楊小健 沈 麗 於德雪 張 琪

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混裝型印制板組件的通孔回流焊接工藝研究

楊小健 沈 麗 於德雪 張 琪

（北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100854）

介紹了混裝型印制板組件的通孔回流焊接工藝技術(shù)。首先選用可用于回流焊接的表貼和通孔器件制作試驗(yàn)板，繼而開(kāi)展了焊膏印刷模板優(yōu)化設(shè)計(jì)和印刷工藝參數(shù)研究；采用預(yù)成型焊片進(jìn)行焊錫量補(bǔ)償?shù)姆椒?，解決了傳統(tǒng)通孔回流焊接工藝中通孔器件焊點(diǎn)焊錫量不足的問(wèn)題；明確了通孔器件的插裝要求，合理設(shè)計(jì)了混裝回流焊接工藝參數(shù)。完成了試驗(yàn)板的組裝和焊接，形成的焊點(diǎn)形態(tài)良好，孔內(nèi)焊料結(jié)晶組織均勻，填充率達(dá)到100%，焊點(diǎn)質(zhì)量滿(mǎn)足要求。

通孔回流焊接；模板設(shè)計(jì)；焊片；焊膏量

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向小型化、多功能和高性能方向的發(fā)展，使印制板組件上的元器件密度越來(lái)越高，組裝工藝以表面貼裝為主的回流焊接工藝方式[1，2]。然而，軍品對(duì)印制板組件有高可靠性、高強(qiáng)度等適用性要求，設(shè)計(jì)上仍然會(huì)使用一定數(shù)量的耐高溫通孔插裝器件，使印制板組件形成以表面貼裝器件為主，部分通孔插裝器件為輔的混裝形式。目前混裝印制板組件采用的組裝工藝方法是先回流焊接表貼器件，再手工裝焊通孔器件，造成產(chǎn)品周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多、加工周期長(zhǎng)和焊接質(zhì)量難以保證等問(wèn)題。通孔回流焊接工藝非常適用于混裝型印制板組件產(chǎn)品，能使表貼器件和通孔器件一次焊接而成，減少一次焊接環(huán)節(jié)，印制板組件和器件受到的熱沖擊減少，不易變形；生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)易控制，一致性好，產(chǎn)品質(zhì)量可靠；中間環(huán)節(jié)少，生產(chǎn)效率高，降低了生產(chǎn)和質(zhì)量控制成本[3]。

考慮使用通孔回流焊接工藝技術(shù)，選用軍品常用表貼器件和耐高溫通孔器件制作實(shí)驗(yàn)板，屬于混裝型印制板組件，通孔器件包括DIP封裝的耐高溫集成電路和接插件（引腳間距2.54mm），表貼器件包括常用的SOP封裝器件以及CHIP封裝的表貼電阻、表貼電容等器件。

2 通孔回流焊接模型

圖1 理想通孔焊點(diǎn)模型示意圖

通孔器件的焊盤(pán)除了有印制板上、下焊盤(pán)外，還有印制板厚度方向的通孔需要填滿(mǎn)焊膏，而且在元件引腳與印制板兩面焊盤(pán)的交接處還要形成半月形的焊點(diǎn)，因此需要的焊膏量約比表貼器件的焊膏量多3～4倍。理想通孔器件焊點(diǎn)包括器件面焊角、通孔、底面焊角，均需焊膏填充，如圖1所示，每個(gè)引腳所需焊膏體積V按以下方法計(jì)算[4～6]：

其中：V——每個(gè)引腳所需焊錫體積；V——通孔內(nèi)填充焊錫體積；1——器件面焊角+底面焊角；2——引腳體積。

把通孔器件面焊角、底面焊角當(dāng)作平截頭錐體，如圖1所示。

計(jì)算出理想通孔器件每個(gè)焊點(diǎn)所需焊膏體積=2.5277mm3。

3 通孔回流焊接工藝實(shí)施

3.1 印刷模板優(yōu)化設(shè)計(jì)

表貼器件需求的焊膏量小于通孔器件，在設(shè)計(jì)印刷模板厚度時(shí)需要兩者兼顧，采用階梯模板，表貼器件對(duì)應(yīng)模板厚度0.125mm，通孔器件對(duì)應(yīng)模板厚度0.15mm。通孔焊盤(pán)區(qū)域開(kāi)口選擇長(zhǎng)方形形式，如圖2a所示，尺寸長(zhǎng)設(shè)定2.3mm，寬設(shè)定1.9mm，以增加印刷的焊膏量，同時(shí)為避免了焊膏深入器件本體底部形成錫珠，開(kāi)口間隙0.254mm，避免了橋連缺陷，如圖2b所示，表面元器件的模板設(shè)計(jì)按照IPC—7525《網(wǎng)板設(shè)計(jì)指南》進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 模板開(kāi)口印刷后效果

