通孔插裝元件（THC）再流焊工藝介紹

摘要：通孔元件再流焊工藝（Pin-In-HoleReflow，PIHR），是把引腳插入填滿(mǎn)焊膏的插裝孔中，并使用再流焊的工藝方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)通孔元件和表面貼裝元件（SMC/SMD）同時(shí)進(jìn)行回流焊。相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，它在經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性上都有很大的優(yōu)勢(shì)。PIHR工藝是電子組裝中的一項(xiàng)革新，可以替代波峰焊、選擇性波峰焊、自動(dòng)焊接機(jī)器人、手工焊。

關(guān)鍵詞：通孔插裝元件、焊膏施加量的計(jì)算方法、焊盤(pán)設(shè)計(jì)、通孔元件的模板設(shè)計(jì)、施加焊膏方法、通孔元件再流焊工藝控制。

由于電子產(chǎn)品越來(lái)越重視小型化、多功能，使電路板上的元件密度越來(lái)越高，許多單面和雙面板都以表面貼裝元器件（SMC/SMD）為主。但是，由于連接強(qiáng)度、可靠性和適用性等因素，某些通孔元件仍然無(wú)法片式化，特別是周邊連接器。在傳統(tǒng)SMT混裝工藝中，通孔插裝元件大多采用波峰焊、選擇性波峰焊、自動(dòng)焊接機(jī)器人、手工焊，這些傳統(tǒng)方法，尤其是波峰焊和手工焊接的質(zhì)量遠(yuǎn)不如再流焊的質(zhì)量；目前很多電子產(chǎn)品通孔元件的比例只占元件總數(shù)的10%～5%甚至以下，采用波峰焊、選擇性波峰焊、自動(dòng)焊接機(jī)器人、手工焊及壓接等方法的組裝費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該比例，單個(gè)焊點(diǎn)的費(fèi)用很高。因此，通孔元件再流焊技術(shù)日漸流行。

通孔插裝元件采用再流焊替代波峰焊（即純?cè)倭骱腹に嚕┮殉蔀楫?dāng)前SMT工藝技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)之一。

1.通孔元件再流焊工藝的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用

通孔元件再流焊工藝與波峰焊工藝相比具有工藝簡(jiǎn)單、焊接質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于表面貼裝元器件（SMC/SMD）與通孔元件的混裝工藝中，用2次或3次再流焊工藝替代傳統(tǒng)的波峰焊工藝。通孔元件再流焊工藝起源于日本SONY和ALPS公司，最初應(yīng)用于電視調(diào)諧器。我國(guó)在20世紀(jì)90年代中期從日本引進(jìn)這種技術(shù)，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)無(wú)錫無(wú)線電六廠、上海金陵無(wú)線電廠、成都8800廠、重慶測(cè)試儀器廠、深圳東莞調(diào)諧器廠等幾個(gè)調(diào)諧器生產(chǎn)廠應(yīng)用了此技術(shù)，獲得了很好的效益，目前在CD、DVD激光機(jī)芯伺服板及DVD-ROM伺服板、筆記本電腦主板等領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。

1.1通孔元件再流焊與波峰焊相比的優(yōu)點(diǎn)

①可靠性高，焊接質(zhì)量好，不良比率DPPM可低于20。

②虛焊、橋接等焊接缺陷少，修板的工作量減少。

③PCB板面干凈，外觀明顯比波峰焊好。

④簡(jiǎn)化了工序。由于省去了點(diǎn)（或印刷）貼片膠工序、波峰焊工序、清洗工序，使操作和管理都簡(jiǎn)單化。因同一產(chǎn)品中使用的材料和設(shè)備越少越容易管理。而且再流焊爐的操作比波峰焊機(jī)的操作簡(jiǎn)便得多，無(wú)錫渣的問(wèn)題，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

⑤降低成本，增加效益。采用此工藝后，免去了波峰焊設(shè)備和清洗設(shè)備、波峰焊和清洗廠房、波峰焊和清洗工作人員，以及大量的波峰焊材料和清洗劑材料。雖然免清洗焊膏的價(jià)格略高于非免清洗焊膏的價(jià)格，但總體來(lái)看可大大降低成本，增加效益。

1.2通孔元件再流焊與波峰焊相比的缺點(diǎn)

① 在通孔回焊過(guò)程中焊膏的用量比較大，助焊劑揮發(fā)物質(zhì)的沉積對(duì)設(shè)備的污染較大，因而需要加強(qiáng)對(duì)回流爐助焊劑的回收管理。

② 許多通孔元件無(wú)法承受回流焊溫度，要求元件耐高溫，因此增加了元件的成本。

③有些產(chǎn)品需要制作專(zhuān)用模板和焊接工裝，價(jià)格較高。

④ 需要同時(shí)兼顧通孔元件和貼片元件，使工藝難度增加。

1.3用再流焊替代波峰焊可以完成的混裝方式

⑴ 單面混裝（a）

A面印SMC/SMD焊膏 → 貼裝SMC/SMD → 再流焊1 → 翻轉(zhuǎn)PCB → B面印刷THC焊膏 → 翻轉(zhuǎn)PCB → A面插裝THC → 再流焊2，見(jiàn)圖1。

