通孔再流焊接技术

通孔再流焊接技术(一)

作者：wxy来源：网络采集发表时间：2007-09-11 浏览次数：字号：大中小

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。

通孔插装元件主体须离开线路板表面至少0.5mm，防止元件插装前后焊膏发生移动。元件引脚不要太长，通常长出板面1.0～

1.5 mm就可以。此外，紧固件不可有太大的咬接力，因为表面贴装设备通常只支持10～20 N的压接力。

通孔再流焊生产工艺流程与SMT流程极其相似，即印刷焊膏于PCB通孔焊盘，放置插装件，再流焊接。图1为一单面通孔再流焊工艺过程示意图。无论对于单面混装板还是双面混装板，流程都相同。

3 通孔再流焊焊盘设计

通孔再流焊相邻的通孔间距要求至少2.54 mm或以上，目的防止相互之间产生连锡从而导致相邻的孔内少锡。焊盘孔径设计要求见图2，其中d为方形插针对角直径，di为焊孔直径，da为焊孔外径。焊孔直径设计要适当，当di<1mm时，焊膏印刷量易出现不足，而且如果元件是在板上过炉的话，空洞与少锡的现象会更严重，如果元件是在板下过炉的话，可以加大通孔PAD直径或边长来补充锡量，这样一般不太会有空洞和少锡现象；当di>2 mm时，焊膏容易从通孔漏掉造成空洞、少锡现象。焊孔直径di一般比插针直径d大0.2～0.3 mm，如果连接器端子较少，焊孔直径可以稍小一些。为增加焊膏量，焊孔外径一般比焊孔直径大30％～50％来补充，或焊盘设计为爪形，伸出的部分尽量长。

4 焊膏涂覆工艺

通孔再流焊技术的关键问题是由于焊点结构不同，导致通孔焊点所需焊膏量要比表面贴装焊点所需焊膏量大，采用模板印刷的方法不能同时满足通孔元件及表面贴装元件所需焊膏量。要获得良好的焊接效果，就要确保通孔再流焊基板各通孔焊盘上焊膏量恰到好处，否则会出现填锡不足等缺陷，如图3所示，导致在机械载荷作用下焊点强度会降低。

模板厚度一定尺寸一定时，为了满足足够的焊膏量，一般可以通过改变印刷参数来控制或采用分级模板印刷技术。模板如果太厚可以印刷两次，第一次专印通孔部分，第二次全部印刷一次。焊膏印刷量与通孔的下表面保持水平即可，如果太多，当元件插入孔中时，一部分焊膏被挤出。在未焊接前，这一部分锡可能会掉下来而带走孔中的一部分锡。

传统模板设计和焊膏印刷技术的有机结合，可以改善通孔再流焊印刷工艺，比如改进印刷图案，扩大印刷面积，如图4所示。焊点所需合金体积必须根据引线形状、通孔直径、和基板厚度来确定要填充的钎料量，然后按所要求的填充百分比计算所需要的焊膏数量。估计焊膏中的金属含量大约为体积的50％，计算公式如下：

Vs=(Vh-Vl)×2 (1)

其中：Vs为填充通孔所需焊膏的体积，Vh为通孔的体积，Vl为引脚插入通孔部分的体积。

所需印刷面积印刷合计体积乘以调整系数F，其一般为0.6～1.O。但是这种方法容易受网板开孔"纵横比"的影响，还是不能大

大满足要求。

上面计算的只是填满通孔所需要的焊膏体积，而通常我们追求的焊点形态不仅是填满通孔，钎料在引脚上还应有一定的爬升，在焊盘上形成一定的润湿圆角。参照图5，焊盘上圆角焊膏体积计算公式为：

Vf=A×2πX=0.125r2×2(0.2234×r+a)(2)

其中：A为圆角截面积，X为圆角带重力中心，r为圆角半径，a为引脚半径。那么Vs与Vf的和才是一个理想焊点成型所需要

的焊膏体积。

传统技术不能保证施放所需的焊膏量形成合适的焊点，焊料预成型与焊膏相结合解决了满足通孔元件的焊点要求。焊料预成型是把轧制的焊料带冲压成期望的尺寸，进而按要求制成不同的形状和大小。组装时在插装部位印刷焊膏，将预制件贴装在焊膏中，然后插装通孔元件进行再流焊。这种方法很好地解决了焊膏施放量，但是难以进行高密度组装。新型的焊膏涂覆技术很好地解决了上述2方面的问题，一是采用如图6所示的分级模板技术，二是采用如图7右图的封闭压力系统。分级模板技术可采用0.15～0.25 mm厚的分级模板进行印刷，常选择类型3粉末，网板材料一般为不锈钢和镍，近年来多种塑料材料也渐渐被人所接收。使用聚合物箔片制造标准的SMT网板，可以制成厚度大于8mm的网板，实现单一厚度的网板在单次印刷行程中印刷涂覆量不同的焊膏。封闭压力系统可明显提高材料的传送能力，达100％的填充率，在印刷小孔径比开口、要求印刷大量焊膏和在通孔中施加焊膏等应用时，它具有许多优点。喷嘴中焊膏流速与钎料直径有一定关系：松香基焊膏，钎料直径与流速关系很

大；高分子材料基焊膏，钎料直径与流速关系很小。

印刷钎料量由模板开孔形状、尺寸和厚度来控制，刮刀的速度、压力和分离速度也是决定焊膏印刷量的重要指标。图7为刮刀系统与封闭压力系统印刷工艺对比，刮刀系统可以通过减小刮刀角度来增加焊膏施放量，封闭压力系统可以增加垂直压力来增加焊膏施放量，根据IPC-A-610C要求出孔焊膏量为l～1.5 mm，如图8所示。