電氣產(chǎn)品通孔回流焊工藝研究

鮑軍云 王高壘 彭學(xué)軍 李 磊

電氣產(chǎn)品通孔回流焊工藝研究

鮑軍云 王高壘 彭學(xué)軍 李 磊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

隨著電氣產(chǎn)品向密集化、小型化方向快速發(fā)展，表面貼裝技術(shù)已成為印制電路板（PCB）組裝的主流技術(shù)，因此通孔回流焊工藝的應(yīng)用越來越廣泛。本文重點(diǎn)從錫膏選型、鋼網(wǎng)開孔工藝優(yōu)化、元器件性能、PCB焊盤設(shè)計優(yōu)化等角度展開研究，并通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了通孔回流焊工藝能夠拓展高密度、細(xì)間距產(chǎn)品的生產(chǎn)窗口，并解決了錫珠、空洞等焊接問題。該工藝能從多方面替代傳統(tǒng)波峰焊工藝，可提升元器件的焊接質(zhì)量，使焊接可靠性大大提高，為有效推進(jìn)表貼化工藝、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率提供支撐。

通孔回流焊工藝；焊接質(zhì)量；生產(chǎn)效率；表面貼裝；元器件

0 引言

隨著智能電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)的快速推廣，保護(hù)裝置相關(guān)的電氣產(chǎn)品朝著密集化、小型化方向快速發(fā)展，裝置內(nèi)部的電路板使用表貼元器件已成為主流趨勢[1-3]。大部分板卡特別是中央處理器（central processing unit, CPU）板卡實(shí)現(xiàn)了采用表面貼裝技術(shù)（surface mount technology, SMT），但還有一些大功率元器件、連接端子等需要采用傳統(tǒng)波峰焊工藝[4-6]。傳統(tǒng)波峰焊工藝窗口受限多，如該工藝不適合高密度、細(xì)間距元器件焊裝，焊接過程容易產(chǎn)生橋接、虛焊等質(zhì)量問題，存在插裝、焊接、修焊等復(fù)雜工序，導(dǎo)致產(chǎn)品加工周期長、生產(chǎn)效率低[7-9]，因此傳統(tǒng)波峰焊工藝對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響較大。一方面通孔插裝（through-hole technology, THT）元器件使用波峰焊工藝導(dǎo)致焊接質(zhì)量一致性差，降低了焊接可靠性[10-11]；另一方面使用波峰焊工藝焊接的通孔插裝元器件數(shù)量少，卻需要多道工序生產(chǎn)、多個設(shè)備和人員參與，大幅增加了生產(chǎn)成本，拉長了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)效率[12]。

通孔回流焊（through-hole reflow solder, THR）工藝[13-14]采用絲網(wǎng)印刷方式將錫膏印刷在通孔焊盤上，將插裝元器件插入通孔內(nèi)，再通過回流焊完成與表貼元器件的焊接。該工藝可減少波峰焊工序，縮短工藝流程，降低生產(chǎn)成本，從而解決焊接質(zhì)量一致性差、生產(chǎn)效率低等問題。通孔回流焊工藝示意圖如圖1所示。

圖1 通孔回流焊工藝示意圖

1 通孔回流焊工藝與傳統(tǒng)焊接工藝對比

1.1 通孔回流焊原理及特點(diǎn)

THR工藝的基本原理：提前通過鋼網(wǎng)和印刷機(jī)將錫膏印刷在通孔焊盤上，通過表面貼裝機(jī)將通孔元器件和表貼元器件一起表貼到相應(yīng)位置，在回流爐加熱區(qū)將錫膏熔化，使錫膏在表面張力的作用下流向通孔元器件引腳、焊盤和印制板通孔，最終完成良好的焊接[15-16]。該工藝減少了一道波峰焊接工序，簡化了生產(chǎn)流程，縮短了加工周期，可有效避免印制電路板（printed circuit board, PCB）和元器件受到波峰焊接的二次熱沖擊，使其不易變形。該過程無需使用錫條和助焊劑，不存在錫渣和助焊劑殘留等污染問題。此外，對該過程中的錫膏印刷參數(shù)、貼片機(jī)表貼參數(shù)等工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置與管控，因而焊接質(zhì)量一致性較好，保證了PCB與元器件的高接合強(qiáng)度與高焊接可靠性。

