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，防止再次實施手工焊或者是波峰焊時對印制板以及元件產(chǎn)生熱沖擊，同時減少助焊劑殘留，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-＞元件貼裝（插件元件一起貼裝）-＞貼裝檢驗-＞回流焊接-＞自動光學(xué)檢驗（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→元件貼裝（貼片元件）→貼裝檢驗→回流焊接→自動光學(xué)檢驗→進行手工插件→展開波峰焊接→檢驗波峰焊接與補焊→組裝。

1.3 流程優(yōu)勢

運用該種工藝技術(shù)，能夠運用單一步驟針對表面貼裝元件與通孔元件實施回流焊。和傳統(tǒng)工藝之間相比，先進性、經(jīng)濟性明顯，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、波峰焊接檢驗工序省去，促進多種操作進行合并，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，同時降低了產(chǎn)品周轉(zhuǎn)過程損壞產(chǎn)品的風(fēng)險。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。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、錫條損耗、后道工序、助焊劑用量對應(yīng)剪腳展開驗證，一條波峰焊費用一年可以達(dá)到40 萬，運用通孔回流焊接方式產(chǎn)生的費用僅為波峰焊接產(chǎn)生費用的三分之一[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：單面貼裝進行設(shè)計過程中一般要求為（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，確保焊接強度和避免通孔回流焊接插裝元件引腳太短導(dǎo)致焊點出現(xiàn)氣孔不良的情況。

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

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：元器件須承受進行回流焊接時的溫度，如果為錫鉛工藝，溫度須高于230 ℃，并且持續(xù)時間為65 s，如果為無鉛工藝，溫度須高于260 ℃，并且持續(xù)時間為65 s。

2.2 通孔焊盤進行設(shè)計時的基本要求

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性，良好的濕潤性，在通孔回流焊接時對通孔內(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)開口面積計算如公式（1）所示。

焊點圖形如圖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脫模效果，太薄錫膏量不夠影像通孔回流焊接時透錫率（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，會對焊接過程中錫膏回縮形成不良影響，進而出現(xiàn)錫珠。

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

局部進行加厚：對鋼網(wǎng)開口來講，運用的工藝為階梯鋼網(wǎng)，局部加厚增加錫膏印刷量。表貼元件實際需要焊膏量與插裝元件相比要小，針對模板厚度進行設(shè)計過程中，應(yīng)做到兩者兼顧，設(shè)計常規(guī)鋼網(wǎng)具體厚度時，將表貼元件作為主線進行考慮，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有所減薄，進而實現(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行重合，同時邊緣須保持齊整。開口位置如果和階梯梯度實際距離較小，并且梯度差有所增大情況下，會造成刮刀運行時難以保持平穩(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行外擴創(chuàng)造了良好條件，但對外擴的區(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，以下為該型號的參數(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，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掉落、貼偏。3）貼裝精度：貼片機的貼裝精度要比PCB 通孔尺寸公差精度高一個數(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可貼元件厚度范圍，貼裝繼電器時，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)品特點進行設(shè)置便可，一般情況下，須對溫度進行控制，處于低溫和高溫中間值適宜，基于回流時間進行分析，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℃）的時間：50s～90s，回流區(qū)（217℃以上）時間：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)的時間、可耐最高溫度等信息）進行對比，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 個位置布置測溫點，另選取一根測溫線作為機動點，對不同的元件進行布點測試。

焊接參數(shù)設(shè)定不變，通過調(diào)整機動點對不同的布點位置進行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，以回流區(qū)的升溫斜率差最大為優(yōu)先，并確定最終測溫點布局。

根據(jù)經(jīng)驗（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)品實物來驗證焊接效果（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，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 通孔焊點質(zhì)量分析

3.1 焊點形態(tài)分析

3.1.1 焊點外觀

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，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：將焊點進行X-Ray 檢測，檢測通孔內(nèi)焊料填充率。

破壞性檢測：將焊點進行金相切片分析，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 焊點微觀結(jié)果分析

將3.1.2 的焊點金相切片進行掃描電鏡分析，針對焊點中微觀結(jié)構(gòu)組織進行檢查，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)到比較理想的機械強度。

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

3.3 焊點強度分析

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

4 結(jié)語

運用針對通孔回流焊接工藝展開技術(shù)分析和實際驗證方式，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)插裝件焊點的焊接以及通過傳統(tǒng)的波峰焊接難以實現(xiàn)的焊接。加強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行規(guī)范，確保在生產(chǎn)過程中插裝元件焊點焊接質(zhì)量良好且可靠。