⑵單面混裝（b）

B面印SMC/SMD焊膏 → 貼裝SMC/SMD → 再流焊1 → B面用管狀印刷機(jī)印刷或點(diǎn)膏機(jī)施加THC焊膏 → 翻轉(zhuǎn)PCB→ A面插裝THC → 再流焊2，見(jiàn)圖2。

簡(jiǎn)單的組裝板，可以采用帶臺(tái)階（兩種不同厚度）的模板，對(duì)SMC/SMD與THC同時(shí)印刷焊膏，先貼，后插，然后同時(shí)再流焊。

⑶雙面混裝

B面印焊膏 → B面貼裝SMC/SMD → 再流焊1→翻轉(zhuǎn)PCB→ A面印SMC/SMD焊膏→ 貼裝SMC/SMD → 再流焊2 → 管狀印刷機(jī)印刷或點(diǎn)膏機(jī)在B面施加THC焊膏 → A面插裝THC → 再流焊3，見(jiàn)圖3。

組裝密度不大的組裝板，也可以先對(duì)A面SMC/SMD印焊膏、貼裝、再流焊；然后在B面采用帶臺(tái)階（兩種不同厚度）的模板，對(duì)SMC/SMD與THC同時(shí)印刷焊膏，先貼，后插，然后同時(shí)再流焊。

圖1 單面混裝（a）

圖2 單面混裝（b）

圖3 雙面混裝

1.4 SMT混裝時(shí)采用再流焊替代波峰焊工藝的適用范圍

⑴大部分SMC/SMD，少量THC的產(chǎn)品，特別是一些通孔連接器的場(chǎng)合。

⑵THC的外包封材料要求能經(jīng)受再流焊爐的熱沖擊，如線圈、接插件、屏蔽等。

由于THC設(shè)計(jì)時(shí)是按照傳統(tǒng)手工焊和波峰焊考慮的，元件面和焊接面在PCB的兩面，有一些元件的外封裝材料不能經(jīng)受高溫沖擊，如鋁電解電容、國(guó)產(chǎn)的接插件、塑封器件等不適合再流焊工藝。

⑶如果產(chǎn)品上有個(gè)別不能經(jīng)受再流焊爐熱沖擊的元器件，可以采用后附（后焊）手工焊接、焊接機(jī)器人等方法解決。

2.通孔元件再流焊工藝對(duì)設(shè)備的特殊要求

目前，通孔元件再流焊工藝大多采用印刷焊膏；貼片機(jī)貼裝SMC/SMD；插裝通孔元件（THC）的方法大多為手工插裝，國(guó)外也有公司采用專(zhuān)用的機(jī)械爪吸嘴使用貼片機(jī)插裝通孔元件；SMC/SMD與THC可以分別、也可以同時(shí)進(jìn)行再流焊。

通孔元件再流焊工藝主要對(duì)印刷和再流焊設(shè)備有一些要求

2.1印刷設(shè)備

雙面混裝時(shí)，因?yàn)樵赥HC元件面已經(jīng)有焊接好的SMC/SMD，因此不能用平面模板印刷焊膏，需要用特殊的立體式管狀印刷機(jī)或點(diǎn)焊膏機(jī)施加焊膏。

2.2再流焊設(shè)備

焊接THC時(shí)，再流焊爐必須具備整個(gè)爐子各溫區(qū)都能上、下獨(dú)立控制溫度的功能，并且能夠使再流焊爐底部溫度調(diào)高。這是由用再流焊爐焊接THC與焊接SMC/SMD時(shí)的不同情況而決定的。

SMC/SMD再流焊時(shí)，元件面和焊接面都在上面，由于SMC/SMD設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到元件面和焊接面在同一面，外封裝材料都能經(jīng)受得住再流焊熱沖擊。雙面采用相同的溫度曲線即可。

THC再流焊時(shí)，元件面在上面，焊接面在下面，因此要求爐溫分布情況恰好與SMC/SMD再流焊時(shí)相反。THC再流焊要求爐子導(dǎo)軌下面（焊接面）是高溫，需要把爐子導(dǎo)軌上面（元件面）的溫度調(diào)低，因此再流焊爐必須具備整個(gè)爐子各溫區(qū)都能上、下獨(dú)立控制溫度的功能。

由于通孔元件的元件體比較大，焊點(diǎn)的焊錫量比SMC/SMD多，插裝元器件的焊接面、元件面，以及插裝孔中都必須填滿(mǎn)焊料，因此熱容量大，要求爐溫高一些。必須選擇爐溫比較高、溫度均勻的熱風(fēng)爐或熱風(fēng)＋遠(yuǎn)紅外爐。

