趙萍 程雷 李耀，張旭

（1.陜西烽火電子股份有限公司，陜西 寶雞 721006；2.陜西寶成航空儀表有限責任公司，陜西 寶雞 721000）

0 引言

在印制電路板組裝（printed circuit board assembly，PCBA）中，鍍覆孔（plating through hole，PTH）焊接的焊料填充率是衡量通孔元器件焊接質量的一項重要指標，有關標準見表1。

表1 PTH焊接質量標準要求

圖1 PTH插接焊料填充率

1 焊料填充率不合格產生的影響

1.1 電連接性能及焊點可靠性不高

目前，絕大多數(shù)PCB 是多層板，內層銅箔和器件的連接只能靠PTH 鍍銅層，其對阻抗的要求較高。在大電流及熱傳導有要求的產品中，如焊接透錫率不能達到100%，則電性能的連接不可靠。焊盤連接大面積覆銅，除透錫率達不到標準要求外，還會導致焊點冷焊的缺陷［1］。

1.2 器件受應力和形變影響

通孔元器件焊料填充量的多少和不同引腳填充的位置會對元器件產生應力，造成形變，尤其是質量大的通孔元器件，在高振動環(huán)境且透錫率不足100%時，更容易造成形變和焊點損傷。

2 PTH孔徑影響填充率

PTH 孔徑大小與元器件直徑之差，即引腳與通孔之間間隙的大小。差值過小時，將造成焊錫毛細爬升過程阻擋透錫量；差值過大時，易造成過量焊錫在熔融狀態(tài)流向焊接終止面。孔徑大小與元器件直徑之差，在設計標準中有相關規(guī)定，見表2。采取合適的孔徑比是提高PTH 透錫率的基本原則。

3 通孔阻塞安裝方式的影響

3.1 通孔阻塞（氣密安裝）

元器件安裝應不妨礙焊料流動到焊盤。引腳在器件本體底面緊貼板面安裝的情況，會導致形成氣密安裝，阻礙熔融焊料的流動，造成焊料填充率達不到100%，如圖2所示。

圖2 徑向元器件的安裝方式

3.2 按要求抬高器件

對徑向元器件的垂直安裝，如果安裝易造成氣密安裝，則有兩種方式可解決，見表3。

表3 徑向元器件的安裝方式

3.3 對徑向元器件引線進行“R”型成形

對徑向垂直安裝符合成形要求的器件可采取此方式，對連接器引線、繼電器引線、回火引線（合金硬度和脆性較強）和直徑＞1.3 mm 的引線不建議進行成形操作，成形易對器件造成損傷。

4 PTH 孔內污染物及元器件引線可焊性的影響

PTH 內污染會影響焊料潤濕爬錫過程。同樣，元器件引線鍍層氧化污染也會影響焊料填充率，部分情況還會造成焊料填充空洞，影響焊點的可靠性［2］。PCB 及器件一般按相關標準要求保存和使用。

5 接地層、散熱層的影響

5.1 生產實際情況

PTH 連接接地層或散熱層。PCB 設計未對接地焊盤做隔熱焊盤設計，焊盤與大面積覆銅直接相連。在焊接過程中，覆銅傳導熱過快，焊料不能輕易熔融，導致焊料填充率不能滿足標準要求，造成焊點的冷焊缺陷。此類缺陷在手工焊接中尤為普遍，使用智能電烙鐵也很難通過烙鐵升溫對大面積覆銅進行加熱。因此，高頻插座焊接透錫率不滿足標準要求，如圖3所示。

圖3 高頻插座焊接

5.2 產生的原因

PTH 焊料填充率不滿足標準的根本原因是未做好可制造性設計（design for manufacturability，DFM）。設計人員在設計PCB 圖時，只考慮電連接性，沒有考慮生產制造性。反過來，透錫率達不到工藝標準要求，會對產品可靠性和質量產生重大影響。

5.3 焊盤熱設計標準

5.3.1 軍用電子設備印制電路板設計要求

為避免影響焊接質量，電源層和地層大面積圖形應與其連接盤之間進行熱隔離設計，如圖4所示。二通道和四通道采用隔離盤畫法，隔熱焊盤通道寬度的要求為每條通道寬度=（焊盤直徑×60%）/通道數(shù)。

圖4 大面積導體隔熱盤畫法

5.3.2 印制電路板設計規(guī)則

對印制板表面較大的導電面積（＞25 mm×25 mm）應采用網格式的窗口，以減少焊接過程中對熱量的吸收。如果有焊盤，應進行熱隔離并保持電氣連接，避免大導電面積在焊接時因熱量積累而起泡。如果多層印制板內層地、電層銅箔面上有連接盤，也應進行熱隔離，在焊接時減小散熱速度，使熱量集中在焊盤上，以利于焊接。熱隔離焊盤如圖5（a）所示。

圖5 大面積導體隔熱盤設計

面積較大的連接盤（焊盤）和大面積銅箔（＞φ25 mm）上的焊點，應設計焊盤隔熱環(huán)（俗稱“花盤”），如圖5（b）所示。在保持焊盤與導電面電氣連接的同時，將焊盤周圍的部分導體蝕刻掉，形成隔熱區(qū)。焊盤與導電面電氣連接的導電連接通道的總寬度以連接盤（焊盤）直徑的60%為宜，即每條連接通道（輻條或散熱條）寬度=連接通道的總寬度/通道數(shù)。

大面積連接盤隔熱措施可在焊接時減少加熱焊盤的時間，以免因大面積銅箔熱傳導過快，而使板內累計熱量過多引起基材起泡、鼓脹等現(xiàn)象。但是，隔熱環(huán)上的導電連接通道的總面積應不小于該PTH 傳輸電流所需的面積。如果計算每條連接通道的寬度小于制造工藝極限值，應減少通道數(shù)量，使連接通道寬度達到可制造性要求。

