通孔元件再流焊工艺及部分问题解决方案实例
通孔再流焊工艺技术浅析
通孔再流焊工艺技术浅析作者:张海澎王家波李晓松来源:《科学导报·学术》2020年第17期摘;要:通孔再流焊技术是将通孔元件结合到表面组装工艺的一种工艺方法,使用通孔再流焊即可以提高生产效率又可以节省设备和成本。
本文介绍了应用通孔再流焊的必要性和工艺过程,并对决定通孔再流焊焊接质量的两项关键技术:焊盘设计和锡膏涂覆工艺两项关键技术进行了详细的介绍和分析,具有一定的借鉴价值。
关键词:BGA;植球;CBG1 通孔再流焊工艺的必要性随着电子产品向小型化、高組装密度方向发展,电子组装技术也以表面贴装技术为主。
但在一些电路板中仍然会存在一定数量的通孔插装元器件,形成表面贴装元器件和通孔插装元器件共存的混装电路板。
传统组装工艺对于混装电路板的组装工艺是先使用表面贴装技术(SMT,Surface Mount Technology)完成表面贴装器件的焊接,再使用通孔插装技术(THT,Through Hole Technology)插装通孔元器件,最后通过波峰焊或手工焊来完成印制板的组装。
传统组装工艺流程图如图一所示。
采用传统组装工艺组装混装电路板的主要缺点是必须要为使用极少的通孔插装元件的焊接增加一道波峰焊接的工序。
另外波峰焊接技术被应用于过孔插装元件(THD)印制板组件的焊接有许多不足之处:不适合高密度、细间距元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;印制板受到较大热冲击易翘曲变形。
为了适应表面组装技术的发展,解决以上焊接难点,通孔再流焊接技术得到应用,可以实现一道工序完成焊接。
通孔再流焊接技术(THR,Through-hole Reflow),又称为穿孔再流焊PIHR(Pin-in-Hole Reflow)。
通孔再流焊技术是将焊膏印刷到电路板上,然后在贴片后插装通孔插装元器件,最后表面贴装元器件和通孔插装元器件共同通过再流焊炉,一次性完成焊接工艺。
通孔再流焊技术主要工艺步骤如图二所示。
通过图二我们可以得出,如果使用通孔再流焊技术,就可以在混装电路板上一次完成所有元器件的焊接,这样即可以减少工序提高生产效率,又可以节省波峰焊炉的设备成本。
开发通孔回流焊接工艺
开发通孔回流焊接工艺本文介绍:“通孔回流焊接工艺消除许多混合技术PCB的波峰焊接的需要。
”在过去三到四年期间,美国Alcatel公司(Richardson, TX)已经在作消除对尽可能多的混合技术PCB的波峰焊接需要的工作。
减少波峰焊接的计划已经提供了成本与周期时间的重要改善。
通孔回流焊接工艺的实施已经是该计划的一个必要部分。
该工艺涉及在通孔(through-hole)元件要插位置印刷锡膏。
这些元件然后在表面回流焊接炉之前安装,并与其它元件一起焊接。
适合该工艺的元件类型包括针栅阵列(PGA, pin grid array)、DIP(dual in-line package)和各种连接器。
初始结果能力分析(capability studies)Alcatel公司的工艺质量标准对所有通孔元件一直要求至少75%的通孔填充。
焊接工业标准J-STD-001 B1 (第三类应用)要求垂直填充至少75%,并明显有良好的熔湿。
计算显示,假设将孔的尺寸从波峰焊接和手工焊接正常使用的减少,0.007"的模板可提供足够的焊锡满足这些要求。
通过使用一种为新工艺重新设计的波峰焊接产品电路板,对回流焊接炉提供必要温度曲线的能力进行了研究。
该电路板是10"x15.2" ,厚度0.093",安装一个47-mm2的陶瓷PGA,以及一些典型的标准与密间距的表面贴装元件。
该炉子是标准的带有氮气的强制对流型的。
图一显示得到的温度曲线。
板上所有的点都在锡膏供应商对峰值温度和回流以上时间的规格内。
PGA引脚的温度实际上是两面相同的,尽管有元件的热质量(thermal mass)。
小型表面贴装电阻与PGA 引脚之间的峰值温度之差只有9°C初始实施当工艺在产品电路板实施时,遇到许多的问题。
由于焊锡对引脚的分布不均,有时要求焊接点的返工。
有些引脚特别少锡,而相邻的引脚又多锡。
其它的情况,大的锡“块”保留在引脚端上,因此由于孔内少锡而要求手工的补焊。
贴装焊盘上的通孔回流焊接时漏锡的工艺解决方案
贴装焊盘上的通孔回流焊接时漏锡的工艺解决方案
朱晓东
【期刊名称】《现代表面贴装资讯》
【年(卷),期】2008(000)004
【摘要】当前通信行业尤其是军工企业处于特殊的考虑,所设计的PCB贴装焊盘上存在通孔,造成回流焊接时锡膏融化后沿着孔流走,不能形成有效焊点,即使形成焊点也因为少锡致使焊点机械强度及电气性能下降。
现在的补救措施就是花费大量的人工进行补焊,但人工补焊对单元板质量的危害是极其深远的,现有某公司实际案例情况说明如下:
【总页数】4页(P11-14)
【作者】朱晓东
【作者单位】广州海格通信集团股份有限公司工艺部
【正文语种】中文
【中图分类】TN405
【相关文献】
1.混装型印制板组件的通孔回流焊接工艺研究 [J], 杨小健;沈丽;於德雪;张琪
2.回流焊接工艺与表面贴装技术在科研生产中的应用 [J],
3.通孔波峰焊透锡不良问题研究 [J], 孙德松
4.回流焊接工艺与表面贴装技术在科研生产中的应用 [J], 冯京安
5.耐高温插装元件通孔回流焊接工艺优化 [J], 杨小健; 沈丽; 祝蕾; 张琪