根據(jù)產(chǎn)品的具體情況，通孔元件再流焊工藝的焊接設(shè)備可采用以下幾種方法來(lái)解決

①采用現(xiàn)有的再流焊爐，對(duì)溫度曲線進(jìn)行調(diào)整。

②現(xiàn)有的再流焊爐，采用反光材料加工專(zhuān)門(mén)的屏蔽工裝，保護(hù)通孔元件的封裝體。

焊接THC時(shí)，設(shè)備的頂部（元件面）可采用一些白色、光亮（反光）材料，或采用白色、光亮（如錫箔、鋁箔）材料加工專(zhuān)門(mén)的焊接工裝。

③采用專(zhuān)用設(shè)備，如SONY公司采用“點(diǎn)焊回流爐”。

3.通孔元件再流焊工藝對(duì)元件的要求

通孔元件再流焊工藝要求通孔元件的封裝體能耐受回流爐的高溫和時(shí)間的考驗(yàn)，另外，對(duì)引腳的成形也有一定的要求。具體要求如下。

⑴ 元件封裝體能耐受的溫度和時(shí)間：＞230℃/65s（錫鉛工藝）；＞260℃/65s（無(wú)鉛工藝）。

以下是能夠承受回流焊溫度的樹(shù)脂材料

l 液晶聚合物（LCP）。這種材料相對(duì)較昂貴，在薄壁鑄模中能保持緊密公差，并具有很好的薄壁硬度。

l 聚亞苯基硫化物（PPS）。這種材料具有很好的流動(dòng)性。

l 聚二甲基環(huán)化己烯對(duì)苯二酸酯（PCT）。

l Polyphthalamide（PPA）。

圖4 可用于通孔再流焊的連接器

⑵ 元件的引腳長(zhǎng)度應(yīng)和板厚相當(dāng)，插裝后使其有一個(gè)正方形或U形截面（長(zhǎng)方形為好）。

為了避免元件引腳帶走焊膏，造成錫量不足，元件引腳的末端應(yīng)設(shè)計(jì)成尖頭形狀。同時(shí)，引腳有一個(gè)正確的長(zhǎng)度非常重要，插裝之前預(yù)先成形、把引腳剪短，引腳長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到比PCB板厚長(zhǎng)1.5mm或更短的條件。如果引腳過(guò)長(zhǎng)，會(huì)頂走焊膏，造成焊點(diǎn)錫量不足。

⑶如果有鋁電解電容、國(guó)產(chǎn)塑封器件，應(yīng)采用后附手工焊接的方法解決。

4.通孔元件焊膏量的計(jì)算

通孔元件（THC）再流焊工藝主要對(duì)焊膏的施加量有特殊的要求，因?yàn)橥自粌H焊接面、元件面需要焊膏，插裝孔中也需要填充焊膏，因此PIHR工藝成功的關(guān)鍵是精確計(jì)算印刷所需要的焊膏量。

通孔插裝元件的焊膏施加量計(jì)算方法為：首先根據(jù)理想固態(tài)金屬焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算出固態(tài)金屬焊點(diǎn)的體積，然后再計(jì)算焊膏體積。

圖5是理想的固態(tài)金屬焊點(diǎn)示意圖。從圖中可以看出，理想的固態(tài)金屬焊點(diǎn)要求固態(tài)金屬完全覆蓋（潤(rùn)濕）焊接面（底面）和元件面（頂面）的焊盤(pán)，形成半月形的焊點(diǎn)，同時(shí)要求固態(tài)金屬100％填充插裝孔。因此需要的焊膏量比表面組裝的SMC/SMD要多許多。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大約是SMC/SMD的3～4倍左右（焊膏量與PCB插孔直徑和插孔的焊盤(pán)大小有關(guān)——成正比關(guān)系）。

由于不同的焊料合金組分、引腳條件、回流特點(diǎn)等因素的變化，很難準(zhǔn)確地計(jì)算焊接潤(rùn)濕角的形狀和體積，因此可以采用較簡(jiǎn)易的近似方法來(lái)確定固態(tài)焊點(diǎn)的體積。

從圖5中可以看出：

理想固態(tài)金屬焊點(diǎn)體積＝焊接面和元件面潤(rùn)濕角固態(tài)金屬體積＋插裝孔中固態(tài)金屬體積

（插裝孔中固態(tài)金屬體積＝電鍍后的通孔總體積－元件引腳的體積）

當(dāng)計(jì)算出焊點(diǎn)的固態(tài)金屬體積后，再計(jì)算所需焊膏的體積，這是合金類(lèi)型、流量密度及焊膏中金屬質(zhì)量百分比的函數(shù)。

由于印刷用焊膏中焊料合金只占大約50%的體積，另外50%的體積是助焊劑、溶劑和其他添加劑，它們?cè)诤附訙囟认聲?huì)揮發(fā)、消失在空氣中。所以，理想的焊膏體積≈固態(tài)金屬體積×2。

