THR通孔回流焊技術(shù)要求

近年來,表面貼裝技術(shù)（SMT）迅速發(fā)展起來,在電子行業(yè)具有舉足輕重的位置。除了全自動(dòng)化生產(chǎn)規(guī)模效應(yīng)外,SMT還有以下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：元件可在PCB的兩面進(jìn)行貼裝,以實(shí)現(xiàn)高密度組裝；即使是最小尺寸的元件也能實(shí)現(xiàn)精密貼裝,因此可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的PCB組件。

    然而,在一些情況下,這些優(yōu)勢(shì)隨著在PCB上元件貼著力的減少而削弱。讓我們觀察圖1的例子。SMT元件的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)緊湊,并易于貼裝,與通孔的連接器在尺寸和組裝形式上有明顯的區(qū)別。

圖1PCB上組裝有SMT元件（左）和一個(gè)大理通孔安裝的連接器（右）

    用于工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)接線的連接器通常是大功率元件?？蓾M足傳輸高電壓、大電流的需要。因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到足夠的電氣間隙與爬電距離,這些因素最終影響到元件的尺寸。

    此外,操作便利性、連接器的機(jī)械強(qiáng)度也是很重要的因素。連接器通常是PCB主板與“外界部件”通信的“接口”,故有時(shí)可能會(huì)遇到相當(dāng)大的外力。通孔技術(shù)組裝的元件在可靠性方面要比相應(yīng)的SMT元件高很多。無論是強(qiáng)烈的拉拽、擠壓或熱沖擊,它都能承受,而不易脫離PCB。

    從成本考慮,大部分PCB上SMT元件約占80%,生產(chǎn)成本僅占60%;通孔元件約占20%,生產(chǎn)成本卻占40%,如圖2所示?？梢?通孔元件生產(chǎn)成本相對(duì)較高。而對(duì)許多制造公司來說,今后面臨的挑戰(zhàn)之一便是開發(fā)采用純SMT工藝的印刷線路板。

圖2帶有通孔無件和SMT元件的PCB

  根據(jù)生產(chǎn)成本以及對(duì)PCB的影響,SMT+波峰焊和SMT+壓接技術(shù)（press in）等現(xiàn)有的工藝還不完全令人滿意,因?yàn)樵诂F(xiàn)有的SMT工序需要進(jìn)行二次加工,不能一次性完成組裝。

  這就對(duì)采用通孔技術(shù)的元件提出了下列要求：通孔元件與貼片元件應(yīng)該使用同樣的時(shí)間、設(shè)備和方法來完成組裝。

THR如何與SMT進(jìn)行整合

  根據(jù)上述要求發(fā)展起來的技術(shù),稱之為通孔回流焊技術(shù)（Through-hole Reflow,THR）,又叫“引腳浸錫膏（pin inpaste,PIP）”工序,如圖3所示。

圖3通孔回流焊技術(shù)的工序

“引腳浸錫膏”法將典型的SMT生產(chǎn)工藝應(yīng)用在帶電鍍通孔的PCB上,并取得了令人滿意的效果。但在采用這種方法時(shí),需要根據(jù)實(shí)際使用的元件和加工過程中的具體情況調(diào)整有關(guān)參數(shù)。

圖4可采用THR工藝的連接器元件應(yīng)滿足的特性

完成THR工藝的步驟

1.確認(rèn)通孔的連接器是否可采用THR工藝

“真正的”THR連接器元件應(yīng)滿足圖4中的特性。

2.PCB的設(shè)計(jì)需適應(yīng)新的工藝條件

1）孔徑
  孔徑選擇的原則有兩個(gè)：一方面應(yīng)保證焊錫容易回流到焊孔內(nèi)（毛細(xì)管原理）,另一方面還應(yīng)保證組裝的可靠性（元件公差）,如圖5所示。