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SMT焊接质量缺陷: 再流焊质量缺陷及解决办法
SMT焊接质量缺陷:再流焊质量缺陷及解决办法立碑现象再流焊中,片式元器件常出现立起的现象产生的原因:立碑现象发生的根本原因是元件两边的润湿力不平衡,因而元件两端的力矩也不平衡,从而导致立碑现象的发生。
下列情况均会导致再流焊时元件两边的湿润力不平衡:▶焊盘设计与布局不合理。
如果焊盘设计与布局有以下缺陷,将会引起元件两边的湿润力不平衡。
元件的两边焊盘之一与地线相连接或有一侧焊盘面积过大,焊盘两端热容量不均匀; PCB表面各处的温差过大以致元件焊盘两边吸热不均匀;大型器件QFP、BGA、散热器周围的小型片式元件焊盘两端会出现温度不均匀。
解决办法:改变焊盘设计与布局。
▶焊锡膏与焊锡膏印刷存在问题。
焊锡膏的活性不高或元件的可焊性差,焊锡膏熔化后,表面张力不一样,将引起焊盘湿润力不平衡。
两焊盘的焊锡膏印刷量不均匀,多的一边会因焊锡膏吸热量增多,融化时间滞后,以致湿润力不平衡。
解决办法:选用活性较高的焊锡膏,改善焊锡膏印刷参数,特别是模板的窗口尺寸。
▶贴片移位Z轴方向受力不均匀,会导致元件浸入到焊锡膏中的深度不均匀,熔化时会因时间差而导致两边的湿润力不平衡。
如果元件贴片移位会直接导致立碑。
解决办法:调节贴片机工艺参数。
▶炉温曲线不正确,如果再流焊炉炉体过短和温区太少就会造成对PCB加热的工作曲线不正确,以致板面上湿差过大,从而造成湿润力不平衡。
解决办法:根据每种不同产品调节好适当的温度曲线。
▶氮气再流焊中的氧浓度。
采取氮气保护再流焊会增加焊料的湿润力,但越来越多的例证说明,在氧气含量过低的情况下发生立碑的现象反而增多;通常认为氧含量控制在(100~500)×10的负6次方左右最为适宜。
锡珠锡珠是再流焊中常见的缺陷之一,它不仅影响外观而且会引起桥接。
锡珠可分为两类,一类出现在片式元器件一侧,常为一个独立的大球状;另一类出现在IC引脚四周,呈分散的小珠状。
产生锡珠的原因很多,现分析如下:▶温度曲线不正确。
SMT无铅焊接技术与有铅、无铅混装工艺的质量控制
SMT无铅焊接技术与有铅、无铅混装工艺的质量控制招生对象---------------------------------电子信息产品的工艺人员、设计人员、电子类院校相关人员、外协人员、采购人员及SMT 相关人员等。
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一.SMT发展动态与新技术介绍1.电子组装技术与SMT的发展概况2.元器件发展动态3.窄间距技术(FPT)是SMT发展的必然趋势4.无铅焊接的应用和推广5.非ODS清洗介绍6.贴片机向模块化、多功能、高速度方向发展7.其它新技术介绍PCB-SMD复合化、新型封装FC-BGA 、MCM多芯片模块、3D封装、POP技术等二. SMT无铅焊接技术(一) 学习运用焊接理论,正确设置再流焊温度曲线,提高无铅焊接与混装焊接质量1.锡焊机理与焊点可靠性分析⑴概述⑵锡焊机理⑶焊点强度和连接可靠性分析⑷关于无铅焊接机理⑸锡基焊料特性2.运用焊接理论正确设置无铅与混装再流焊温度曲线⑴以焊接理论为指导分析再流焊的焊接机理⑵从再流焊温度曲线分析无铅焊接与混装焊接的特点⑶运用焊接理论正确设置无铅焊接与混装再流焊温度曲线(二) SMT关键工序-再流焊技术⑴再流焊原理⑵再流焊工艺特点⑶影响再流焊质量的因素⑷如何正确测试再流焊实时温度曲线包括:热偶测温原理、固定方法、注意事项、如何获得精确的测试数据等⑸SMT再流焊接中常见的焊接缺陷分析与预防对策(三) 波峰焊工艺⑴波峰焊原理⑵波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求⑶波峰焊材料⑷波峰焊工艺流程⑸波峰焊操作步骤⑹波峰焊工艺参数控制要点⑺波峰焊常见焊接缺陷分析及预防对策(四) 无铅焊接的特点、无铅产品设计、模板设计及工艺控制⑴无铅工艺与有铅工艺比较⑵无铅焊接的特点a.从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点b.无铅波峰焊特点及对策⑶无铅焊接对焊接设备的要求⑷无铅产品设计及工艺控制a.无铅产品工艺设计(组装方式与工艺流程设计原则)b.无铅产品PCB设计•选择无铅元器件•选择无铅PCB材料及焊盘涂镀层•选择无铅焊接材料(包括合金和助焊剂)•无铅产品PCB焊盘设计c. 无铅模板设计d. 无铅工艺控制无铅印刷、贴装、再流焊、波峰焊、检测、返修及清洗工艺三. 无铅焊接可靠性讨论及有铅、无铅混装工艺的质量控制(一)无铅焊接可靠性讨论1. 目前正处于从有铅产品向无铅产品过渡的特殊阶段2. 从无铅焊接“三要素”分析无铅焊接的特点3.关于过渡时期无铅产品长期可靠性的讨论⑴高温损坏元器件⑵高温损坏PCB基材⑶锡须⑷空洞、裂纹⑸金属间化合物的脆性⑹机械震动失效⑺热循环失效⑻焊点机械强度⑼电气可靠性(二) 有铅、无铅混装工艺的质量控制1. 有铅/无铅混合制程分析⑴再流焊工艺中无铅焊料与有铅元件混用⑵再流焊工艺中有铅焊料与无铅元件混用2. 有铅、无铅混装工艺的质量控制⑴有铅/无铅混用必须考虑相容性⑵严格物料管理⑶有铅/无铅混装工艺(用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件)的质量控制四. 部分新技术与案例分析解决1. 通孔元件再流焊工艺介绍2. 