如果采用點(diǎn)膠機(jī)滴涂焊膏工藝，焊料合金與助焊劑的體積比更低，焊膏的體積還需增加，大約是：理想的焊膏體積＝固態(tài)金屬體積×2.5。因此，采用點(diǎn)焊膏工藝時(shí)，也要掌握好適當(dāng)?shù)暮父嗔俊?/p>

根據(jù)以上分析，通孔元件的焊膏印刷量可以用下面的簡(jiǎn)易計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算：

通孔中的焊膏量＝（Vpth?Vpin）×2

式中 2——補(bǔ)償焊膏在回流焊中的收縮因子；

Vpth——通孔圓柱體的體積，=?R2h（R為通孔圓柱體的半徑）；

Vpin——引腳圓柱體的體積，=?r2h（r為引腳圓柱體的半徑）；

h——PCB的厚度。

PCB上、下表面焊盤(pán)的焊膏量也可根據(jù)焊盤(pán)尺寸采用較簡(jiǎn)易的近似方法來(lái)計(jì)算。

5.通孔元件的焊盤(pán)設(shè)計(jì)

通孔元件（THC）再流焊工藝的焊盤(pán)設(shè)計(jì)主要有以下要求。

①需要根據(jù)引腳的直徑設(shè)計(jì)插孔直徑，孔徑不能太大，大孔徑會(huì)增加焊膏的需求量。

PCB金屬化孔后的直徑應(yīng)比圓形引腳的直徑大0.3～0.4mm，比方形引腳的對(duì)角線大0.1～0.15mm，見(jiàn)圖6。PCB鉆孔的尺寸應(yīng)再大0.15mm，這是電鍍補(bǔ)償?shù)囊?。一般建議手工插裝孔直徑比引腳直徑大20%，機(jī)器自動(dòng)插裝孔直徑比針直徑大20%～50%，較少端子時(shí)插裝孔直徑可小一些。

② 插孔底面和頂面的焊盤(pán)也不能太大，大焊盤(pán)會(huì)增加焊膏的需求量。

圖6 圓形引腳與方形引腳焊盤(pán)設(shè)計(jì)

6. 通孔元件的模板設(shè)計(jì)

THC的模板設(shè)計(jì)要根據(jù)通孔元件的孔徑、焊盤(pán)尺寸及焊膏量的計(jì)算精確完成。

對(duì)于簡(jiǎn)單產(chǎn)品的單面組裝板采用印刷工藝時(shí)，可以加工0.2～0.3mm厚的模板。貼片元器件的開(kāi)口尺寸可以縮小，通孔元件的開(kāi)口尺寸可以放大，并設(shè)計(jì)成方形開(kāi)口，因?yàn)榉叫伍_(kāi)口的漏印量比圓形開(kāi)口大。印刷時(shí)還可以根據(jù)情況，通過(guò)增加印刷次數(shù)等措施適當(dāng)增加焊膏的漏印量。

對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的雙面組裝板采用印刷工藝時(shí)，一般采用兩次印刷的套印工藝，即采用兩塊模板，分兩次印刷。一塊薄模板是印刷SMC/SMD用的，一塊厚模板是印刷通孔元件（THC）用的。二次印刷的模板加工時(shí)需要將SMC/SMD焊膏圖形處的模板底部減?。ㄌ涂眨?，不開(kāi)口，作為掩膜用，只對(duì)THC元件的焊盤(pán)開(kāi)出窗口。這種方法比較復(fù)雜，而且需要2臺(tái)印刷機(jī)，但能夠精確控制焊膏量。

模板的設(shè)計(jì)方法和要求如下

⑴ 模板厚度

選擇模板厚度必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)的考慮，一般使用0.15～0.20mm的厚度。

⑵ 開(kāi)孔形狀

模板開(kāi)孔形狀設(shè)計(jì)成方形開(kāi)口。因?yàn)樵趫A形直徑與正方形的邊長(zhǎng)相同的情況下，方形開(kāi)口的焊膏漏印量比圓形開(kāi)口大。例如計(jì)算：長(zhǎng)、寬、高均為1mm的正方體與直徑和高度均為1mm的圓柱體的體積，因?yàn)檎襟w的體積＝長(zhǎng)×寬×高，圓柱體的體積＝?R2h，計(jì)算結(jié)果為：正方體的體積＝1mm3，圓柱體的體積≈0.785mm3，正方體的體積比圓柱體的體積大，見(jiàn)圖7。

對(duì)于PCB上特別大的開(kāi)孔，應(yīng)使用“分解餅形”，將圓形區(qū)域分割成4個(gè)部分，避免印刷時(shí)刮刀嵌入開(kāi)口中，造成印刷量減少，見(jiàn)圖8。

圖7 正方體的體積比圓柱體的體積大

圖8 特大孔的模板開(kāi)口設(shè)計(jì)

