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。最后，旧的电路板经常通孔太大，用0.007"厚度的模板不能充满75%的焊锡。没有考虑用更厚的模板，因为使用了0.020"间距的表面贴装元件。

对表面贴装装配过程的观察发现，为通孔元件印刷的锡膏有时会在元件贴装所要求的时间内塌落(slump)，使得锡膏沉积跑到一起，或相互“汇合”(图二)。这些电路板的模板具有0.090"或0.092"方形开孔，用来提供尽可能最大的锡膏量。

十针插座十针插座，两头弯曲

这些开孔只允许0.008"~0.010"的锡膏沉积之间的间隔，因为元件引脚之间的间距为0.100"。

回流焊接后对板的检查证实，放在汇合的锡膏沉积中的连接器几乎总会出现焊锡“抢夺”的效果，造成引脚之间焊锡分布不均匀。如果保持了锡膏沉积之间的分离，引脚的焊锡分配就会一致。

这些观察提出了许多问题。特别是，锡膏沉积(模板网格)之间的分离怎样达到最佳以避免汇合，同时又提供最大的锡量以形成焊接点,我们还不了解阻焊(solder mask)开口的几何形状对引脚之间焊锡分布的影响，如果有的话；需要更好的了解来促进回流期间焊锡从引脚端回到通孔内的运动。最后，在基本问题上还需要数据，多少焊锡、或多少百分比的孔内填充需要用力提供可靠的机械与电气的连接？

试验程序

设计

使用专门的试验板，建立一个试验程序；有些试验也在产品板上进行。使用10个引脚的直线插座(in-line socket)，通常用于混合包装，作为将要焊接的元件；设计出试验板。引脚直径是0.019"，间距0.100"，锡/铅表面涂层。订购的插座引脚长度为0.120"和0.180"。0.120"引脚的基体金属为紫铜(copper)，而0.180"引脚为黄铜(brass)。0.120"引脚长度用于所有不涉及拉力试验的应用，假设名义引脚的背部突出对0.062"厚度的板和0.093"的板分别0.058"和0.027"。

在用于拉力试验的插座上，插座每一端的一个引脚向外弯曲，提供拉力试验夹具所要求的离板高度(standoff)。0.120"长的引脚用于在0.062"厚板上的拉力试验，留下大约

0.010"~0.020"的引脚突出。0.180"的引脚主要用于0.093"厚板上的拉力试验，靠外引脚弯曲以提供0.030"~0.040"的突出。焊接之后，每个插座的引脚被分出来用于拉力试验使用手磨工具将塑料壳从引脚去掉。

表一列出板与锡膏模板设计的详细数据。包括了各种尺寸的方形阻焊层开口和标准的圆形开口，来评估阻焊层开口对“抢夺(robbing)”的效果。锡膏模板的厚度为7-mil。对方形阻焊开口的模板开孔比阻焊开口大0.008"，以得到印刷期间良好的“密封(gasketing)”。对标准圆形开口的焊盘开孔覆盖了0.040"~0.090"的范围，对应于0.062"厚板的36%~185%和0.093"板的24%~123%的计算通孔填充量。

图三、0.093PCB，0.040方形锡膏的回流焊点(均匀分布)

图四、0.093PCB，0.040方形锡膏的回流焊点(不均匀分布)

试验步骤

试验板的装配

试验板用标准的Bellcore检定的免洗锡膏印刷。所有锡膏沉积物在印刷之后马上在四倍放大镜下进行视觉检查。将用于拉力试验的插座放在各种提供所希望的通孔填充量的位置。其它插座用来评估由于锡膏汇合所引起的“抢夺”效果。通过在插座安装后马上故意的使插座引脚污染锡膏，来模拟这个效果。使用带氮气的强制对流炉来进行回流焊接，使用锡膏供应商所推荐的回流曲线。

视觉评估

完成的板使用7~35倍的立体显微镜来检查。印刷于阻焊层上的锡膏全部流到通孔孔内，因此没有形成锡球。抢夺效果的严重程度与回流前锡膏的汇合程度有关。阻焊层开口的尺寸与形状似乎很少或者没有影响。0.085"或更小的锡膏沉积通常不容易产生抢夺作用，因为很难出现引脚尖的锡膏污染。

孔内焊锡分布是通过有代表性的电路板截面来评估的。除了一些放在0.093"厚度的板中的引脚有24%的焊锡填充量之外，所有回流焊接的引脚(图三)都显示引脚整个周围的焊锡熔湿(wetting)。对一些极其少锡的焊接点，几乎所有的焊锡保持在引脚与通孔的接触点上(图四)，并且没有形成引脚周围一整圈。

拉力试验