部分问题解决方案实例•案例1 “爆米花”现象解决措施•案例2 元件裂纹缺损分析•案例3 Chip元件“立碑”和“移位” 分析•案例4 连接器断裂问题•案例5 金手指沾锡问题•案例6 抛料的预防和控制•波峰焊接中产生锡珠(球)、短路问题分析和正确的工艺方法3. BGA、CSP焊点缺陷分析与自动X射线检测(AXI)图像的评估和判断⑴BGA的主要焊接缺陷与验收标准⑵BGA主要焊接缺陷的原因分析•空洞•脱焊(裂纹或“枕状效应”)•桥接和短路•冷焊、锡球熔化不完全•焊点扰动•移位(焊球与PCB焊盘不对准)•球窝缺陷⑶X射线检测BGA、CSP焊点图像的评估和判断⑷大尺寸BGA 的焊盘与模板设计4. 0201、01005与PQFN的印刷和贴装5. BGA的返修和置球工艺介绍6. POP的贴装与返修技术介绍五. 问题讨论和现场答疑参考教材:1.《表面组装技术(SMT)基础与可制造性设计(DFM)》2.《表面组装技术(SMT)通用工艺与无铅实施》3.《表面组装技术(SMT)基础与通用工艺》讲师介绍---------------------------------顾霭云,原公安一所副研究员,北京电子学会SMT专业委员会委员。
通孔元件再流焊工艺及部分问题解决方案实例
可用于再流焊的连接器
插装孔焊料填充要求 >75%
(2):通过模局具将垫圈形焊料预制片预先套在引脚上 根据垫圈形焊料预制片的外径和内径加工一个与 连接器引脚(针)相匹配的模具→将预制片撒在模具上 振动,筛入模具的每个钻孔中→将连接器压入模具→收 回连接器时预制片就套在引脚上了。
4.2 通孔元Leabharlann 的焊膏施加量案例1 “爆米花”现象解决措施
•
受潮器件再流焊时, 在器件内部的气体膨胀使邦定点的根部“破裂”
平焊点
“爆米花”现象
PBGA器件的塑料基板起泡
“爆米花”现象机理:
水蒸气压力随温度上升而增加 温度 (°C) 190 200 210 220 230 240 250 260 水的蒸气压力(毫米) 9413.36 11659.16 14305.48 17395.64 20978.28 25100.52 29817.84 35188.0
4.6 焊点检测
• 通孔回流焊点要求与IPC-A-610波峰焊点的标准相同。 • 理想的填充率达到100%或至少75%以上。焊盘环的浸润 角接近360°或270°以上。
IPC-A-610D标准: Acceptable - Class 2 • Minimum 180° wetting present on lead and barrel, Figure 7-113. Acceptable - Class 3 • Minimum 270° wetting present on lead and barrel, Figure 7-114.
2. 通孔元件采用再流焊工艺的适用范围
• a 大部分SMC/SMD,少量(10~5%以下)THC的产 品。 • b 要求THC能经受再流焊炉的热冲击,例如线圈、连 接器、屏蔽等。有铅焊接时要求元件体耐温240℃,无 铅要求260℃以上。 • c 电位器、铝电解电容、国产的连接器、塑封器件等不 适合再流焊工艺。(除非采用专用回流炉) • c 个别不能经受再流焊炉热冲击的元器件,可以采用后 附手工焊接的方法解决。
再流焊常见缺陷及对策之修改版.doc
1.校准定位坐标,注意元件贴装的准确性。
2.使用粘度大的焊膏,增加元件贴装压力,增大粘结力。
3.减少焊膏中不定形粉,防止焊膏塌边。
4.减小助焊剂含量。
5.调整马达转速。
焊端变色
产生原因:
焊端材料Ag或Pd等元素与卤族元素发生反应。
防止措施:
选择含卤族元素量低的焊膏。
芯
吸
“芯吸”现象如左图所示,焊膏全部溶化并且芯吸到元件引脚,在靠近引脚终端的地方形成一球状物。焊膏易润湿引脚,而没有润湿焊盘。焊膏芯吸现象当表面有很差的可焊性时发生,也在元件引脚温度和焊盘温度有很大的差异时产生,良好的温度曲线会减少这种现象的产生。
焊剂
残余
板面较多残留物的存在,影响板面的光洁程度,对PCB本身的电气性也有一定的影响。低残留焊膏一般要采用惰性气体软钎焊,有一个半经验模型已被证明是有效的:随着氧浓度的降低,焊点强度和焊膏的润湿能力会有所增加,并趋于平稳;此外焊点强度也随着焊剂中固体含量的增加而增加。
产生原因:
1.焊膏选型错误,比如要求用免清洗无残留焊膏,却提供了松香树脂型焊膏,以至焊后残留较多
2.氮气的使用也可以减少空洞。
返修:
于空洞不能从外面看到,使用X-ray探测或者破坏性微观切片可以看到。焊点内小的空洞不需要返修,如含有大块的空洞,返修费用一般都很高。有缺陷的钎焊接点可以用特殊的专业电烙铁来去除。
竖
碑
竖
碑
竖
碑
“竖碑”现象也被称为墓石、吊桥、“曼哈顿”现象,常出现在红外再流焊和热风再流焊过程的片式元件中,表现为表面组装元件在竖直面内旋转一定的角度,有时可达90°,完全离开焊盘。在钎焊体积小、质量轻的片式元件时容易发生,特别是在1005(1mm×0.5mm)或更小的0603(0.6mm×0.3mm)贴装元件的生产中,元件两端受热不均匀,焊膏熔化有先后所致。
通孔焊接工艺缺陷分析及处1
1.合理的设计焊盘;
2.阻焊膜未经过良好的处理。阻焊膜的吸附是产生锡球的一个必要条件;
2.通孔铜层至少25μm以避免和防止板内所含的水汽的影响;
3.焊锡膏中助焊剂使用量太大;
3.采用合适的锡膏涂刷,减少锡膏内混入的其他气体量;