⑶ 開(kāi)孔尺寸

為了使焊膏很好地充填PCB通孔，模板開(kāi)孔尺寸應(yīng)比焊盤(pán)放大一些，放大的量要根據(jù)對(duì)THC焊膏量的精確計(jì)算來(lái)確定。確定涂敷的焊料體積和PCB通孔充填之間的關(guān)系非常重要，需要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，可以繪制出焊料體積和PCB通孔充填程度之間的關(guān)系曲線。

由于模板開(kāi)孔尺寸比焊盤(pán)大，故部分焊膏將涂在阻焊層上，故還需要通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)回流焊后不會(huì)出現(xiàn)錫珠。

⑷ 印錫間距

焊膏加熱時(shí)，黏度隨溫度的升高而降低，焊膏圖形有坍塌或溢散的趨勢(shì)，使相鄰焊盤(pán)間焊膏坍塌粘連的可能性增大。焊膏坍塌的程度與焊膏圖形的尺寸、高度（厚度）、焊膏本身的性能（熱坍塌性）、升溫斜率等因素有關(guān)，因此相鄰的開(kāi)口之間需要適當(dāng)?shù)拈g隙，回流時(shí)可以避免最熱點(diǎn)從相鄰焊盤(pán)吸收焊料，導(dǎo)致相鄰焊盤(pán)的錫量不足。一般情況下，相鄰開(kāi)口之間大致需要有0.2mm的間隙，但要將開(kāi)口尺寸、高度及焊膏配方與相鄰焊盤(pán)印錫間距聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)后確定最佳的相鄰焊盤(pán)印錫間距設(shè)計(jì)。

⑸ 刮刀的印刷方向

在設(shè)計(jì)模板時(shí)，還要考慮刮刀的印刷方向。對(duì)于較小直徑引腳尤為重要，如果刮印方向與兩列開(kāi)孔垂直，會(huì)造成焊膏充填不足而且一致性差；如果刮印方向與兩列開(kāi)孔平行，焊膏充填量充足并且一致性好。

7.施加焊膏工藝

由于通孔元件再流焊的焊膏量比較多，因此施加焊膏的難度較大。能否施加足夠的焊膏量是通孔元件再流焊工藝的關(guān)鍵。通孔元件再流焊工藝施加焊膏有4種方法：管狀印刷機(jī)印刷、點(diǎn)膏機(jī)滴涂、模板印刷、印刷或滴涂后加焊料預(yù)制片。

7.1點(diǎn)膏機(jī)滴涂

點(diǎn)膏機(jī)滴涂的方法需要配置點(diǎn)膠機(jī)。工藝過(guò)程是：滴涂焊膏→插裝通孔元件→回流焊，見(jiàn)圖9。

需要注意的問(wèn)題有：

①滴涂用的焊膏黏度應(yīng)比印刷的低一些；

②滴涂的焊膏量應(yīng)比印刷的多一些；

③點(diǎn)膏工藝要通過(guò)針孔直徑的選擇、時(shí)間、壓力、溫度等控制來(lái)保證焊膏量的一致性。

圖9 點(diǎn)膏機(jī)滴涂工藝示意圖

7.2 管狀印刷機(jī)印刷

雙面混裝時(shí)，因?yàn)樵赥HC焊接面已經(jīng)有焊接好的SMC/SMD，因此不能用平面模板印刷焊膏，需要用特殊的立體式管狀印刷機(jī)或點(diǎn)焊膏機(jī)施加焊膏。我國(guó)上?，F(xiàn)代科技開(kāi)發(fā)公司仿造了SONY公司的SS-MD立體針管式焊膏印刷機(jī)，已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)調(diào)諧器生產(chǎn)廠。這種印刷機(jī)需要用特制的模板配合使用。圖10是管狀印刷機(jī)印刷原理示意圖。

管狀印刷機(jī)使用的焊膏要求流動(dòng)性好，黏度比印刷用的焊膏低一些，大約為240±30 Pa.s。

圖10 管狀印刷機(jī)印刷原理示意圖

圖中：

印刷模板——厚度為3mm，主要由鋁板及許多漏嘴組成，要求平面度好，無(wú)變形。

漏嘴——漏嘴的作用是使焊膏通過(guò)其漏到PCB板上。漏嘴的數(shù)量與元件腳的數(shù)量相同；漏嘴的位置與元件腳的位置相對(duì)應(yīng)，以保證焊膏正好漏在需要焊接的元件插裝孔位置；漏嘴的尺寸可以選擇，以滿(mǎn)足不同焊錫量的要求，即漏嘴的大小合適，太大引起焊膏過(guò)多而短路，太小引起焊膏過(guò)少而少錫；漏嘴下端與PCB之間的間距為0.3mm，目的是保證焊膏可以容易地漏印在PCB上。

