基于波峰焊料填充提升的可制造性設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

何日吉 周 舟

（中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

0 引言

波峰焊技術(shù)是最為常見(jiàn)的電子組裝工藝，在插裝電路產(chǎn)品及插貼混裝電路產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%以上的印制電路板都是混裝，而平均一塊混裝電路板中，插件元器件所占比例約20%[1]。該技術(shù)在20世紀(jì)中期出現(xiàn)于英國(guó)，并隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸替代當(dāng)時(shí)的人工焊接，使得組裝技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝?、?jīng)濟(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)，是電子行業(yè)發(fā)展中的一次重大的革命[2]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于設(shè)計(jì)、材料以及工藝水平等因素的影響，波峰焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各類缺陷，比如填充不足、橋連、虛焊等。其中填充不足是波峰焊的典型缺陷之一。填充不足一方面會(huì)嚴(yán)重降低焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面會(huì)影響器件導(dǎo)電性能，從而影響焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性。在高可靠性、高性能、工作條件苛刻使用的產(chǎn)品中，如軍用、航天、醫(yī)療救生等，填充不足引發(fā)的故障問(wèn)題更加突出。在IPC-A-610標(biāo)準(zhǔn)中就明確要求3級(jí)產(chǎn)品（高性能電子產(chǎn)品）的填充高度不小于75%。然而，隨著電裝產(chǎn)品電路板的加厚、插件孔連接銅層數(shù)的增加以及無(wú)鉛工藝的推廣，填充不足已逐漸成了波峰焊接工藝亟待解決的難題。

因此，通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的方式來(lái)提升波峰焊接填充高度極其必要。影響填充高度的因素眾多，如板厚、孔壁與引腳溫度、元件耐溫及孔壁與大銅皮（如地、電層）的連接等[3]，見(jiàn)圖1所示。而針對(duì)填充不足，改進(jìn)措施主要有兩個(gè)方面：設(shè)計(jì)方面及工藝方面。本文主要從設(shè)計(jì)方面入手，分析了過(guò)大孔徑設(shè)計(jì)、瓶塞效應(yīng)設(shè)計(jì)和銅箔實(shí)連接（大銅面）設(shè)計(jì)三種典型可制造性設(shè)計(jì)引起填充不足的原因，并探討了基于焊料填充提升的設(shè)計(jì)優(yōu)化方向。

圖1 填充印象因素[3]

1 波峰焊插件孔填充機(jī)理

波峰焊是指將融化的軟釬焊料，經(jīng)電動(dòng)泵或者電磁泵噴流成特定形狀的焊料波峰形狀，使預(yù)先裝有元器件的印制板按照一定傾斜角度通過(guò)焊料波峰，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與印制電路板之間的機(jī)械與電氣連接的焊接技術(shù)。

波峰焊通孔填充過(guò)程是指插裝了元器件的電路板，在助焊劑去除氧化膜后，與焊料接觸，在焊料對(duì)基體金屬的潤(rùn)濕作用及毛細(xì)作用下，焊料不斷沿著金屬化孔爬升，從而實(shí)現(xiàn)通孔填充的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，焊料在金屬化孔內(nèi)主要受到三種作用力：彎曲液面表面張力形成的附加壓力PA（毛細(xì)作用力）、電路板浸入焊料形成的壓力PY和焊料自身的重力PG，見(jiàn)圖2所示，其中由彎曲液面表面張力形成的附加壓力PA是焊料爬升的主導(dǎo)力[4]。

圖2 波峰焊中焊料的填充過(guò)程[4]

2 典型可制造性設(shè)計(jì)不良

2.1 插件孔孔徑設(shè)計(jì)過(guò)大

插件孔直徑與插裝器件引腳直徑的匹配程度直接決定了填充間隙的大小。而填充間隙的大小是影響焊料填充高度的決定因素之一。通孔直徑與插裝器件引腳直徑的填充間隙越大，則液態(tài)焊料的毛細(xì)作用越弱，通孔內(nèi)的焊料填充效果就越差，見(jiàn)圖3所示。

圖3 間隙過(guò)大導(dǎo)致的填充不足圖

2.2 瓶塞效應(yīng)設(shè)計(jì)

插裝波峰焊需要將插裝器件插入電路板的導(dǎo)通孔內(nèi)才能進(jìn)行有效焊接，但插裝器件底部若無(wú)凸臺(tái)設(shè)計(jì)，則器件底部或者引腳會(huì)緊貼電路板表面，在波峰焊接過(guò)程中，插件孔內(nèi)由助焊劑揮發(fā)氣化后產(chǎn)生的高壓氣體無(wú)法從插件孔上方排出，導(dǎo)致焊料在爬升過(guò)程中，除了焊料本身的重力作用外，還受到高壓氣體向下的擠壓，從而導(dǎo)致焊料填充不足，見(jiàn)圖4所示，更甚者，高壓氣體反向從插件孔底部噴出，造成已填充的焊料被排出而形成凹洞。這種現(xiàn)象稱為“瓶塞效應(yīng)”，在尺寸大、質(zhì)量重類型器件中尤為突出。

圖4 瓶塞效應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的填充不足圖

2.3 實(shí)連接設(shè)計(jì)

隨著電子產(chǎn)品功能的多樣化、復(fù)雜化以及高度集成化，印制板銅箔層在不斷增加的同時(shí)，插件孔實(shí)連接（大銅面）的層數(shù)也隨之增多。然而，插件孔實(shí)連接銅箔層數(shù)過(guò)多，銅箔面積過(guò)大（大于25 mm×25 mm），銅箔層成為插件孔的散熱通道，從而使液態(tài)焊料在沿著插件孔爬升過(guò)程中產(chǎn)生更大的熱量損耗，增加了液態(tài)焊料的黏度，降低了焊料的爬升速度，加快了液態(tài)焊料的凝固過(guò)程，最終導(dǎo)致了插件孔的填充不足。實(shí)連接設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5所示。

