影響鍍覆孔焊料填充率的因素及對(duì)策

趙萍 程雷 李耀，張旭

（1.陜西烽火電子股份有限公司，陜西 寶雞 721006；2.陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000）

0 引言

在印制電路板組裝（printed circuit board assembly，PCBA）中，鍍覆孔（plating through hole，PTH）焊接的焊料填充率是衡量通孔元器件焊接質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 PTH焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求

圖1 PTH插接焊料填充率

1 焊料填充率不合格產(chǎn)生的影響

1.1 電連接性能及焊點(diǎn)可靠性不高

目前，絕大多數(shù)PCB 是多層板，內(nèi)層銅箔和器件的連接只能靠PTH 鍍銅層，其對(duì)阻抗的要求較高。在大電流及熱傳導(dǎo)有要求的產(chǎn)品中，如焊接透錫率不能達(dá)到100%，則電性能的連接不可靠。焊盤連接大面積覆銅，除透錫率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求外，還會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)冷焊的缺陷［1］。

1.2 器件受應(yīng)力和形變影響

通孔元器件焊料填充量的多少和不同引腳填充的位置會(huì)對(duì)元器件產(chǎn)生應(yīng)力，造成形變，尤其是質(zhì)量大的通孔元器件，在高振動(dòng)環(huán)境且透錫率不足100%時(shí)，更容易造成形變和焊點(diǎn)損傷。

2 PTH孔徑影響填充率

PTH 孔徑大小與元器件直徑之差，即引腳與通孔之間間隙的大小。差值過小時(shí)，將造成焊錫毛細(xì)爬升過程阻擋透錫量；差值過大時(shí)，易造成過量焊錫在熔融狀態(tài)流向焊接終止面?？讖酱笮∨c元器件直徑之差，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中有相關(guān)規(guī)定，見表2。采取合適的孔徑比是提高PTH 透錫率的基本原則。

3 通孔阻塞安裝方式的影響

3.1 通孔阻塞（氣密安裝）

元器件安裝應(yīng)不妨礙焊料流動(dòng)到焊盤。引腳在器件本體底面緊貼板面安裝的情況，會(huì)導(dǎo)致形成氣密安裝，阻礙熔融焊料的流動(dòng)，造成焊料填充率達(dá)不到100%，如圖2所示。

圖2 徑向元器件的安裝方式

3.2 按要求抬高器件

對(duì)徑向元器件的垂直安裝，如果安裝易造成氣密安裝，則有兩種方式可解決，見表3。

表3 徑向元器件的安裝方式

3.3 對(duì)徑向元器件引線進(jìn)行“R”型成形

對(duì)徑向垂直安裝符合成形要求的器件可采取此方式，對(duì)連接器引線、繼電器引線、回火引線（合金硬度和脆性較強(qiáng)）和直徑＞1.3 mm 的引線不建議進(jìn)行成形操作，成形易對(duì)器件造成損傷。

4 PTH 孔內(nèi)污染物及元器件引線可焊性的影響

PTH 內(nèi)污染會(huì)影響焊料潤濕爬錫過程。同樣，元器件引線鍍層氧化污染也會(huì)影響焊料填充率，部分情況還會(huì)造成焊料填充空洞，影響焊點(diǎn)的可靠性［2］。PCB 及器件一般按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求保存和使用。

5 接地層、散熱層的影響

5.1 生產(chǎn)實(shí)際情況

PTH 連接接地層或散熱層。PCB 設(shè)計(jì)未對(duì)接地焊盤做隔熱焊盤設(shè)計(jì)，焊盤與大面積覆銅直接相連。在焊接過程中，覆銅傳導(dǎo)熱過快，焊料不能輕易熔融，導(dǎo)致焊料填充率不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，造成焊點(diǎn)的冷焊缺陷。此類缺陷在手工焊接中尤為普遍，使用智能電烙鐵也很難通過烙鐵升溫對(duì)大面積覆銅進(jìn)行加熱。因此，高頻插座焊接透錫率不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖3所示。

圖3 高頻插座焊接

5.2 產(chǎn)生的原因

PTH 焊料填充率不滿足標(biāo)準(zhǔn)的根本原因是未做好可制造性設(shè)計(jì)（design for manufacturability，DFM）。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)PCB 圖時(shí)，只考慮電連接性，沒有考慮生產(chǎn)制造性。反過來，透錫率達(dá)不到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，會(huì)對(duì)產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