4.PCB板没有经过预热过程或预热温度不够,助焊剂未能有效挥发;
1、使用专业刷锡设备、通孔刷锡/回流治具;
2.过孔设计不合理,影响了焊点热容的损失;
2、PCB板过孔的设计不能影响到焊点的热容损失;
连锡
1.线路分布太密,引脚太近或不规律;(一定搭配的焊盘与引脚焊点在一定条件下能承载的锡膏量是一定的,处理不当多余的部分都可能造成桥连现象);
1、合理设计焊盘,避免过多采用密集布线;
2.回流温度不均匀;
2、改善回流槽结构;
3.PCB没有经过预热过程或预热温度不够及助焊剂活性不够;
3、增加预热区,适当提高焊接预热温度,同时可以考虑在一定范围内提高焊接温度以提高焊锡合金流动性;
4.锡膏印刷桥连或是偏移等;
4、调整刷锡通孔治具位置与PCB板原件脚位置对准或调小刷锡锡膏流量;
锡珠/锡球
针对这些问题,我们也多次反复实验及参考了其它相关的资料,总结得出以下问题及改善方案:
不良现象
描述
改善措施
焊点不湿润
1.焊接温度不够或不均匀,预热温度偏低或是助焊剂活性不够,使得助焊剂未能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜;在此,我们在做实验的同时完全没有预热的这一作业步骤。
1、增加预热区域;
2.焊接温度不够。常用无铅焊锡合金的熔点升高且润湿性大为下降,需要更高的焊接温度来保证焊接质量;(已改善);
4.适当提高预热的温度;
再流焊常见质量缺陷的解决方法
改善措施 不足的焊膏使用专业的 钎焊烙铁可以移处。加 一些助焊剂到焊点上, 再放置一些断续的纤维 ,把钎焊烙铁尖放到钎 焊合金的上表面进行加 热,直到焊膏合金溶化 后进入纤维后抬起来。 一次不行可以多次。使 用焊膏丝重新钎焊元件 端部。如果必要的化使 用异丙醇、棉花球、或 软抹布清洗,直到焊剂 被去除。
改善措施 1. 选用合格的元 件; 2. 避免操作过程 中的损伤; 3. 焊膏印刷均匀 。
缺陷图片
6
再流焊常见质量缺陷及解决方法
质量缺陷类 型 墓碑( Tombstone )
缺陷描述 墓碑现象指 元件一端脱 离焊锡,直 接造成组装 板的失效。
产生原因 1. 锡膏印刷不均匀; 2. 元件贴片不精确; 3. 温度不均匀; 4. 基板材料的导热系 数不同以及热容不同; 5. 氮气情况下墓碑现 象更为明显; 6. 元件与导轨平行排 列时更容易出现墓碑现 象。
再流焊常见质量缺陷及解决方法
江苏省淮安市中等专业学校
张姮
教学目的及要求 教学目的及要求
教学目的:了解再流焊常见质量缺陷;了解再流焊 常见质量缺陷的解决方法。 教学重点:再流焊常见质量缺陷。 教学难点:再流焊常见质量缺陷的解决方法。
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再流焊常见质量缺陷及解决方法
质量缺陷 类型
不润湿( Nonwetti ng)/润 湿不良( Poor Wetting )
改善措施
1.不使用已变质的焊 接材料;2.选用镀层 质量达到要求的板材 ;3. 焊接前黄铜引脚 应该首先镀一层1~ 3μ m的镀层;4.合理 设置工艺参数,适量 提高预热或是焊接温 度,保证足够的焊接 时间; 5.采用氮气保护; 6.焊接0201以及01005 元件时调整原有的工 艺参数,减缓预热曲 线爬伸斜率,锡膏印 刷方面做出调整。
通孔再流焊接技术
通孔再流焊接技术1 引言目前PCB组装中,表面贴装元件约占800/0,成本为60%,而穿孔元件约占20%,成本为40%。
这种混合板采用传统再流焊技术是不能进行焊接,需采用再流焊与波峰焊两道工序。
然而波峰焊接技术被应用于过孔插装元件(THD)印制板组件的焊接有许多不足之处:不适合高密度、细间距元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;印制板受到较大热冲击易翘曲变形。
为了适应表面组装技术的发展,解决以上焊接难点,通孔再流焊接技术得到应用,可以实现一道工序完成焊接。
通孔再流焊接技术(THR,Through-hole Reflow),又称为穿孔再流焊PIHR(Pin-in-Hole Reflow)。
该技术原理是在印制板完成贴片后,使用一种安装有许多针管的特殊模板,调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐,使用刮刀将模板上的焊膏漏印到焊盘上,然后安装插装元件,最后插装元件与贴片元件同时通过再流焊完成焊接。
通孔再流焊在很多方面可以替代波峰焊来实现对插装元件的焊接,特别是在处理焊接面上分布有高密度贴片元件(或有线间距SMD)的插件焊点的焊接,这此采用传统的波峰焊接已无能为力,另外通孔再流焊能极大地提高焊接质量,这足以弥补其设备昂贵的不足。
通孔再流焊的出现,对于丰富焊接手段、提高线路板组装密度(可在焊接面分布高密度贴片元件)、提升焊接质量、降低工艺流程,都大有帮助。
2 通孔再流焊(THR&PIP)工艺过程一般元件都可以加工成为表面贴装元件,但是部分异型元件,如连接器、变压器和屏蔽罩等,为了满足机械强度和大电流需要,仍然需要加工成为接插元件,通孔式接插元件有较好的焊点机械强度。
接插元件应用于通孔再流焊工艺时应考虑2个问题:一为并不是所有接插元件都可以满足通孔再流焊工艺需求,即元件材料不会因再流高温而破坏,表1为可(不可)用于再流焊工艺的元件材料汇总;二是虽然通孔式接插元件可利用现有的SMT设备来组装,但在许多产品中不能提供足够的机械强度,而且在大面积PCB上,由于平整度的关系,很难使表面贴装式接插元件的所有引脚都与焊盘有一个牢固的接触,就需重新设计模板、再流焊温度曲线及引脚与开孔直径比例等。