1.2 工藝流程對比

常規(guī)電氣產(chǎn)品的PCB焊裝工藝流程為SMT貼裝和THT焊裝，主要設(shè)備包括絲網(wǎng)印刷機(jī)、錫膏檢測（solder paste inspection, SPI）機(jī)、表面貼裝機(jī)、回流焊設(shè)備、自動光學(xué)檢測（automated optical inspection, AOI）機(jī)、波峰焊機(jī)/選擇焊機(jī)，工藝流程[17]為：PCB上料→錫膏印刷→SPI→元器件貼裝→回流焊接→AOI→THT元器件插裝→波峰焊焊接→焊后處理→焊裝檢驗(yàn)。

通孔回流焊工藝流程將波峰焊焊裝工序集成到SMT焊裝工序，去掉波峰焊工序，省去了多個復(fù)雜工步，大幅度簡化了工藝流程，具體流程為：PCB上料→錫膏印刷→SPI→元器件貼裝→回流焊接→AOI。

1.3 生產(chǎn)質(zhì)量與效率對比

與傳統(tǒng)焊接工藝相比，通孔回流焊工藝的技術(shù)先進(jìn)性、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性明顯。傳統(tǒng)焊接工藝與通孔回流焊工藝對比見表1。

表1 傳統(tǒng)焊接工藝與通孔回流焊工藝對比

2 通孔回流焊工藝制程影響因素

2.1 錫膏

為保證元器件在通孔回流焊過程中具備優(yōu)良的焊接力，焊膏需要具有良好的濕潤性和流動性。目前，錫膏分為低溫錫膏、中溫錫膏和高溫錫膏，其主要成分及熔點(diǎn)見表2。中、低溫錫膏成分主要為錫（Sn）、鉍（Bi），成分Bi用于降低錫膏熔點(diǎn)，但容易造成焊點(diǎn)脆裂；高溫錫膏成分主要為Sn、鉛（Pb）、銀（Ag），爬錫效果好，具有良好的焊接性能。因此，錫膏成分直接影響回流焊的焊接溫度、焊接時間和焊接質(zhì)量。為保證良好的焊接可靠性，電氣產(chǎn)品所使用的錫膏優(yōu)先采用高溫錫膏，此外在錫膏使用說明書中，爐溫曲線規(guī)定了回流焊升溫溫度、焊接溫度等關(guān)鍵參數(shù)，常見的爐溫曲線示意圖如圖2所示。

表2 不同錫膏的主要成分及熔點(diǎn)

圖2 常見爐溫曲線示意圖

2.2 鋼網(wǎng)開孔

鋼網(wǎng)選用不銹鋼薄板材質(zhì)，開孔孔壁一般為梯形，因?yàn)樘菪伍_口有利于提高錫膏流動性。為保證充足錫膏量，并兼顧細(xì)間距元器件的特殊性，一般采用階梯鋼網(wǎng)印刷錫膏。階梯鋼網(wǎng)是指在普通鋼網(wǎng)基礎(chǔ)上局部加厚或局部減薄，以滿足不同元器件所需的不同錫膏量。通孔回流焊元器件所需的錫膏量應(yīng)在PCB通孔填充并形成良好的焊點(diǎn)，因此其遠(yuǎn)大于SMT元器件所需的錫膏量。鋼網(wǎng)開孔超出PCB焊盤的區(qū)域需要結(jié)合錫膏屬性及PCB封裝的實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整，要注意避開元器件本體部位，防止貼裝過程中錫膏被元器件本體壓塌而飛濺出去，而飛濺出去的錫膏會在回流焊過程中形成錫珠。