5.3 焊盤熱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

5.3.1 軍用電子設(shè)備印制電路板設(shè)計(jì)要求

為避免影響焊接質(zhì)量，電源層和地層大面積圖形應(yīng)與其連接盤之間進(jìn)行熱隔離設(shè)計(jì)，如圖4所示。二通道和四通道采用隔離盤畫法，隔熱焊盤通道寬度的要求為每條通道寬度=（焊盤直徑×60%）/通道數(shù)。

圖4 大面積導(dǎo)體隔熱盤畫法

5.3.2 印制電路板設(shè)計(jì)規(guī)則

對(duì)印制板表面較大的導(dǎo)電面積（＞25 mm×25 mm）應(yīng)采用網(wǎng)格式的窗口，以減少焊接過程中對(duì)熱量的吸收。如果有焊盤，應(yīng)進(jìn)行熱隔離并保持電氣連接，避免大導(dǎo)電面積在焊接時(shí)因熱量積累而起泡。如果多層印制板內(nèi)層地、電層銅箔面上有連接盤，也應(yīng)進(jìn)行熱隔離，在焊接時(shí)減小散熱速度，使熱量集中在焊盤上，以利于焊接。熱隔離焊盤如圖5（a）所示。

圖5 大面積導(dǎo)體隔熱盤設(shè)計(jì)

面積較大的連接盤（焊盤）和大面積銅箔（＞φ25 mm）上的焊點(diǎn)，應(yīng)設(shè)計(jì)焊盤隔熱環(huán)（俗稱“花盤”），如圖5（b）所示。在保持焊盤與導(dǎo)電面電氣連接的同時(shí)，將焊盤周圍的部分導(dǎo)體蝕刻掉，形成隔熱區(qū)。焊盤與導(dǎo)電面電氣連接的導(dǎo)電連接通道的總寬度以連接盤（焊盤）直徑的60%為宜，即每條連接通道（輻條或散熱條）寬度=連接通道的總寬度/通道數(shù)。

大面積連接盤隔熱措施可在焊接時(shí)減少加熱焊盤的時(shí)間，以免因大面積銅箔熱傳導(dǎo)過快，而使板內(nèi)累計(jì)熱量過多引起基材起泡、鼓脹等現(xiàn)象。但是，隔熱環(huán)上的導(dǎo)電連接通道的總面積應(yīng)不小于該P(yáng)TH 傳輸電流所需的面積。如果計(jì)算每條連接通道的寬度小于制造工藝極限值，應(yīng)減少通道數(shù)量，使連接通道寬度達(dá)到可制造性要求。

5.3.3 IPC相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

《PCB 設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)》（IPC—2221A）（第9.1.3 條）中提到，只有大面積導(dǎo)體層（接地層、電源層、導(dǎo)熱層等）焊接時(shí)才需要隔熱。隔熱是為了在焊接過程中提供熱阻，以減少焊接停留時(shí)間。隔熱焊盤如圖6 所示?！秳傂杂袡C(jī)印制板設(shè)計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)》（IPC-2222A-CN）第9.1.2 條中對(duì)隔熱焊盤通道寬度也有明確要求，即每條寬度=（焊盤直徑×60%）/通道數(shù)。如大面積的導(dǎo)體層（接地層、電源層、導(dǎo)熱層）按照標(biāo)準(zhǔn)要求來設(shè)計(jì)，可參考QJ 3103A—2001 及IPC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從設(shè)計(jì)根源上解決了此類問題的產(chǎn)生。

圖6 隔熱焊盤

6 接地焊盤的相關(guān)工藝試驗(yàn)

在PCB 設(shè)計(jì)中，因某些因素?zé)o法更改設(shè)計(jì)圖紙，生產(chǎn)線上需要臨時(shí)解決措施。有3 種工藝方法可用作試驗(yàn)手段，具體實(shí)施過程根據(jù)每家公司的產(chǎn)品及生產(chǎn)設(shè)備情況而定。

6.1 手工焊接

（1）對(duì)焊盤連接大面積銅箔上的焊點(diǎn)手工焊接，通孔元器件及熱容量較大的接地高頻插座的焊接難度越來越大，需采取以下步驟完成：整板預(yù)熱→涂覆高溫助焊劑→手工焊接。

整板預(yù)熱的目的是使無隔離盤的接地焊盤能提升溫度，減少焊接過程中的熱傳遞損失。預(yù)熱過程要均勻、穩(wěn)定，溫度可控制在100～120 ℃，時(shí)間控制在30 min以內(nèi)；預(yù)熱完到手工焊接之間停留的時(shí)間越短越好，推薦在專業(yè)預(yù)熱臺(tái)進(jìn)行預(yù)熱。對(duì)熱容量較大的接地銅箔和較厚的PCB，需要更高的預(yù)熱溫度。預(yù)熱溫度要適當(dāng)，如超過PCB 基材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）值，單板就容易變形；預(yù)熱溫度太低，起不到加熱接地銅箔的目的。工具選用智能電烙鐵（能快速補(bǔ)償功率，避免熱效率損失）。