thr通孔回流焊技术要求(1)
通孔回流焊技术要求近年来,表面贴装技术(SMT)迅速发展起来,在电子行业具有举足轻重的位置。
除了全自动化生产规模效应外,SMT还有以下的技术优势:元件可在PCB的两面进行贴装,以实现高密度组装;即使是最小尺寸的元件也能实现精密贴装,因此可以生产出高质量的PCB组件。
然而,在一些情况下,这些优势随着在PCB上元件贴着力的减少而削弱。
让我们观察图1的例子。
SMT元件的特点是设计紧凑,并易于贴装,与通孔的连接器在尺寸和组装形式上有明显的区别。
图1 PCB上组装有SMT元件(左)和一个大理通孔安装的连接器(右)用于工业领域现场接线的连接器通常是大功率元件。
可满足传输高电压、大电流的需要。
因此设计时必须考虑到足够的电气间隙与爬电距离,这些因素最终影响到元件的尺寸。
此外,操作便利性、连接器的机械强度也是很重要的因素。
连接器通常是PCB主板与“外界部件”通信的“接口”,故有时可能会遇到相当大的外力。
通孔技术组装的元件在可靠性方面要比相应的SMT元件高很多。
无论是强烈的拉拽、挤压或热冲击,它都能承受,而不易脱离PCB。
从成本考虑,大部分PCB上SMT元件约占80%,生产成本仅占60%;通孔元件约占20%,生产成本却占40%,如图2所示。
可见,通孔元件生产成本相对较高。
而对许多制造公司来说,今后面临的挑战之一便是开发采用纯SMT工艺的印刷线路板。
图2 带有通孔无件和SMT元件的PCB根据生产成本以及对PCB的影响,SMT+波峰焊和SMT+压接技术(press in)等现有的工艺还不完全令人满意,因为在现有的SMT工序需要进行二次加工,不能一次性完成组装。
这就对采用通孔技术的元件提出了下列要求:通孔元件与贴片元件应该使用同样的时间、设备和方法来完成组装。
THR如何与SMT进行整合根据上述要求发展起来的技术,称之为通孔回流焊技术(Through-hole Reflow,THR),又叫“引脚浸锡膏(pin in paste,PIP)”工序,如图3所示。
再流焊接工艺
细间距引脚桥接问题
SMA Introduce
导致细间距元器件引脚桥接缺陷的主要因素有: a) 漏印的焊膏成型不佳; b) 印制板上有缺陷的细间距引线制作; c) 不恰当的回流焊温度曲线设置等。
因而,应从模板的制作、丝印工艺、回流焊工艺等关键 工序的质量控制入手,尽可能避免桥接隐患。
回流焊接缺陷分析:
• 调整锡膏粘度。 • 提高锡膏中金属含量百分比。
• 调整预热使尽量赶走锡膏中 的氧体。
• 增加锡膏的粘度。 • 增加锡膏中金属含量百分比。
回流焊接缺陷分析:
问题及原因 • 4.缩锡:零件脚或焊垫的焊锡
性不佳。
• 5.焊点灰暗 :可能有金属杂 质污染或给锡成份不在共熔点, 或冷却太慢,使得表面不亮。
c) 焊盘设计质量的影响。
若片式元件的一对焊盘大小不同或不对称,也会引起漏印的焊膏量不 一致,小焊盘对温度响应快,其上的焊膏易熔化,大焊盘则相反,所 以,当小焊盘上的焊膏熔化后,在焊膏表面张力作用下,将元件拉直 竖起。焊盘的宽度或间隙过大,也都可能出现立片现象。严格按标准 规范进行焊盘设计是解决该缺陷的先决条件。
SMA Introduce
模板(Stencil)材料性能的比较:
性能
抗拉强度 耐化学性 吸水率 网目范围 尺寸稳定性 耐磨性能 弹性及延伸率 连续印次数 破坏点延伸率 油量控制 纤维粗细 价格
不锈钢
极高 极好 不吸水 30-500 极佳 极佳 差(0.1%) 2万 40-60% 差 细 高
Stencil (又叫模板): PCB
SMA Introduce
Stencil的梯形开口 Stencil
激光切割模板和电铸成行模板
Stencil的刀锋形开口 PCB
再流焊常见缺陷的成因及解决办法
此 外 ,设计 焊盘 时 ,在 保证焊 点强 度的前提 下 .焊盘
尺 寸应 尽可 能小 ,这 是 因 为焊盘尺 寸减 小后 ,焊 膏的涂 覆 量 相 应 减 少 ,焊 膏 熔 化 时 的表 面 张 力也 随 之减 小 , “ 立
碑 ”现 象 就 会 大 幅 度 下 降 。
3桥 接 的产 生及 解 决办 法
桥 接经 常 出现在 细 间距 元器 件 引脚问或 间距较 小的 片 式 元件 间 ,桥 接的 产 生会 严重 影响 产 品的性能。通 常 产生 桥接 的主要 原 因有 以下 几种 。 ( 下转第8 页)
() 2 焊盘 尺 寸设计 不合理 。
若 片式元 件 的一对 焊盘 不对称 .会 引起 漏 印的焊 膏量
a n左 ri 右 。其 次 。再 流焊 接预热 阶 段 温度 上升 速 度 过快 。
使 焊膏 内部 的 水分 、溶剂 未 完全 挥 发 出来 ,到达 再 流 焊温
另一类是由手相关制造工艺不当而造成的润湿性差。
本 文将 对后 一 类作 重点 分析 。 () 1 模板 的开 孔 过 大或 变形 严 重 。过 大 的 开孔 或 变形
润湿 ,则液 态焊 料不会 收缩 并填 满焊缝 。
否 则 ,润湿 很差 .液 态焊料 会 因收缩 而使 焊缝 填 充不
充分 ,部 分 液态 焊料会 从焊 缝流 出 。在 接合 点外部 形 成焊
料球 。 1 2形 成 原 因及 解 决 措 施 .