刮刀——采用不銹鋼材料，無(wú)特別的要求。刮刀與模板之間間距為0.1～0.3mm，角度為9°。

印刷速度：在機(jī)器設(shè)置完成后，印刷速度可調(diào)節(jié)，印刷速度的快慢對(duì)焊膏的漏印量有較大的影響。

7.3模板印刷

模板印刷是應(yīng)用最廣泛，也是最簡(jiǎn)單、一致性最好的工藝。

根據(jù)組裝板的復(fù)雜程度，模板印刷有3種方法：?jiǎn)蚊嬉淮斡∷?；臺(tái)階式模板，單面一次印刷；套印，單面二次印刷。

① 單面一次印刷

這種方法是SMC/SMD與THC同時(shí)印刷，一次完成，適用于簡(jiǎn)單的單面板。

此方法的模板厚度優(yōu)先考慮適合板上的SMC/SMD。通孔元件需要擴(kuò)大開(kāi)口，因此一部分焊膏量被印進(jìn)通孔中，其余印在 PCB 表面。這樣做雖然簡(jiǎn)便，但是很容易造成錫量不足，見(jiàn)圖11。

為了增加焊膏量，可以采取雙向印刷（圖12）、增加通孔直徑（圖13）、減小焊膏黏度（圖14）、減小刮刀角度（圖15）等措施。

(a) 增加焊膏量措施1：雙向印刷，見(jiàn)圖12。這種方法是往返印刷2次。

圖11 單面一次印刷示意圖

圖12 雙向印刷示意圖

(b) 增加焊膏量措施2：增加通孔的開(kāi)口直徑，見(jiàn)圖13。

圖13 增加通孔的開(kāi)口直徑示意圖

(c) 增加焊膏量措施3：減小焊膏黏度，見(jiàn)圖14。

圖14 減小焊膏黏度示意圖

(d) 增加焊膏量措施4：減小刮刀角度，見(jiàn)圖15。

圖15 減小刮刀角度示意圖

② 臺(tái)階式模板，單面一次印刷

臺(tái)階式模板（見(jiàn)圖16）是通過(guò)對(duì)SMC/SMD處鋼板減薄工藝實(shí)現(xiàn)的，其中較厚的區(qū)域?qū)橥自O(shè)計(jì)。這種方法焊膏量控制比較精確，操作成本較低。

圖16 臺(tái)階式模板示意圖

③ 套印，單面二次印刷

套印工藝，即采用兩塊模板，分兩次印刷。這種方法適用于既有需要較薄模板的SMC/SMD，又有對(duì)焊錫膏量要求大的多列異形、通孔元件的復(fù)雜情況。

這種方法需要兩塊模板，一塊薄模板是印刷SMC/SMD用的，一塊厚模板是印刷通孔元件（THC）用的。二次印刷的模板加工時(shí)需要將SMC/SMD焊膏圖形處的模板底部減?。ㄌ涂眨婚_(kāi)口，作為掩模用，只對(duì)THC元件的焊盤(pán)開(kāi)出窗口，見(jiàn)圖17。

另外，套印工藝必須使用兩臺(tái)排成一列的模板印刷機(jī)。第一臺(tái)印刷機(jī)用薄模板，將焊膏印刷在表面貼裝元件SMC/SMD焊盤(pán)上；第二臺(tái)印刷機(jī)用厚模板，只對(duì)THC焊盤(pán)印刷，由于SMC/SMD的焊膏圖形處有掩模，因此不影響前次印好的焊錫膏圖形。套印的工藝方法比較復(fù)雜，但能夠精確控制焊膏量。

圖17 套印工藝示意圖

⑷ 預(yù)置焊料預(yù)制片法

焊料預(yù)制片，也稱(chēng)預(yù)成形焊片。預(yù)制片是100%焊料合金沖壓出來(lái)的。目前已經(jīng)有公司可以提供敷有助焊劑的預(yù)成形焊片，如同片式元件一樣進(jìn)行編帶包裝，見(jiàn)圖18。可以使用貼片機(jī)進(jìn)行高速取/放?；亓骱笗r(shí)，附加的預(yù)成形焊片與焊膏一起熔化，以獲得精確的焊料體積。預(yù)成形焊片是提供形成高質(zhì)量互連所需焊料體積的另一種方法。

圖18 焊料預(yù)制片

焊料預(yù)制片的應(yīng)用與優(yōu)點(diǎn)為：由于THC的焊膏量比SMC/SMD的焊膏量多許多（約3～4倍），當(dāng)THC引出端子較少時(shí)，可采用增加模板厚度和開(kāi)口尺寸的措施解決；點(diǎn)焊膏工藝時(shí)，可通過(guò)增加焊膏量的滴涂量來(lái)解決。但是，當(dāng)THC引出端子較多時(shí)，如PGA矩陣連接器的端子（針）很多，如果增加模板厚度，會(huì)影響印刷質(zhì)量；如果增大開(kāi)口尺寸，受到引腳間距的限制會(huì)引起焊膏粘連，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的錫珠。采用先印刷或滴涂焊膏后，再在焊膏圖形旁邊（末端）增加焊料預(yù)制片的方法，由于預(yù)制片是100%焊料合金，不會(huì)增加助焊劑的量。因此，當(dāng)焊膏量不能滿(mǎn)足要求時(shí)，采用焊料預(yù)制片能實(shí)現(xiàn)既增加了形成理想焊點(diǎn)的合金量，同時(shí)又避免焊膏粘連和錫珠的產(chǎn)生。

