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穿孔回流焊接工艺技术  

2013-05-25 14:07:36|  分类: SMT技术文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:

本文确定了在实施穿孔回流焊(PIHR)工艺之前或过程中需要考虑的包括材料、工艺、设计和可靠性等方面的关键问题,对穿孔回流焊的基本技术要求作了说明。

关键词

SMT 穿孔 回流焊 PIHR

引言
由于电子产品越来越重视小型化、多功能,使电路板上元件密度越来越高,许多单面和双面板都以表面贴装元元件 (SMC/SMD) 为主。但是,由于固有强度、可靠性和适用性等因素,某些穿孔元件仍然无法片式化,特别是周边连接器。在以表面贴装型元件为主的电路板上使用穿孔元件的传统工艺如图1,其缺点是单个焊点费用很高,因为其中牵涉到额外的处理步骤,包括波峰焊和手工焊,而且波峰焊接有许多不足之处:不适合高密度元件焊接;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。

穿孔回流焊接(pin-in-hole reflow,简称PIHR)的工艺技术如图2,可实现在单一步骤中同时对穿孔元件和表面贴装元件(SMC/SMD)进行回流焊。相对传统工艺,在经济性、先进性上都有很大的优势。所以,PIHR工艺是电子组装中的一项革新,必然会得到广泛的应用。

PIHR工艺与传统工艺相比具有以下优势:
1、首先是减少了工序,省去了波峰焊这道工序,多种操作被简化成一种综合的工艺过程;
2、需要的设备、材料和人员较少;
3、可降低生产成本和缩短生产周期;
4、可降低因波峰焊而造成的高缺陷率,达到回流焊的高直通率。;
5、可省去了一个或一个以上的热处理步骤,从而改善PCB可焊性和电子元件的可靠性,等等。

尽管用穿孔回焊可得到良好的工艺效果,但还是存在一些工艺问题。
1、在穿孔回焊过程中焊锡膏的用量比较大,由于助焊剂挥发物质的沉积会增加对机器的污染,因而回流炉具有有效的助焊剂管理系统是很重要的;
2、此外,许多穿孔元件尤其是连接器无法承受回流焊温度;
3、由于要同时兼顾到穿孔元件和贴片元件,使工艺难度增加。

本文重点是确定对 PIHR 工艺质量有明显影响的各种因素,然后将这些因素划分为材料、设计或与工艺相关的因素,揭示在实施高良率 PIHR 工艺之前必须清楚了解的关键问题。

1. 穿孔回流焊焊点形态要求
2. 获得理想焊点的焊锡膏体积计算 
3. 焊锡膏沉积方法
4. 设计和材料问题
5. 贴装问题
6. 回流温度曲线开发

下面将逐项予以详细描述。

一、穿孔回流焊焊点形态要求:
首先,应该确定PIHR焊点的质量标准,建议参照业界普遍认同的焊点质量标准IPC-A-610D,根据分类 (1、2或3类)定出目视检查的最低可接受条件。企业可在此标准基础上,进行修改以适应其工艺水平。
PIHR理想焊点模型是一个完全填充的电镀穿孔 (Plated Through Hole,PTH),在PCB的顶面和底面带有焊接圆角(如图3)。

IPC-A-610D对穿孔焊接点的可接受标准是底部焊接圆角的存在和焊料充满至少75%板厚的穿孔。PIHR工艺开发的主要技术挑战是,如何在具有高密度引脚元件的穿孔里面和周围印刷足够的锡膏,使得在底面形成可接受的焊接点,以满足IPC-A-610D的要求。在PIHR工艺中,在顶面形成焊接圆脚不是问题,因为锡膏是从顶部印刷的。

二、理想焊点的焊锡膏体积计算:
PIHR工艺成功的关键是精确计算印刷所需要的锡膏量,焊锡膏体积计算首先应使用理想的固态金属焊点,所谓理想的焊点如图3所示。由于冶金方法、引脚条件、回流特点等因素的变化,无法准确地预测焊接圆角的形状,使用圆弧描述焊脚是适当和简单的近似方法,再将焊脚区域旋转以确定固态焊点的体积。

固态焊料体积=顶面和底面的焊点体积+(电镀穿孔的体积-穿孔中元件引脚的体积)
当计算出焊点的固态焊料体积后,再计算所需焊锡膏的体积,这是合金类型、流量密度、以及焊锡膏中金属重量百分比的函数。一般认为印刷用焊锡膏内的焊料只占大约50%的体积,另外50%的体积是助焊剂、增稠剂、流变增强剂等,它们在焊接温度下会挥发消失在空气中。所以,理想焊点的焊锡膏体积=固态焊料体积×2
如果采用点锡膏工艺,焊料的体积比更低,焊锡膏的体积还需增加,大约是:
理想焊点的焊锡膏体积=固态焊料体积×2.5

三、焊料沉积方法:
对于 PIHR 工艺,焊料沉积方法包括钢网印刷、自动点焊锡膏,以及预置焊料片。

A、钢网印刷
钢网印刷是将焊锡膏沉积于 PCB 的首选方法。成功实施钢网印刷焊料沉积方法,须关注以下问题:
1、钢网厚度是关键的参数,因为焊料体积与钢网开孔面积和厚度是函数关系。
2、使用钢质刮刀以避免印刷时相对较大的钢网开孔的焊锡膏被挖取的情况。
3、优先考虑定制设计的板支撑顶模,以适应100% 以上的孔充填。
4、为了达到所希望的焊锡圆角体积,可考虑将焊锡膏同时印刷在板的顶面和底面。
5、DEK最近的研究是使用内置式刮板通过直接压力将锡膏印刷在板上的印刷机。在这个方法中,没有使用传统的刮板,这个锡膏印刷方法可以保证在穿孔中充满锡膏。

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