ห้องสมุดไป่ตู้
而且挥 发 很少 .不 仅 不 能 去除焊 盘和 焊 料颗 粒表 面 的 氧化 膜 ,而且 不能 从焊 膏 粉 末 中上升 到 焊料 表面 。改善 液 态 焊
通孔回流焊接工艺
开发通孔回流焊接工艺在过去三到四年期间,美国Alcatel公司(Richardson, TX)已经在作消除对尽可能多的混合技术PCB的波峰焊接需要的工作。
减少波峰焊接的计划已经提供了成本与周期时间的重要改善。
通孔回流焊接工艺的实施已经是该计划的一个必要部分。
该工艺涉及在通孔(through-hole)元件要插位置印刷锡膏。
这些元件然后在表面回流焊接炉之前安装,并与其它元件一起焊接。
适合该工艺的元件类型包括针栅阵列(PGA, pin grid array)、DIP(dual in-line package)和各种连接器。
初始结果能力分析(capability studies)Alcatel公司的工艺质量标准对所有通孔元件一直要求至少75%的通孔填充。
图一、通孔回流焊炉温度曲线焊接工业标准J-STD-001 B1 (第三类应用)要求垂直填充至少75%,并明显有良好的熔湿。
计算显示,假设将孔的尺寸从波峰焊接和手工焊接正常使用的减少,0.007"的模板可提供足够的焊锡满足这些要求。
通过使用一种为新工艺重新设计的波峰焊接产品电路板,对回流焊接炉提供必要温度曲线的能力进行了研究。
该电路板是10"x15.2" ,厚度0.093",安装一个47-mm2的陶瓷PGA,以及一些典型的标准与密间距的表面贴装元件。
该炉子是标准的带有氮气的强制对流型的。
图一显示得到的温度曲线。
板上所有的点都在锡膏供应商对峰值温度和回流以上时间的规格内。
PGA引脚的温度实际上是两面相同的,尽管有元件的热质量(thermal mass)。
小型表面贴装电阻与PGA引脚之间的峰值温度之差只有9°C。
图二、塌落的锡膏沉积物初始实施当工艺在产品电路板实施时,遇到许多的问题。
由于焊锡对引脚的分布不均,有时要求焊接点的返工。
有些引脚特别少锡,而相邻的引脚又多锡。
其它的情况,大的锡“块”保留在引脚端上,因此由于孔内少锡而要求手工的补焊。
通孔焊接工艺面临的挑战与机遇喷流焊及其工艺
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力。该拉力可有效清除焊点上多余的焊料,全面解决连早及拉尖现象。 f.0.5~2 mm的喷流焊料波厚度,配合喷流焊料流速的惯性,在PCBA通过时熔融焊料
e.通过焊料自动添加装置,可有效保持焊料槽中熔融焊料的液面高度,预防因熔融焊 料的液面高度不够而影响喷流波的稳定性,保护发热装置。
使用喷流焊接工艺,可有效解决目前波峰焊和选择性波峰焊工艺中遇到的助焊剂涂覆 及预热不均匀、掉温、焊接的间歇性以及连焊、拉尖、空焊、透锡不好、焊接阴影效应等 通孔焊接的技术瓶颈,大幅提高通孔焊接工艺的自动化和通孔焊接品质,节约大量的电力 资源和锡资源,还可为电子制造企业降低制造成本。
喷流焊接工艺的诞生,必将通孔焊接工艺带来一场革命性的变化,为通孔焊接工艺注 入新的希望与生命。必将引起了广大电子产品开发、设计、生产制造业的极大关注,并成 为未来通孔焊接工艺的主流和电子制造业界的追捧,在电子焊接领域发挥着重要作用!
深圳市望琦鑫华科技有限公司着重从“人——减少人工作业,提高自动化;机——开 发喷流焊等设备。提高设备的技术水平:料——开发先进可靠的材料,如利用还原剂等提
件的耐温性、焊接可靠性、锡炉材料及烙铁材料的选用、焊料氧化对焊接品质的影响等带 来新的挑战。
无卤及水基助焊剂的普及:无卤助焊剂的活性差,水基助焊剂的不易挥发等特性对焊 接品质带来新的挑战。
电子产品便携式、多功能化、高可靠性带来的挑战: 高密度化组装使元件焊接脚间距越米越小,致使连焊(也称桥接)增多;混装工艺必 须采用治具,致使波峰焊接工艺中焊接阴影效应增多;可靠性要求更高。致使PCB板厚度 加厚,通孔焊锡爬锡高度增加。
通孔回流工艺
通孔回流工艺
通孔回流焊工艺是一种电子制造中的焊接技术,也被称为“重熔焊接”或“液态回流焊接”。
其原理是利用金属的熔融和凝固特性来实现零件之间的连接。
具体来说,通过将焊料加热到熔融状态,将零件放置在焊料中,待零件熔融后,将整个装置冷却,使零件凝固在焊料中,从而实现零件之间的连接。
通孔回流焊工艺具有以下优点:
- 焊接效果好:由于金属的熔融和凝固特性,通孔回流焊工艺可以获得较高的焊接强度和致密性。
- 适用于多种材料:通孔回流焊工艺可以适用于多种金属材料,如铜、镍、铬等。
- 操作简单:只需要将零件放置在焊料中,经过熔融和凝固过程即可实现连接。
- 成本低:通孔回流焊工艺的成本相对较低,因为它只需要少量的焊料和简单的设备。
通孔回流焊工艺广泛应用于电子制造领域,如印刷电路板、电子元件焊接等。
在实际操作过程中,需要选择合适的焊料和焊接温度,零件需要保持清洁和干燥,同时需要注意焊接时间和冷却时间,并对设备进行维护和保养。
浅谈通孔回流焊技术和通孔连接器质量管理李涛涛
浅谈通孔回流焊技术和通孔连接器质量管理李涛涛发布时间:2023-05-27T08:11:08.060Z 来源:《工程管理前沿》2023年6期作者:李涛涛[导读] 随着产品小型化和多功能化的市场驱动,能满足高密度,多引脚的通孔回流焊技术(THR Technology),也被称为"侵入式回流焊"PIHR(Pin-In-Hole Reflow)技术应用越来越多,印制板和通孔元器件最终在回流炉的焊接中完成连接。
本文针对通孔回流焊接工艺和通孔回流焊连接器经常出现的爬锡和起泡不良进行了研究。
苏州华旃航天电器有限公司 215129摘要:随着产品小型化和多功能化的市场驱动,能满足高密度,多引脚的通孔回流焊技术(THR Technology),也被称为"侵入式回流焊"PIHR(Pin-In-Hole Reflow)技术应用越来越多,印制板和通孔元器件最终在回流炉的焊接中完成连接。