（2）手工焊接根據(jù)焊料的不同，可適當(dāng)提高烙鐵溫度。對(duì)使用錫鉛合金的接地焊點(diǎn)，建議溫度提高到340～360 ℃；使用無鉛合金的接地焊點(diǎn)，溫度可提高到380～400 ℃。高頻插座3X3、3X4及3X5 在未采取措施情況下的一般焊接，如圖7（a）所示?？芍?，焊料填充完全不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。預(yù)熱臺(tái)先預(yù)熱30 min，預(yù)熱溫度為110 ℃，涂覆助焊劑后采用手工焊接（如圖7（c）所示），可清晰地看出高頻插座接地焊點(diǎn)焊料填充已達(dá)100%（如圖7（b所示）。

6.2 通孔回流焊（有限制）

使用通孔回流焊工藝時(shí)，對(duì)連接大面積銅箔上的焊點(diǎn)，可利用回流爐的預(yù)熱區(qū)對(duì)PCB 進(jìn)行充分整板預(yù)熱，使焊接過程中焊點(diǎn)焊錫受熱均勻，達(dá)到焊料填充的目的。但是，通孔回流焊對(duì)元器件和PCB 設(shè)計(jì)都有要求及條件限制，并且焊膏量很難控制。因此，通孔回流焊工藝很難滿足焊料填充率的要求。

6.3 選擇性波峰焊

理論上，使用選擇性波峰焊工藝既能對(duì)整板預(yù)熱達(dá)到加熱大面積銅箔的目的，又能在現(xiàn)有PCB 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上最大程度地提高焊接通孔元器件的焊點(diǎn)質(zhì)量。但是，在實(shí)際試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)選擇性波峰焊的預(yù)熱系統(tǒng)是針對(duì)助焊劑的預(yù)熱設(shè)計(jì)的，預(yù)熱時(shí)間達(dá)不到整板預(yù)熱的要求。因此，在大面積接地銅箔在沒有充分預(yù)熱的情況下進(jìn)行選擇性波峰焊接，與一般性手工焊接的透錫率相差不大，或者說，選擇性波峰焊設(shè)備對(duì)提高PTH 透錫率幾乎沒有作用。

6.3.1 驗(yàn)板情況說明

本試驗(yàn)采用工藝試驗(yàn)樣板，PTH 焊盤設(shè)計(jì)全接地如圖8（a）所示，二通道如圖8（b）所示，四通道隔離盤如圖8（c）所示。PCB 具體參數(shù)見表4。

圖8 試驗(yàn)板PTH焊盤設(shè)計(jì)

表4 試驗(yàn)板試驗(yàn)參數(shù)

6.3.2 選擇性波峰焊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)板選擇性波峰焊接后用X-Ray 檢測PTH焊盤，全接地焊盤焊錫填充率為50%左右，二通道接地焊盤焊錫填充率為100%左右，四通道接地焊盤焊錫填充率為95%左右。

6.3.3 手工焊接大接地焊盤對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)板手工焊接試驗(yàn)參數(shù)見表5。正常參數(shù)手工焊接后用X-Ray 檢測，全接地焊盤焊錫填充率約為50%，二通道接地焊盤焊錫填充率約為100%，四通道接地焊盤焊錫填充率約為100%。另外，全接地焊盤采取預(yù)熱等措施的手工焊接，焊錫填充率約為100%。

表5 手工焊接試驗(yàn)參數(shù)

7 結(jié)語

影響組裝印制板PTH 焊料填充率的因素有4種：通孔孔徑、氣密安裝、孔內(nèi)污染物及接地焊盤。本文主要討論了大面積接地影響焊料填充率的問題，并針對(duì)此問題，做了相關(guān)的工藝方案試驗(yàn)。

針對(duì)大面積接地焊盤的焊料填充率的改善，采用選擇性波峰焊時(shí)幾乎沒有改善；采用預(yù)熱等措施的手工焊接時(shí)，焊料填充率可達(dá)到要求，但焊接效率低下且對(duì)組裝板有一定故障風(fēng)險(xiǎn)。

按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)PCB 圖，開展好DFM，接地焊盤的焊料填充率會(huì)得到真正的解決。因此，高可靠性產(chǎn)品是設(shè)計(jì)和工藝結(jié)合起來，沒有可制造性的設(shè)計(jì)，就生產(chǎn)不出質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。