引言

 

　　由于電子產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，某些穿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電路板上使用穿孔元件的傳統工藝，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。

 

　　穿孔回流焊接(pin-in-hole reflow,簡稱 PIHR)的工藝技術如圖 2，可實現在單一步驟中同時對穿孔元件和表面貼裝元件(SMC/SMD)進行回流焊。相對傳統工藝，在經濟性、先進性上都有很大的優勢。所以，PIHR 工藝是電子組裝中的一項革新，必然會得到廣泛的應用。

 

　　PIHR 工藝與傳統工藝相比具有以下優勢：

 

　　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、需要的設備、材料和人員較少;

 

　　3、可降低生產成本和縮短生產周期;

 

　　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。

 

　　盡管用穿孔回焊可得到良好的工藝效果，但還是存在一些工藝問題。

 

　　1、在穿孔回焊過程中焊錫膏的用量比較大，由于助焊劑揮發物質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是很重要的;

 

　　2、此外，許多穿孔元件尤其是連接器無法承受回流焊溫度;

 

　　3、由于要同時兼顧到穿孔元件和貼片元件，使工藝難度增加。

 

　　本文重點是確定對 PIHR 工藝質量有明顯影響的各種因素，然后將這些因素劃分為材料、設計或與工藝相關的因素，揭示在實施高良率 PIHR 工藝之前必須清楚了解的關鍵問題。

 

　　1. 穿孔回流焊焊點形態要求

 

　　2. 獲得理想焊點的焊錫膏體積計算

 

　　3. 焊錫膏沉積方法4. 設計和材料問題

 

　　5. 貼裝問題

 

　　6. 回流溫度曲線開發

 

　　下面將逐項予以詳細描述。

 

　　一、穿孔回流焊焊點形態要求：

 

　　首先，應該確定 PIHR 焊點的質量標準，建議參照業界普遍認同的焊點質量標準 IPC-A-610D，根據分類 (1、2 或 3 類)定出目視檢查的最低可接受條件。企業可在此標準基礎上，進行修改以適應其工藝水平。

 

　　PIHR 理想焊點模型是一個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 對穿孔焊接點的可接受標準是底部焊接圓角的存在和焊料充滿至少 75%板厚的穿孔。PIHR 工藝開發的主要技術挑戰是，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，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題，因為錫膏是從頂部印刷的。

 

　　二、理想焊點的焊錫膏體積計算：

 

　　PIHR 工藝成功的關鍵是精確計算印刷所需要的錫膏量，焊錫膏體積計算首先應使用理想的固態金屬焊點，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，再將焊腳區域旋轉以確定固態焊點的體積。

 

　　固態焊料體積=頂面和底面的焊點體積+(電鍍穿孔的體積-穿孔中元件引腳的體積)

 

　　當計算出焊點的固態焊料體積后，再計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。一般認為印刷用焊錫膏內的焊料只占大約 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消失在空氣中。所以，理想焊點的焊錫膏體積=固態焊料體積×2

 

　　如果采用點錫膏工藝，焊料的體積比更低，焊錫膏的體積還需增加，大約是：理想焊點的焊錫膏體積=固態焊料體積×2.5

 

　　三、焊料沉積方法：

 

　　對于 PIHR 工藝，焊料沉積方法包括鋼網印刷、自動點焊錫膏，以及預置焊料片。

 

　　A、鋼網印刷

 

　　鋼網印刷是將焊錫膏沉積于 PCB 的首選方法。成功實施鋼網印刷焊料沉積方法，須關注以下問題：

 

　　1、鋼網厚度是關鍵的參數，因為焊料體積與鋼網開孔面積和厚度是函數關系。

 

　　2、使用鋼質刮刀以避免印刷時相對較大的鋼網開孔的焊錫膏被挖取的情況。

 

　　3、優先考慮定制設計的板支撐頂模，以適應 100% 以上的孔充填。

 

　　4、為了達到所希望的焊錫圓角體積，可考慮將焊錫膏同時印刷在板的頂面和底面。

 

　　5、DEK 最近的研究是使用內置式刮板通過直接壓力將錫膏印刷在板上的印刷機。在這個方法中，沒有使用傳統的刮板，這個錫膏印刷方法可以保證在穿孔中充滿錫膏。

 