3.2 焊膏印刷工藝研究

焊膏印刷的工藝參數(shù)主要有刮刀角度、刮刀壓力、印刷速度、脫模速度和脫模距離等。脫模速度和脫模距離會(huì)影響焊膏邊沿的清晰度，選擇脫模速度1mm/s，脫模間距-0.1mm；刮刀角度依據(jù)階梯模板的印刷經(jīng)驗(yàn)，選擇60°角度；印刷速度設(shè)定必須保證焊膏在遷移過(guò)程中處于滾動(dòng)狀態(tài)，一般印刷速度低，焊膏填充性好，為保證其孔內(nèi)漏印的焊膏量大，印刷速度選擇20mm/s，刮刀壓力選擇75N，試驗(yàn)板印刷效果如圖3所示，焊盤(pán)上焊膏印刷的形狀規(guī)則，沒(méi)有焊膏橋連、拉尖和焊膏分離的現(xiàn)象，焊膏100%填充焊孔。但是，焊接后孔內(nèi)焊錫量不足，無(wú)法形成合格焊點(diǎn)狀態(tài)，如圖4所示。

圖3 焊膏印刷效果

圖4 焊接效果

3.3 焊錫量補(bǔ)償方法研究

3.3.1 焊錫量理論計(jì)算

按模板厚度、模板開(kāi)口尺寸、印刷參數(shù)印刷后，印制板組件通孔器件焊盤(pán)孔沉積的焊錫總量V：

V=(3+4)

其中：V——焊盤(pán)孔沉積的焊錫總量；3——焊盤(pán)表面沉積焊膏量；4——焊盤(pán)孔內(nèi)沉積的焊膏量；——焊膏中焊錫金屬的體積分?jǐn)?shù)，使用的焊膏（63Sn37Pb）金屬體積分?jǐn)?shù)為80%。

混裝型印制板組件通孔器件焊盤(pán)孔沉積的焊錫總量V=1.54176mm3，與所需焊膏體積=2.5277mm3相比，印刷后的焊錫量不滿(mǎn)足通孔焊點(diǎn)填充率100%的要求，需補(bǔ)償焊錫量0.98594 mm3。

3.3.2 焊錫量補(bǔ)償方法實(shí)施

采用預(yù)成型焊片進(jìn)行焊錫量補(bǔ)償，如圖5所示，焊片厚度0.3mm，外徑2.2mm，內(nèi)徑0.6mm，焊錫量1.05504mm3，滿(mǎn)足需要補(bǔ)償?shù)暮稿a量。焊片統(tǒng)一模具批量加工成型，尺寸外觀一致性好，并且焊片可以編帶，滿(mǎn)足貼片機(jī)貼片的要求，在焊膏印刷后采用全自動(dòng)貼片機(jī)對(duì)每個(gè)通孔焊盤(pán)上貼放焊片，生產(chǎn)效率高，回流焊接后器件引腳與印制板兩面焊盤(pán)的交接處形成了很好的焊點(diǎn)形態(tài)，通孔內(nèi)焊錫填充率達(dá)到100%，如圖6所示。

圖5 預(yù)成型焊片

圖6 預(yù)成型焊片使用效果

3.4 通孔器件插裝工藝

通孔器件引腳伸出印制板板面長(zhǎng)度對(duì)焊盤(pán)孔焊錫填充率有著重要影響，長(zhǎng)引腳會(huì)帶走過(guò)多焊膏，甚至導(dǎo)致焊膏塌陷，造成焊點(diǎn)錫量不足。因此通孔器件引腳需預(yù)先剪切，保留伸出板面高度1.0～1.5mm內(nèi)，插裝后焊膏連續(xù)地覆蓋在引腳和焊盤(pán)上，引腳帶出的焊膏在焊接時(shí)由于表面張力可以將焊膏“拉回”，形成良好的焊點(diǎn)狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 合格插裝效果