本文针对通孔回流焊接工艺和通孔回流焊连接器经常出现的爬锡和起泡不良进行了研究。
关键词:通孔回流焊爬锡起泡1.通孔回流焊接介绍:在传统的电子组装工艺中,对于安装有过孔插装元件印制板组件的焊接一般采用波峰焊接技术。
但波峰焊接有许多不足之处:不适合高密度、细间距元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;印制板受到较大热冲击翘曲变形。
因此波峰焊接在许多方面不能适应电子组装技术的发展。
为了适应表面组装技术的发展,解决以上焊接难点的措施是采用通孔回流焊接技术(THR,Technology),又称为穿孔回流焊PIHR(Pin in Hole Re Reflow)。
该技术原理是在印制板完成贴片后,使用一种安装有许多针管的特殊模板,调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐,然后使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上,然后安装插装元件,最后插装元件与贴片元件一起通过回流焊完成焊接。
从中可以看出穿孔回流焊相对于传统工艺的优越性:首先是减少了工序,省去了波峰焊这道工序,在费用上自然可以节省不少,同时时也减少了所需的工作人员,在效率上也得到了提高;其次回流焊相对于波峰焊,产生桥接的可能性要小得多,这样就提高了一次通过率。
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与波峰焊相比的缺点
(1) 焊膏的价格成本相对波峰焊的锡条较高。 (2) 有些工艺需要专用模板、专用印刷设备和回流炉,价 格较贵。而且不适合多个不同的PCBA产品同时生产。 (3) 传统回流炉可能会损坏不耐高温的元件。在选择元件 时,特别注意塑胶元件,如电位器、铝电解电容等可能 由于高温而损坏。(如果采用专用回流炉,元件表面最 高温度可以控制在120~150℃。因此一般的电解电容, 连接器等都无问题)
通孔元件再流焊工艺
• 目前绝大多数PCB上通孔元件的比例只占元 件总数的10~5%以下,采用波峰焊、选择性 波峰焊、自动焊接机器人、手工焊以及压接 等方法的组装费用远远超过该比例,而且组 装质量也不如再流焊。因此通孔元件再流焊 技术日渐流行。
1. 通孔元件采用再流焊工艺的优点 (与波峰焊相比)
a 可靠性高,焊接质量好,不良比率DPPM可低于20 。 b 虚焊、桥接等焊接缺陷少,修板的工作量减少。 C 无锡渣的问题,PCB板面干净,外观明显比波峰焊好。 机器为全封闭式,干净,生产车间里无异味。 d 简化工序,节省流程时间,节省材料,设备管理及保养 简单,使操作和管理都简单化了。 e 降低成本,增加效益(厂房、设备、人员)。
可用于再流焊的连接器
插装孔焊料填充要求 >75%
(2):通过模局具将垫圈形焊料预制片预先套在引脚上 根据垫圈形焊料预制片的外径和内径加工一个与 连接器引脚(针)相匹配的模具→将预制片撒在模具上 振动,筛入模具的每个钻孔中→将连接器压入模具→收 回连接器时预制片就套在引脚上了。
4.2 通孔元件的焊膏施加量
• THC的焊膏量由通孔的体积决定。 • 除了有PCB上、下焊盘外,还有PCB厚度方向的通孔需要 填满焊料,而且在元件引脚(针)与PCB两面焊盘的交接 处还要形成半月形的焊点,因此需要的焊膏量约比 SMC/SMD的焊膏量多3~4倍。 焊膏量与PCB插孔直径 及焊盘大小成正比关系。 • 可使用增加模板厚度、开口形状和尺寸等措施,采用点 焊膏工艺时,也要掌握好适当多的焊膏量。
• 典型共晶SnPb回流峰值温度为2200C ,水蒸气压力约 17396毫米。无铅焊SnAgCu的熔点2170C,即便一块相 对小的记忆卡或手机板也需要230~2350C的峰值温度, 而大而复杂的产品可能需要250~2600C。此点水蒸气压 力为35188 毫米,是2200C时的两倍 ,因此任何焊接 前吸潮的器件在回流焊过程中都会造成损坏的威胁。 • 根据经验,如果SnPb器件定级为MSL3,无铅制程时将 至少减到MSL4。
4.3 必须采用短插工艺
• 元件的引脚不能过长,长引脚也会吸收焊膏量,针长 要与PCB厚度和应用类型相匹配,插装后在PCB焊接 面的针长控制在1~1.5mm。 • 控制元件插装高度,元件体、特别是连接器的外壳不 能和焊膏接触。 • 紧固件不要太大咬接力,因为贴装设备通常只支持 10~20牛顿的压接力。
2. 通孔元件采用再流焊工艺的适用范围
• a 大部分SMC/SMD,少量(10~5%以下)THC的产 品。 • b 要求THC能经受再流焊炉的热冲击,例如线圈、连 接器、屏蔽等。有铅焊接时要求元件体耐温240℃,无 铅要求260℃以上。 • c 电位器、铝电解电容、国产的连接器、塑封器件等不 适合再流焊工艺。(除非采用专用回流炉) • c 个别不能经受再流焊炉热冲击的元器件,可以采用后 附手工焊接的方法解决。
案例2 元件裂纹缺损分析
•
元件裂纹缺损分析
•设计 •锡量 •PCB翘曲 •贴片产生的应力 •热冲击 •弯折产生的机械应力 •印制板分割引力 •运输及装配过程所形成
电容器微裂会造成短路 全裂会造成断路
陶瓷电容器微裂会造成短路 全裂会造成断路 MLC结构 • 是由多层陶瓷电容器并联层叠起来组成的。
(b)严格的物料管理制度 • 建立潮湿敏感元件储存,使用,烘烤规则的B0M表。 • 领料时进行核对器件的潮湿敏感度等级。 • 对于有防潮要求的器件,检查是否受潮,对受潮器件进行 去潮处理。 • 开封后检查包装内附的湿度显示卡,当指示湿度>20% (在23℃±5℃时读取),说明器件已经受潮,在贴装前需 对器件进行去潮处理。去潮的方法可采用电热鼓风干燥 箱,根据潮湿敏感度等级在125±1℃下烘烤12~48h。