　　常見的穿孔印刷方法有以下幾種：

 

　　1、普通鋼網，單面一次印刷：

 

　　最便利和最高成本效益的工藝是設計一個同時適合 SMC/SMD 和穿孔元件的鋼網(如圖 4)。鋼網厚度優先考慮適合板上 SMC/SMD。需要的焊錫膏量一部分被印進 PTH，其余過印在 PCB 表面。這樣做雖然簡便，但是很容易造成錫量不足，我們可以通過雙向印刷、增加穿孔直徑、減小錫膏粘度、減小刮刀角度(如圖 8)等方法來增加穿孔中的錫膏量。

 

　　2、臺階式鋼網，單面一次印刷

 

　　還有一種選擇，就是采用臺階式鋼網(如圖 9)，其中較厚的區域專為穿孔元件而設。所選擇的工藝隨特定裝配的技術組合狀況而改變。最后，進行回流焊接。該方法在獲得足夠焊接強度的同時，對元件的熱沖擊較小，而且操作成本也較低。

 

　　3、套印，單面二次印刷

 

　　對于既有需要較薄鋼網的 SMC/SMD 又有對焊錫膏量要求大的多列異形/穿孔元件的情況，可能需要兩次鋼網印刷工藝(如圖 10)。這個工藝過程必須使用兩臺排成一列的鋼網印刷機。第一塊鋼網將焊錫膏印刷在表面貼裝焊盤上;第二塊鋼網較厚，它的底部錯開第一次印刷的位置, 不影響前次印好的焊錫膏。

 

　　4、普通鋼網，雙面二次印刷

 

　　對于既有需要較薄鋼網的 SMC/SMD 又有對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，而采用普通鋼網進行雙面二次印刷(如圖 11)。這個工藝過程也要使用兩臺排成一列的鋼網印刷機。

 

　　第一塊鋼網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、自動點焊錫膏

 

　　自動點焊錫膏是小批量機種生產的最佳選擇，它能很好地為穿孔和異形元件沉積體積正確的焊錫膏。它提供了鋼網印刷可能無法實現的大量焊錫膏沉積的靈活性和能力。該技術也能將焊錫膏沉積于已經進行部分裝配的PCB。為裸露的 PTH 點焊錫膏時，建議使用比 PTH 直徑略大的噴嘴。這樣，在點焊錫膏時強迫焊錫膏緊貼 PTH 的孔壁，并使材料從 PTH 的底部稍稍擠出，然后從點焊錫膏相反的方向將元件插入(如圖 12)。如

 

　　果使用比 PTH 直徑小的噴嘴，焊錫膏會從孔中排出并造成嚴重的焊錫膏損失。另一種工藝步驟就是插入元件并從引腳涂敷焊錫膏。噴嘴被設計成圍繞元件引腳的彎形。焊錫膏被擠向引腳周圍并進入 PTH。

 

　　C、預置焊料片

 

　　預成形焊片是提供形成高質量互連所需焊料體積的另一種選擇。目前已經有公司可以提供引腳敷有助焊劑的預成形焊片，如同片式元件一樣進行編帶封裝，可以使用貼片機進行高速取放。回流焊時，附加的預成形焊片與焊錫膏一起熔化，以獲得精確的焊料體積。

 

　　四、設計和材料問題

 

　　如果要應用穿孔回流焊技術，也需要對元件、PCB 設計、鋼網設計等方面提出一些不同于傳統工藝的要求。

 

　　a)元件設計：

 

　　穿孔元件要求能承受回流爐的回流溫度的標準，最小為 230 度/65 秒(錫鉛工藝)或 260 度/65 秒(無鉛工藝)。以下是一系列能夠承受回流焊溫度的樹脂：

 

　　• 液晶聚合物 (LCP) - 相對昂貴，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) - 具有很好的流動性

 

　　• 聚二甲基環化己烯對苯二酸酯 (PCT)

 

　　• Polyphthalamide (PPA)

 

　　為了避免元件引腳帶走焊錫膏，造成錫量不足，元件引腳的末端應設計成尖頭形狀(如圖 15)。同時引腳有一個正確的長度非常重要，當它們進入生產過程之前，必須被預先剪切，以達到比板厚多 1.524 毫米或更短的條件。如果引腳過長，會頂走焊錫膏，造成焊點錫量不足。