圖5孔徑的選擇

2）焊盤環(huán)的設(shè)計(jì)
  推薦的焊盤環(huán)寬為0.5mm,如圖6所示,它有利于對(duì)形成的焊點(diǎn)彎月面進(jìn)行評(píng)估。如果采用較大的間距與爬電距離,按照上述過程,焊盤環(huán)寬度只要0.2mm就可以了。

3.高質(zhì)量焊點(diǎn)的外觀

THR是獨(dú)立的焊接工藝,焊點(diǎn)質(zhì)量可以按照IPC-A-610C標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。將波峰焊形成的焊點(diǎn)與THR焊點(diǎn)相比較,按照傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),THR焊點(diǎn)看上去呈“錫量不足狀”,并僅有較小的彎月面。這一現(xiàn)象是THR焊接工藝的特征,通常應(yīng)與質(zhì)保部共同來判定是否滿足焊接要求。

圖6焊盤環(huán)的設(shè)計(jì)

4.采用適合THR工藝的模板設(shè)計(jì)和施加在焊膏上的壓力

標(biāo)準(zhǔn)模板厚度為150～120μm,通常不需要施加過大的涂布?jí)毫ΑＭ扑]的模板開口尺寸如下。
  ds=di+2R-0.1（di為孔徑,R為焊盤環(huán)寬）

  此公式保證焊盤環(huán)與模板之間的適當(dāng)接觸,焊膏上的壓力是足夠的,不必增加模板的清潔次數(shù)。
  焊膏的特性要求有以下幾點(diǎn)：涂布過程中應(yīng)具有良好的流動(dòng)性,良好的濕潤(rùn)性,在孔內(nèi)及安裝插針時(shí)應(yīng)有良好的黏接力。

圖7THR錫膏涂布?jí)毫哂械奶攸c(diǎn)

  大多數(shù)焊膏制造商提供的產(chǎn)品均可滿足該工藝,基本法則仍是：SMT元件決定了工藝窗口——THR工藝也必須與之相適應(yīng)。

5.在PCB焊盤上足量的焊膏涂布

  理想的THR錫膏涂布?jí)毫哂袌D7所示的特點(diǎn),每個(gè)焊盤上涂布的錫膏量必須是相應(yīng)焊孔容量的２倍。
  所需焊膏量必須在PCB的下面呈現(xiàn)“水滴”狀。填入的焊膏量可通過調(diào)整印刷速度和刮刀角度來獲得。例如,改變刮刀角度,更大的壓力可施加于焊膏上,如圖8所示（假定速度不變）。

圖8改變刮刀角度

　　另一種方法是封閉式涂布法。密封式焊膏涂布系統(tǒng)可直接對(duì)焊膏施壓。通過調(diào)節(jié)施于它上面的壓力獲得所需的焊膏涂入量,如圖9所示。

圖9封閉式涂布法

在生產(chǎn)實(shí)踐中這兩種方法均可取得不錯(cuò)的效果?？墒?由于生產(chǎn)條件各不相同,偶爾會(huì)發(fā)生焊膏涂入量不足的現(xiàn)象。在這種情況下可選用以下改進(jìn)措施：采用的模板厚度為最大允許值,重復(fù)涂布焊膏,局部增加焊膏用量,雙面涂布錫膏（雙面再流焊）,增大涂布?jí)毫?采用較小公差（工藝標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了公差范圍）。

6.選擇最優(yōu)化包裝形式

“編帶包裝”廣泛應(yīng)用于SMT加工中,THR工藝的連接器也采用這種標(biāo)準(zhǔn)的包裝形式,編帶寬度一般在32mm和88mm之間。
  THR產(chǎn)品適用于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)供料器。但是,對(duì)一些元件,特別是立式元件,有必要檢查供料器所提供的半徑,即在其進(jìn)料和出料處查看是否合適。
  許多機(jī)器也具有處理華夫盤或管式包裝元件的功能,這些包裝能夠滿足各種需求,包括專用的或“尚未定型”的元件。