SMT工艺技术改进:
通孔元件再流焊工艺 及 部分问题解决方案实例
• 工艺改进不仅给企业带来生产效率和 质量,同时带来工艺技术水平的不断 提高和进步。
内容
1. 通孔元件再流焊工艺 2. 部分问题解决方案实例
一. 通孔元件再流焊工艺
• 把引脚插入填满焊膏的插装孔中,并用回流 法焊接。可以替代波峰焊、选择性波峰焊、 自动焊接机器人、手工焊。
4.5 通孔回流焊接技术
• 要保证焊点处的最佳热流。 • 当达到焊料的熔点温度时,通常在引脚底部(针尖) 处的焊料熔化并浸润引脚(针)时,由于毛细作用, 使液体焊料填满通孔。
再流焊温度曲线
•
温度曲线要根据PCB上元件的布局、THC和回流 炉的具体情况进行调整。炉子导轨上面的温度要尽 量调低,炉子导轨下面的温度应适当提高。找出既 能保证PCB下面焊点质量,又能保证PCB上面的分 立元器件不被损坏的最佳温度和速度。
方法2 点胶机滴涂
焊膏
方法3 模板印刷
方法4:印刷或滴涂后 + 焊料预制片
• 采用焊料预制片的优点: 预制片是100%合金冲压出来的 • THC的焊膏量比SMC/SMD的焊膏量多许多。 • 当THC引出端子较少时可使用增加模板厚度和开口尺寸 的措施,点焊膏工艺时增加焊膏量的方法。 • 当THC引出端子较多时,例如PGA矩阵连接器的端子 (针)很多,如果增加模板厚度会影响印刷质量,如果 增大开口尺寸受到引脚间距的限制会引起焊膏粘连,导 致大量的锡珠。 • 当焊膏量不能满足要求时,采用焊料预制片能实现在增 加焊膏量的同时避免焊膏粘连和锡珠的产生。
SMD潮湿敏感等级
• 敏感性 时间) • 1级 • 2级 • 2a级 • 3级 • 4级 • 5级 ≤30℃,<90%RH ≤30℃,<60%RH ≤30℃,<60%RH ≤30℃,<60%RH ≤30℃,<60%RH ≤30℃,<60%RH 无限期 1年 4周 168小时 72小时 48小时 芯片拆封后置放环境条件 拆封后必须使用的期限 (标签上最低耐受
通孔元件再流焊工艺的应用实例
• 彩电调谐器 • CD,DVD激光机芯伺服板以及DVD-ROM伺服板 • 笔记本电脑主板 ......等等
3 . 对设备的特殊要求
• 3.1 印刷设备 双面混装时,需要用特殊的立体式管状印刷机 或焊膏滴涂机。有时也可以采用普通印刷机。
3.2 再流焊设备
a 由于SMC/SMD焊接面在顶面,而THC的焊接面在底 面,要求各温区上、下独立控制温度, 底部温度需要调 高。设备的顶部可采用一些白色、光亮(反光)材料; 或采用白色、光亮(如锡箔、铝箔)材料加工专门的焊 接工装。 b 由于通孔元件焊锡量多,热容量大,要求炉温高一些。 c 专用再流焊设备. d 有时也可以采用原来的再流焊设备。
裂痕 PCB热应力会损坏元件
拼板设计元件排列不恰当,分割时产生 裂损 • B=D 最好 • 其次C • A最差
案例3
•
连接器断裂问题
连接器断裂问题
再流焊后 助焊剂将插 销粘在连接器的导槽内,使 插销拉出时,稍微用力过猛 就会将插销拉断。 解决方案: ①可在再流焊前,预先 将插销拉出; ②另一方法焊后用溶剂 溶解清洗助焊剂。
(c)另一解决措施。 选择具有优良活性焊剂的 SnAgCu焊膏,通过优化再流焊工艺,将峰值温度降 到最低( 230~2400C ),在接近Sn63/Pb37,在回 ), 流峰值仅高于Sn63/Pb37温度100C的情况下,将由 于吸潮器件失效的风险减到最少。 (d) 再流焊时缓慢升温(轻度受潮时有一定效果)。
4.6 焊点检测
• 通孔回流焊点要求与IPC-A-610波峰焊点的标准相同。 • 理想的填充率达到100%或至少75%以上。焊盘环的浸润 角接近360°或270°以上。
IPC-A-610D标准: Acceptable - Class 2 • Minimum 180° wetting present on lead and barrel, Figure 7-113. Acceptable - Class 3 • Minimum 270° wetting present on lead and barrel, Figure 7-114.
锡量
焊料量过大时,或两端焊接料量差异较大时,由 焊料冷却固化时收缩,产生横向拉应力,会引起纵向 裂纹的产生。
贴片压力过大产生裂痕或应力
吸嘴压力过大
吸嘴压痕
焊后产生裂纹
热冲击所造成的裂痕
元件、PCB、焊点之间热膨胀系数不匹配; 元件 PCB翘曲,或焊接过程中变形; 再流焊升温、降温速度过快; 陶瓷CTE :3~5 ppm/℃ PCBCTE :<20 ppm/℃ 焊点CTE:~18 ppm/℃
• 5a级 ≤30℃,<60%RH 24小时 • (1)设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度 • (2)工艺要对潮湿敏感元件做时间控制标签 • (3)对已受潮元件进行去潮处理
“爆米花”现象解决措施
(a)器件供应商正在努力争取2600C的MSL3目标,但达到 此目标需要时间,目前我们只能继续使用2200C MSL3的 器件。因此必须采取仔细储存、降级使用,将由于吸潮 器件失效的风险减• 4.1 施加焊膏有四种方法 • 管状印刷机印刷 • 点胶机滴涂 • 模板印刷 • 印刷或滴涂后 + 焊料预制片
各种施加焊膏方法的应用
• a 单面混装时可采用模板印刷、管状印刷机印刷或 点焊膏机滴涂。 • b 双面混装时,因为在THC元件面已经有焊接好的 SMC/SMD,因此不能用平面模板印刷焊膏,需要 用特殊的立体式管状印刷机或点焊膏机施加焊膏。 • c 当焊膏量不能满足要求时可采用印刷或滴涂后 + 焊料预制片。