3.5 通孔回流焊接工藝研究

試驗(yàn)板采用有鉛制程下的有鉛、無(wú)鉛混裝工藝，峰值溫度提高到228～235℃之間。由于通孔器件引腳焊接面較大、表貼器件引腳焊接面較小，回流焊接時(shí)要讓兩者之間的溫度差盡量小；通孔器件正反面都要形成焊點(diǎn)狀態(tài)，回流焊接時(shí)正反面溫度差也要盡量小；通孔器件焊膏填充了整個(gè)焊盤(pán)孔，焊膏量較大，回流焊接時(shí)必須有足夠的焊膏活化時(shí)間讓氣體揮發(fā)溢出，避免在孔內(nèi)形成空洞，如果氣體不能及時(shí)溢出，就會(huì)形成氣泡，影響焊點(diǎn)強(qiáng)度，如圖8所示。據(jù)此分析設(shè)置了溫度曲線(xiàn)，如圖9所示，通孔器件引腳正反面焊接溫度差很小，正反面焊接溫度均達(dá)到235℃。

圖8 通孔回流焊接形成的氣泡

圖9 回流焊溫度曲線(xiàn)測(cè)試

3.6 焊接質(zhì)量檢測(cè)

3.6.1 焊點(diǎn)形態(tài)檢測(cè)

回流焊接后焊點(diǎn)質(zhì)量的檢測(cè)情況如圖10所示，表面貼裝器件和通孔插裝器件焊點(diǎn)形態(tài)良好，焊接面光滑、明亮，無(wú)針孔，無(wú)非結(jié)晶狀態(tài)；通孔插裝器件焊接面和元件面都形成半月形的焊點(diǎn)，焊料潤(rùn)濕所有焊接面，形成良好的錫焊輪廓線(xiàn)，爬錫高度滿(mǎn)足要求，焊點(diǎn)潤(rùn)濕角小于30°；通孔內(nèi)焊料結(jié)晶組織均勻，填充率達(dá)100%，無(wú)空洞；板面無(wú)錫球、錫珠，整板焊接質(zhì)量良好。

圖10 焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)圖

3.6.2 焊點(diǎn)強(qiáng)度分析

對(duì)通孔回流焊接引腳進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，所有測(cè)試點(diǎn)抗拉力值基本穩(wěn)定，均大于90N，通孔器件波峰焊接焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度要求大于90N[7]，并且所有測(cè)試點(diǎn)斷裂狀態(tài)都是引腳斷裂，如圖11所示，說(shuō)明其通孔焊點(diǎn)具有優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度。

表1 抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖11 抗拉強(qiáng)度測(cè)試引腳斷裂情況

3.6.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)焊接后試驗(yàn)板的通孔焊點(diǎn)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，如圖12所示，焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)組織均勻，形成了Cu6Sn5的金屬間化合物（IMC），且厚度控制在1～4μm內(nèi)，符合通孔器件合格焊點(diǎn)要求。

圖12 通孔焊點(diǎn)的金屬間化合物厚度及成分分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了混裝型印制板組件的通孔回流焊接工藝，將通孔器件裝焊組合到表面組裝工藝中，減少了一次焊接環(huán)節(jié)，使印制板組件和器件受到的熱沖擊減少；形成的表貼器件和通孔器件焊點(diǎn)形態(tài)良好，焊料潤(rùn)濕所有焊接面，形成良好的錫焊輪廓線(xiàn)，焊接面光滑、明亮，孔內(nèi)焊料結(jié)晶組織均勻，填充率達(dá)到100%，焊接質(zhì)量良好，有效提高產(chǎn)品的焊接質(zhì)量及可靠性。

1 梁惠卿，唐纓，肖峰. SMT/THT混裝回流焊工藝技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2013，34(6)：359～362

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Study on Pin-through-hole Reflow Soldering Process of Mixed-mounting Printed Circuit Boards

Yang Xiaojian Shen Li Yu Dexue Zhang Qi

(Beijing Institute of Computer Technology and Application,Beijing 100854)

The pin-through-hole reflow soldering process of mixed-mounting printed circuit boards is described in details. Firstly, the test board is made by using SMCs and THCs, and the optimum design of solder printing stencil and the study of printing process parameters are carried out. Then, the method of the solder perform for solder paste volume compensation is specially designed to solve the problem of insufficient quantity of through-hole solder joints in the traditional through-hole reflow soldering process. The requirements for the insertion of through-hole devices are clarified, and the process parameters of mixed reflow soldering are reasonably designed. The mixed-mounting printed circuit boards are completed with good shape joints, uniform crystal structure of the solder in the holes and 100% filling rate. The quality of soldering joints is up to the quality requirements.

pin-through-hole reflow soldering；stencil design；solder perform；solder paste volume

楊小?。?986），工程師，應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)；研究方向：電氣互聯(lián)工藝技術(shù)。

2018-04-02