5.3.3 IPC相關設計標準

《PCB 設計通用標準》（IPC—2221A）（第9.1.3 條）中提到，只有大面積導體層（接地層、電源層、導熱層等）焊接時才需要隔熱。隔熱是為了在焊接過程中提供熱阻，以減少焊接停留時間。隔熱焊盤如圖6 所示?！秳傂杂袡C印制板設計分標準》（IPC-2222A-CN）第9.1.2 條中對隔熱焊盤通道寬度也有明確要求，即每條寬度=（焊盤直徑×60%）/通道數(shù)。如大面積的導體層（接地層、電源層、導熱層）按照標準要求來設計，可參考QJ 3103A—2001 及IPC 相關標準，從設計根源上解決了此類問題的產生。

圖6 隔熱焊盤

6 接地焊盤的相關工藝試驗

在PCB 設計中，因某些因素無法更改設計圖紙，生產線上需要臨時解決措施。有3 種工藝方法可用作試驗手段，具體實施過程根據(jù)每家公司的產品及生產設備情況而定。

6.1 手工焊接

（1）對焊盤連接大面積銅箔上的焊點手工焊接，通孔元器件及熱容量較大的接地高頻插座的焊接難度越來越大，需采取以下步驟完成：整板預熱→涂覆高溫助焊劑→手工焊接。

整板預熱的目的是使無隔離盤的接地焊盤能提升溫度，減少焊接過程中的熱傳遞損失。預熱過程要均勻、穩(wěn)定，溫度可控制在100～120 ℃，時間控制在30 min以內；預熱完到手工焊接之間停留的時間越短越好，推薦在專業(yè)預熱臺進行預熱。對熱容量較大的接地銅箔和較厚的PCB，需要更高的預熱溫度。預熱溫度要適當，如超過PCB 基材的玻璃化轉變溫度（Tg）值，單板就容易變形；預熱溫度太低，起不到加熱接地銅箔的目的。工具選用智能電烙鐵（能快速補償功率，避免熱效率損失）。

（2）手工焊接根據(jù)焊料的不同，可適當提高烙鐵溫度。對使用錫鉛合金的接地焊點，建議溫度提高到340～360 ℃；使用無鉛合金的接地焊點，溫度可提高到380～400 ℃。高頻插座3X3、3X4及3X5 在未采取措施情況下的一般焊接，如圖7（a）所示。可知，焊料填充完全不符合標準要求。預熱臺先預熱30 min，預熱溫度為110 ℃，涂覆助焊劑后采用手工焊接（如圖7（c）所示），可清晰地看出高頻插座接地焊點焊料填充已達100%（如圖7（b所示）。

6.2 通孔回流焊（有限制）

使用通孔回流焊工藝時，對連接大面積銅箔上的焊點，可利用回流爐的預熱區(qū)對PCB 進行充分整板預熱，使焊接過程中焊點焊錫受熱均勻，達到焊料填充的目的。但是，通孔回流焊對元器件和PCB 設計都有要求及條件限制，并且焊膏量很難控制。因此，通孔回流焊工藝很難滿足焊料填充率的要求。

6.3 選擇性波峰焊

理論上，使用選擇性波峰焊工藝既能對整板預熱達到加熱大面積銅箔的目的，又能在現(xiàn)有PCB 設計基礎上最大程度地提高焊接通孔元器件的焊點質量。但是，在實際試驗過程中，發(fā)現(xiàn)選擇性波峰焊的預熱系統(tǒng)是針對助焊劑的預熱設計的，預熱時間達不到整板預熱的要求。因此，在大面積接地銅箔在沒有充分預熱的情況下進行選擇性波峰焊接，與一般性手工焊接的透錫率相差不大，或者說，選擇性波峰焊設備對提高PTH 透錫率幾乎沒有作用。

6.3.1 驗板情況說明

本試驗采用工藝試驗樣板，PTH 焊盤設計全接地如圖8（a）所示，二通道如圖8（b）所示，四通道隔離盤如圖8（c）所示。PCB 具體參數(shù)見表4。

圖8 試驗板PTH焊盤設計

表4 試驗板試驗參數(shù)

6.3.2 選擇性波峰焊實驗結果

試驗板選擇性波峰焊接后用X-Ray 檢測PTH焊盤，全接地焊盤焊錫填充率為50%左右，二通道接地焊盤焊錫填充率為100%左右，四通道接地焊盤焊錫填充率為95%左右。

6.3.3 手工焊接大接地焊盤對比試驗

試驗板手工焊接試驗參數(shù)見表5。正常參數(shù)手工焊接后用X-Ray 檢測，全接地焊盤焊錫填充率約為50%，二通道接地焊盤焊錫填充率約為100%，四通道接地焊盤焊錫填充率約為100%。另外，全接地焊盤采取預熱等措施的手工焊接，焊錫填充率約為100%。

表5 手工焊接試驗參數(shù)

7 結語

影響組裝印制板PTH 焊料填充率的因素有4種：通孔孔徑、氣密安裝、孔內污染物及接地焊盤。本文主要討論了大面積接地影響焊料填充率的問題，并針對此問題，做了相關的工藝方案試驗。

針對大面積接地焊盤的焊料填充率的改善，采用選擇性波峰焊時幾乎沒有改善；采用預熱等措施的手工焊接時，焊料填充率可達到要求，但焊接效率低下且對組裝板有一定故障風險。

按標準設計PCB 圖，開展好DFM，接地焊盤的焊料填充率會得到真正的解決。因此，高可靠性產品是設計和工藝結合起來，沒有可制造性的設計，就生產不出質量可靠的產品。