 

　　另一項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計而引發的缺陷。

 

　　b)PCB 設計

 

　　PCB 金屬化孔的直徑應比圓形引腳的直徑大 0.3-0.4 毫米，比方形引腳的對角線大 0.1-0.15 毫米。PCB 鉆孔的尺寸應再大 0.15 毫米，這是電鍍補償。

 

　　鋼網厚度：選擇鋼網厚度必須經過仔細的考慮，一般使用 0.15mm-0.20mm 的厚度。有一點必須認識的，是鋼網開孔面積是元件間距、列數、以及相鄰印錫間距的函數。

 

　　刮印方向：在設計鋼網穿孔時，重要的是要考慮刮刀的印刷方向。對于較小直徑 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 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的焊錫膏沉積，將避免最熱點從相鄰焊盤吸收焊料，導致相鄰焊盤的錫量不足。焊錫膏加熱時有坍塌或溢散的趨勢，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。可進行反復實驗來將印錫區域、高度及焊錫膏配方與相鄰焊盤印錫間距聯系起來，確定最佳的相鄰焊盤印錫間距設計指引。

 

　　開孔大小：鋼網漏孔總是比焊盤要大，部分焊錫膏將涂在阻焊層上，需確認回流焊后不會出現錫珠。為了很好地滿足焊錫充填 PCB 穿孔，確定涂敷焊料體積和 PCB 穿孔充填之間的關系是必須的。通過反復實驗，可以繪制出涂敷焊料體積和 PCB 穿孔充填程度之間的曲線。

 

　　開孔形狀：針對 PCB 上的特大孔，在其整個直徑范圍不應有完全的鋼網開孔，應該使用分解餅形。圓形區域應該分裂成四個餅形部分，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，在被拖回至 PTH 時會時而變短、時而變高，高度的增加會導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必須考慮元件的設計。

 

　　圖 19 常見鋼網開孔形狀

 

　　五、貼裝問題

 

　　目前有一些自動貼片機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上。自動貼裝具有精確、可靠和高速的優點，而且可以進行自動貼裝的元件也越來越多。

 

　　手工貼裝是無奈的選擇。使用輔助定位夾具將有助于元件對位，提高手工貼裝效率。手工貼裝的兩項益處在于沒有設置時間和沒有設置成本。手工貼裝的缺點在于速度低，并且精度不穩定。

 

　　六、回流溫度曲線開發

 

　　回流爐必須能夠為整個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。對于帶有高堆疊 25 腳 DSUB 連接器的計算機主板，元件殼體溫度高得不能接受。解決這個問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間應該足夠長，從而使助焊劑從 PTH 中揮發，可能比標準回流焊的溫度曲線要長。

 

　　大風量強制熱風對流回流爐更適合在 PIHR 工藝中使用，它具有較高熱量傳遞率，可以保證穿孔內焊錫膏的所有部分都會經歷回焊良好的正確熱量曲線。

 

　　總結

 

　　本文確定了在實施 PIHR 工藝之前或過程中需要考慮的關鍵問題。PIHR 工藝步驟提供了某些突出優點，包括能夠同時進行 THC 和 SMC/SMD 回流焊;由于減少了工藝步驟而提高了產出;以及減少場地使用面積等。工藝工程師需要考慮包括材料、工藝、設計和可靠性等方面的問題。材料相關因素與 PCB、元件和焊錫膏相關;工藝相關問題將與通過印刷或點錫的焊錫膏敷層、元件插裝和回流焊等因素有關;設計相關的問題包括鋼網設計和元件特性;至于可靠性則可通過加速壽命周期試驗等傳統方式來評估。PIHR 工藝可廣泛應用于汽車、通信、消費電子產品和計算機等領域。目前日本 SONY 公司有在 1—2 年內以穿孔回流焊全面代替波峰焊的計劃，而我國生產調諧器的企業和高技術、高附加值的一些通信產品已率先使用 PIHR 工藝，預計不遠的將來這項新技術將會得到普遍采用。本文只是對穿孔回流焊的基本技術要求作了說明，有許多細節問題還有待進一步試驗和總結。