上下限為±10 ℃）設(shè)置多組爐溫參數(shù)組合（改變爐溫或鏈速），測試每組的爐溫曲線，并用2 片產(chǎn)品實(shí)物來驗(yàn)證焊接效果（焊接質(zhì)量按照IPC-A-610），通過對比焊接效果，將焊接不合格的爐溫參數(shù)組合刪除。

對比每組焊接質(zhì)量合格的爐溫曲線，選取浸潤區(qū)與回流區(qū)升溫斜率差值最小的一組作為最優(yōu)的爐溫曲線，并將這組爐溫參數(shù)組合作為最優(yōu)的爐溫曲線設(shè)定參數(shù)；當(dāng)浸潤區(qū)與回流區(qū)的升溫斜率差最小不是同一組時(shí)，以回流區(qū)的升溫斜率差最小為優(yōu)先，將該組曲線作為最優(yōu)的爐溫曲線。

3 通孔焊點(diǎn)質(zhì)量分析

3.1 焊點(diǎn)形態(tài)分析

3.1.1 焊點(diǎn)外觀

根據(jù)IPC-A-610《電子組件的可接受性》的支撐孔-焊接標(biāo)準(zhǔn)，焊點(diǎn)無空洞區(qū)域或表面瑕疵，引腳和連接焊盤潤濕良好，引腳可辨識(shí)，引腳周圍有100%焊料填充，焊料覆蓋引腳等。焊接后PCB 上不可有錫珠、錫球。

3.1.2 通孔焊料填充率

非破壞性檢測：將焊點(diǎn)進(jìn)行X-Ray 檢測，檢測通孔內(nèi)焊料填充率。

破壞性檢測：將焊點(diǎn)進(jìn)行金相切片分析，通孔內(nèi)焊料結(jié)晶組織要均勻，填充率≥75%，無非結(jié)晶狀態(tài)。

3.2 焊點(diǎn)微觀結(jié)果分析

將3.1.2 的焊點(diǎn)金相切片進(jìn)行掃描電鏡分析，針對焊點(diǎn)中微觀結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行檢查，了解結(jié)構(gòu)組織是否處于均勻狀態(tài)，形成的C6Sn5（IMC：Intermetallic Compound），厚度控制在1μm～4μm[4]，可達(dá)到比較理想的機(jī)械強(qiáng)度。

IMC 太薄會(huì)形成焊接不良冷焊、虛焊、假焊等不良現(xiàn)象；IMC 太厚在厚度有所增加時(shí)，會(huì)引發(fā)焊點(diǎn)出現(xiàn)微裂紋。厚度超出臨界值情況下，脆性就會(huì)比較明顯，造成焊點(diǎn)處于服役狀態(tài)下發(fā)生周期性應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致失效。同時(shí)IMC 層過厚會(huì)造成焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致抗周期疲勞性以及韌性明顯下降，進(jìn)而焊點(diǎn)可靠性明顯降低，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)失效。

3.3 焊點(diǎn)強(qiáng)度分析

將通孔回流焊接好的插裝元件用拉力計(jì)測試焊接強(qiáng)度是否滿足客戶使用要求，同時(shí)可以橫向?qū)Ρ扔貌ǚ搴附臃绞胶附酉嗤逖b元件的焊接實(shí)際強(qiáng)度。

4 結(jié)語

運(yùn)用針對通孔回流焊接工藝展開技術(shù)分析和實(shí)際驗(yàn)證方式，能夠?qū)崿F(xiàn)將插裝元件焊接合并到SMT（SMT：Surface Mounted Technology）回流焊接工藝中，使波峰焊接相關(guān)工序減少，防止一次印制板組件以及印制板元件被熱沖擊所損傷。尤其對焊接面需要貼裝密度較高貼片元件對應(yīng)插裝件焊點(diǎn)的焊接以及通過傳統(tǒng)的波峰焊接難以實(shí)現(xiàn)的焊接。加強(qiáng)對通孔回流焊接這一工藝中的插裝元件的要求、通孔焊盤設(shè)計(jì)要求、錫膏及錫膏量要求、鋼網(wǎng)技術(shù)要求、元件貼裝設(shè)備制程能力及回流焊爐溫曲線要求進(jìn)行規(guī)范，確保在生產(chǎn)過程中插裝元件焊點(diǎn)焊接質(zhì)量良好且可靠。