焊料預(yù)制片有以下幾種放置方法

① 加工適當(dāng)?shù)奈?，用貼片機(jī)將墊圈形焊料預(yù)制片貼裝在通孔元件的焊盤(pán)上。

② 通過(guò)模具將墊圈形焊料預(yù)制片預(yù)先套在引腳上。

這種方法需要根據(jù)墊圈形焊料預(yù)制片的外徑、內(nèi)徑和厚度，加工一個(gè)與連接器引腳（針）相匹配的矩陣模具，見(jiàn)圖19。

圖19 與連接器引腳（針）相匹配的矩陣模具

放置焊料預(yù)制片的過(guò)程是：先將預(yù)制片撒在模具上振動(dòng)，篩入模具的每個(gè)鉆孔內(nèi)，并將多余的預(yù)制片清除掉；再將連接器的引腳壓入模具的孔中；最后收回（拔出）連接器，收回連接器時(shí)由于焊片比較軟，模具中的預(yù)制片便分別套在每個(gè)引腳上，見(jiàn)圖20。然后，再進(jìn)行插裝元件和再流焊。

圖20 通過(guò)模具將墊圈形焊料預(yù)制片預(yù)先套在引腳上

③ 用貼裝機(jī)將矩形焊料預(yù)制片放置在通孔焊盤(pán)末端的焊膏上。

這種方法是先在通孔焊盤(pán)上印刷焊膏，然后如同貼裝片式元件一樣，使用貼片機(jī)高速取/放矩形焊料預(yù)制片，見(jiàn)圖21?；亓骱笗r(shí)，附加的預(yù)成形焊片與焊膏一起熔化，以獲得精確的焊料體積。

圖21 焊料預(yù)制片放置在通孔焊盤(pán)末端的焊膏上

8. 插裝工藝

目前大多采用人工方法插裝通孔元件。插裝時(shí)使用輔助定位夾具將有助于元件對(duì)位，提高手工插裝效率。手工貼裝的缺點(diǎn)是速度低，并且精度不穩(wěn)定。

現(xiàn)在有一些自動(dòng)貼片機(jī)（如環(huán)球和松下某些型號(hào)的貼片機(jī)），采用特殊的、為每種通孔元件的封裝專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的吸嘴，能夠貼裝異形和通孔元件；元件可采用管式、卷軸式、盤(pán)式等包裝，送料器直接安裝在貼裝機(jī)上。自動(dòng)貼裝具有精確、可靠和高速的優(yōu)點(diǎn)。目前可以進(jìn)行自動(dòng)貼裝的通孔元件也越來(lái)越多。

插裝元件的要求如下。

①必須采用短插，元件的引腳不能過(guò)長(zhǎng)。

元件的引腳不能過(guò)長(zhǎng)，長(zhǎng)引腳也會(huì)吸收焊膏量，其針長(zhǎng)要與PCB的厚度和應(yīng)用類(lèi)型相匹配，插裝后在PCB焊接面的針長(zhǎng)應(yīng)控制在1.5mm以下。

②控制元件插裝高度，元件封裝體距PCB板面的距離應(yīng)為0.5mm。元件體，特別是連接器的外殼不能和焊膏接觸。

③緊固件不能有太大的咬接力，因?yàn)橘N裝設(shè)備通常只支持10～20N的壓接力。

9.再流焊工藝

通孔元件再流焊，當(dāng)達(dá)到焊料的熔點(diǎn)溫度時(shí)，通常在引腳底部（針尖）處的焊料熔化并浸潤(rùn)引腳（針），由于毛細(xì)作用，使液體焊料填滿(mǎn)通孔。通孔元件再流焊要保證焊點(diǎn)處的最佳熱流。

9.1 通孔元件再流焊工藝控制

與SMC/SMD相比較，通孔元件的封裝尺寸比較大；還有一些異形元件，其焊點(diǎn)的焊錫量比SMC/SMD多；插裝元器件的焊接面、元件面及插裝孔中都必須填滿(mǎn)焊料，熱容量大，回流爐必須能夠?yàn)樗幸_位置提供足夠的熱量。大風(fēng)量強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流，回流爐更適合在PIHR工藝中使用，它具有較高的熱量傳導(dǎo)率，可以保證通孔內(nèi)的焊錫膏充分熔化并調(diào)整正確的溫度曲線。另外，熱風(fēng)＋紅外爐也是很好的選擇，日本的公司比較流行熱風(fēng)+紅外爐。

由于通孔元件的元件體在PCB的頂面，為了預(yù)防損壞元件，要求頂面溫度不能太高；通孔元件的主焊點(diǎn)在PCB的底部，要求底部溫度高一些。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是增加底部溫度并降低頂部溫度，焊料液相線之上的時(shí)間應(yīng)該足夠長(zhǎng)，從而使助焊劑從通孔中揮發(fā)，因此通孔元件再流焊比標(biāo)準(zhǔn)再流焊的溫度曲線長(zhǎng)一些。