圖5 實(shí)連接設(shè)計(jì)及填充不足圖

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化方向

3.1 與插件引腳匹配的孔徑設(shè)計(jì)

過(guò)大的填充間隙會(huì)降低液態(tài)焊料的毛細(xì)作用，從而影響焊料的填充高度。但是填充間隙過(guò)小，霧化的助焊劑難以直接到達(dá)間隙內(nèi)，從而使間隙內(nèi)焊接界面的氧化物無(wú)法被助焊劑清除，降低了焊接界面的潤(rùn)濕性。因此，一個(gè)合適的填充間隙是影響填充高度的重要因素。

據(jù)有關(guān)研究報(bào)告報(bào)道[4]，填充間隙在＜0.15 mm或者＞0.5 mm時(shí)，插件孔出現(xiàn)的填充不良缺陷的概率增大。而在QJ 3103A-《印制電路板設(shè)計(jì)要求》標(biāo)準(zhǔn)中填充間隙則建議在0.3 mm～0.4 mm之間。因此，在基于插件引腳直徑尺寸的前提，插件孔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使填充間隙在0.3 mm～0.4 mm之間，保證液態(tài)焊料有良好的毛細(xì)作用，可有效改善焊料的填充高度，見(jiàn)圖6所示。

圖6 填充間隙設(shè)計(jì)圖

3.2 stand-off設(shè)計(jì)

針對(duì)導(dǎo)致瓶塞效應(yīng)的器件本體設(shè)計(jì)，特別是尺寸大、質(zhì)量重類型的器件，可在器件底部增加stand-off設(shè)計(jì)（“凸臺(tái)設(shè)計(jì)”），增大器件底部與印制電路板表面的間隙，為插件孔內(nèi)的高壓氣體的排放提供上方通道，消除了高壓氣體向下擠壓的“瓶塞效應(yīng)”，從而有效提高焊料的填充高度。基于工程經(jīng)驗(yàn)，stand-off設(shè)計(jì)高度一般為0.3～0.5 mm，見(jiàn)圖7所示。

圖7 stand-off設(shè)計(jì)圖

3.3 花焊盤(pán)設(shè)計(jì)

插件孔實(shí)連接銅箔層數(shù)過(guò)多，液態(tài)焊料散熱太快，過(guò)早凝固，從而降低插件孔的填充高度，可設(shè)計(jì)焊盤(pán)隔熱環(huán)（俗稱“花焊盤(pán)”），目的是通過(guò)隔離區(qū)的設(shè)計(jì)，降低銅箔層的熱傳導(dǎo)面積，避免液態(tài)焊料焊接散失過(guò)快，保證焊料的填充高度。

花焊盤(pán)設(shè)計(jì)是去掉插件孔焊盤(pán)周圍的部分銅箔，形成隔熱環(huán)，在隔熱環(huán)導(dǎo)電連接通道的總面積不小于該插件孔傳輸電流所需面積前提下，隔熱環(huán)與導(dǎo)電面電氣連接通道的總寬度以插件孔焊盤(pán)直徑的60%為宜，連接通道的長(zhǎng)度以0.2 mm為宜，如圖8所示。若計(jì)算出的每條連接通道的寬度小于電路印制板的加工工藝極限值，可通過(guò)減少連接通道數(shù)量來(lái)增加連接通道寬度，從而達(dá)到可制造的要求，若計(jì)算四條通道的寬度為0.12 mm時(shí)，可按兩條通道計(jì)算，則通道寬度為0.24 mm。

圖8 花焊盤(pán)設(shè)計(jì)圖

3.4 星月孔設(shè)計(jì)

針對(duì)插件孔實(shí)連接銅箔層數(shù)過(guò)多導(dǎo)致填充不足的問(wèn)題，在花焊盤(pán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，還可采用星月孔方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體是將小孔徑的金屬化通孔圍繞布放在插件孔周圍，與插件孔相連的銅箔層進(jìn)行實(shí)連接，基于工程經(jīng)驗(yàn)，金屬化通孔孔徑一般不小于0.7 mm，金屬化通孔與插件孔節(jié)距一般不小于5.0 mm，見(jiàn)圖9所示。

圖9 星月孔設(shè)計(jì)圖

星月孔主要作用是給與插件孔相連的銅箔層供熱，因此星月孔也被稱為“導(dǎo)熱孔”。具體機(jī)理：首先，在波峰焊接過(guò)程中，液態(tài)焊料會(huì)沿著星月孔孔壁爬升，然后焊料的熱量不斷傳遞給與插件孔相連的銅箔層，縮小插件孔與銅箔層之間的溫度差，最后減緩了插件孔內(nèi)液態(tài)焊料的熱損耗速度，從而有效提升焊料在插件孔的填充高度。

4 結(jié)論

基于波峰焊料的填充機(jī)理，本文分析了過(guò)大孔徑設(shè)計(jì)、瓶塞效應(yīng)設(shè)計(jì)和銅箔實(shí)連接設(shè)計(jì)三種典型可制造性設(shè)計(jì)引起焊料填充不足的原因，并在孔徑設(shè)計(jì)、凸臺(tái)設(shè)計(jì)、花焊盤(pán)設(shè)計(jì)以及星月孔設(shè)計(jì)四個(gè)維度探討了具體的優(yōu)化方案，為電裝工藝行業(yè)的波峰焊料填充高度改善提供參考。