7.對(duì)貼片機(jī)的要求

如圖10所示,通常THR連接器尺寸較大,因此要求貼片機(jī)有足夠的安裝高度,即貼片頭吸放高度應(yīng)超過元器件安裝高度,所需高度通常為25～40mm。在貼片過程中,它們必須由攝像系統(tǒng)完全監(jiān)控。引腳端與黑色絕緣體有明顯對(duì)比度,因此元件能夠?qū)崟r(shí)地被測(cè)量并能準(zhǔn)確定位。

圖10貼片機(jī)貼裝頭的吸放高度必須大于元件高度

   貼片過程中還有一個(gè)參數(shù)也很重要,即元件的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)（如高針位的元件）。早期的自動(dòng)貼片機(jī),攝像系統(tǒng)長(zhǎng)度方向的限制意味著不能實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)連接器的安裝?，F(xiàn)在已開發(fā)出并排組裝的“二合一”的連接器插座,如圖11所示,它們可以并排組裝,合在一起即可達(dá)到所需要的引腳數(shù),實(shí)現(xiàn)了高針位連接器的自動(dòng)裝配。

圖11 并排組裝的“二合一”連接器插座

8.檢查焊爐是否適合THR工藝

  如圖12所示,THR連接器可以在熱風(fēng)對(duì)流爐、氣相焊回流爐和遠(yuǎn)紅外回流爐中加工,應(yīng)根據(jù)具體情況評(píng)估爐子的適用性。通常,在遠(yuǎn)紅外回流爐中焊接THR連接器是有問題的,其原因在于它們的尺寸。如果尺寸較大,器件會(huì)遮蔽了焊接點(diǎn),而本身卻容易遭受強(qiáng)烈的熱輻射。實(shí)際過程中,應(yīng)根據(jù)不同問題采取相應(yīng)的對(duì)策。

圖12THR連接器在焊爐中加工

  采用氣相爐焊接時(shí),引腳應(yīng)盡可能短,通常推薦1.5mm的引腳。如果引腳過長(zhǎng),焊膏可能會(huì)在氣相爐內(nèi)脫落,因?yàn)楹附咏橘|(zhì)會(huì)在它上面冷凝析出。

9.選擇合適的溫度分布曲線

  再次強(qiáng)調(diào),應(yīng)根據(jù)SMT元件來選擇溫度曲線,正是它們決定相應(yīng)的溫度范圍。THR連接器必須在此曲線范圍內(nèi)完成焊接,DINEN61760-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度分布曲線可用來作為溫度調(diào)節(jié)的依據(jù),如圖13所示。
  用于焊接THR連接器的溫度曲線通常設(shè)置成最低與最高溫度的中間值。因此它對(duì)熱敏感元件沒有危害,在焊接過程中不需要延長(zhǎng)時(shí)間。

圖13DINEN61760-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度分布曲線

10.依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IPC-A-610C檢查焊接狀況

  對(duì)THR連接器可以根據(jù)IPC-A-610C標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。只要引腳在PCB上有突出部分,即可對(duì)焊接面的焊點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。

如何通過THR工藝降低生產(chǎn)成本

  影響THR技術(shù)使用的一個(gè)關(guān)鍵問題是找出生產(chǎn)成本（低）和元件成本（高）這兩者之間的平衡點(diǎn)。THR連接器比標(biāo)準(zhǔn)元件貴的原因是由于材料成本與包裝成本均較高。

  潛在的成本降低幅度取決于生產(chǎn)過程。其影響因素如下：生產(chǎn)自動(dòng)化程度、訂單量、其他通孔元件能否替代、需要設(shè)計(jì)新產(chǎn)品或重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有產(chǎn)品。

并不是所有的廠家都推薦去使用THR工藝的連接器?？墒侨绻?dāng)您的PCB除了連接器以外的元件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了SMT的工藝,那么采用THR技術(shù)的產(chǎn)品無疑是您最好的選擇了。