總之，通孔元件再流焊溫度曲線要根據(jù)產(chǎn)品的具體情況進(jìn)行調(diào)整，找出既能保證SMC/SMD和THC全部焊點(diǎn)質(zhì)量、又能保證PCB上面的通孔元器件不被損壞的最佳溫度和速度。如果現(xiàn)有的再流焊爐無(wú)法滿(mǎn)足溫度曲線要求，可采用用反光材料加工專(zhuān)門(mén)的屏蔽工裝機(jī)等措施，保護(hù)元件封裝體。

9.2專(zhuān)用設(shè)備“點(diǎn)焊回流爐”工藝介紹

下面以日本SONY公司型號(hào)為MSR-M201的再流焊爐為例，介紹采用專(zhuān)用設(shè)備“點(diǎn)焊回流爐”的通孔元件再流焊工藝。

MSR-M201“點(diǎn)焊回流爐”是SONY公司專(zhuān)門(mén)為通孔元件再流焊設(shè)計(jì)的。該設(shè)備共有4個(gè)溫區(qū)：兩個(gè)預(yù)熱區(qū)，一個(gè)回流區(qū)，一個(gè)冷卻區(qū)。只有下部才有加熱區(qū)，上方?jīng)]有加熱區(qū)，這樣的設(shè)計(jì)可以最大限度減少溫度對(duì)元件封裝體的損壞。兩個(gè)預(yù)熱區(qū)和一個(gè)回流區(qū)的溫度可以獨(dú)立進(jìn)行控制，冷卻區(qū)則為風(fēng)冷。回流區(qū)為最關(guān)鍵的溫區(qū)，它需要特制的回流模板（或稱(chēng)工裝、治具）配合使用。圖22是日本SONY公司MSR-M201點(diǎn)焊爐的回流區(qū)、回流模板與熱風(fēng)噴嘴的結(jié)構(gòu)。

圖22 日本SONY公司MSR-M201點(diǎn)焊爐回流區(qū)與回流模板

這個(gè)特制的回流模板是根據(jù)每一種產(chǎn)品（組裝板）專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，在每個(gè)通孔元件引腳的相應(yīng)位置都安裝一個(gè)熱風(fēng)噴嘴，回流模板安裝在回流區(qū)底部主加熱器上方，再流焊時(shí)熱風(fēng)氣流通過(guò)噴嘴直接吹到每個(gè)引腳上。

點(diǎn)焊回流爐的工藝過(guò)程與焊接原理如下所述

PCB經(jīng)過(guò)印刷焊膏、貼片，自動(dòng)傳送到回流爐的傳送帶上；經(jīng)過(guò)兩個(gè)預(yù)熱區(qū)，使PCB充分預(yù)熱到140℃；然后進(jìn)入回流區(qū)，恰好停留在回流模板的上方，每個(gè)噴嘴對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的引腳，噴嘴上端與PCB之間的間距為3mm，噴嘴的尺寸可以根據(jù)不同元件、不同位置的熱量需求進(jìn)行選擇。

點(diǎn)焊回流爐在回流區(qū)可以設(shè)置停留時(shí)間，根據(jù)不同產(chǎn)品組裝板的尺寸、厚度、元件大小、組裝密度等情況，一般需要在回流區(qū)停留20～30s。

在回流區(qū)，熱氣流通過(guò)熱風(fēng)噴嘴直接吹到每個(gè)引腳上，使通孔上的焊膏熔化，經(jīng)過(guò)潤(rùn)濕、擴(kuò)散，使焊料合金與引腳和焊盤(pán)之間形成結(jié)合層（圖23是點(diǎn)焊回流爐回流區(qū)工作原理示意圖）。

進(jìn)入冷卻區(qū)，冷卻、凝固，形成焊點(diǎn)。

圖23 點(diǎn)焊回流爐回流區(qū)工作原理示意圖

CD、DVD等產(chǎn)品采用點(diǎn)焊回流工藝中，使用含Bi焊膏，成分為46Sn/46Pb/8Bi。由于含有Bi，熔點(diǎn)為178℃，比63Sn/37Pb低5℃，目的是降低回流溫度，避免SMT元件再熔而跌落。SMT采用的是63Sn/37Pb。

含Bi焊膏的成分及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 含Bi焊膏的成分及主要參數(shù)

10.焊點(diǎn)檢測(cè)

通孔回流焊點(diǎn)的要求與IPC-A-610通孔元件的標(biāo)準(zhǔn)相同。通孔中，理想的焊料填充率應(yīng)達(dá)到100%或至少為75%以上；焊盤(pán)的浸潤(rùn)角接近360°，或在270°以上，見(jiàn)圖24。

圖24 通孔回流焊點(diǎn)要求

審核編輯 ：李倩