通孔回流焊標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)填充效果如圖3所示，元器件引腳所需的錫膏量必須根據(jù)元器件引腳形狀、焊盤的通孔直徑和PCB厚度來確定。因錫膏中50%為助焊劑類的揮發(fā)物體，所以錫膏體積是焊點(diǎn)體積的兩倍，即錫膏體積=2×(solder+fillet)，其中solder為焊盤孔內(nèi)焊錫體積，fillet為焊盤焊點(diǎn)潤濕角體積。

圖3 通孔回流焊標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)填充效果

2.3 元器件

通孔回流焊元器件材質(zhì)需滿足防靜電標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)使用高溫焊膏焊接時，元器件本體材質(zhì)必須為耐高溫材料，其能夠承受的焊接爐溫為260℃及以上。為便于表面貼裝機(jī)自動吸取通孔元器件，通孔元器件來料包裝方式采用編帶包裝或Tray盤包裝，保證元器件本體平整且不得有分模線等凸起現(xiàn)象。因錐角不易擋住錫膏，元器件引腳腳端的形狀優(yōu)先選用錐形。此外，元器件引腳不宜太長，伸出PCB距離為0.8～1.2mm。元器件引腳要求示意圖如圖4所示。

圖4 元器件引腳要求示意圖

通孔回流焊采用熱風(fēng)對流方式，便于錫膏從PCB正面流向焊盤孔內(nèi)，在PCB的正反面形成良好的潤濕角。當(dāng)元器件與PCB貼底插裝時，在元器件引腳與焊盤位置需有一定對外空間，便于熱風(fēng)進(jìn)入焊盤孔內(nèi)將錫膏熔化后形成良好的焊點(diǎn)。因此，為了保證整個PCB受熱均勻，類似RJ45連接座類型的貼底元器件一般在底部有間隙保持器（standoff），如圖5所示。

圖5 間隙保持器

2.4 PCB的焊盤設(shè)計

運(yùn)用通孔回流焊工藝時，PCB焊盤設(shè)計的主要要求如下：

1）合理設(shè)計元器件引腳直徑與PCB焊盤通孔徑i的間距。間距太大容易造成錫膏掉落而產(chǎn)生空洞、少錫等不良現(xiàn)象，間距太小容易造成錫膏熔化后流動空間不足而產(chǎn)生虛焊現(xiàn)象。通常情況下，元器件引腳直徑與PCB焊盤通孔徑i的間距設(shè)計為0.3～0.5mm，元器件引腳與焊盤通孔間隙示意圖如圖6所示。

2）通孔回流焊的元器件引腳間距一般要求設(shè)計為大于等于2.54mm，若引腳間距過小容易造成引腳連焊并導(dǎo)致相鄰的孔內(nèi)少錫。

圖6 元器件引腳與焊盤通孔間隙示意圖

3）PCB正面貼片元器件與通孔回流焊元器件引腳的距離設(shè)計在3mm以上，防止因階梯鋼網(wǎng)加工工藝導(dǎo)致絲網(wǎng)印刷過程中周邊元器件錫膏量過大而發(fā)生橋接現(xiàn)象。

3 通孔回流焊工藝應(yīng)用

以某公司產(chǎn)品NRXX插件生產(chǎn)為例，驗(yàn)證通孔回流焊工藝的優(yōu)越性。目前，NRXX插件的生產(chǎn)工藝為SMT表面貼裝工藝和波峰焊焊接工藝，其中SMT表面貼裝生產(chǎn)節(jié)拍為20s，波峰焊焊接生產(chǎn)節(jié)拍為60s。NRXX插件生產(chǎn)節(jié)拍與工序見表3。插裝元器件只有法拉電容、排針、端子等6種元器件，其總數(shù)量僅為6個卻需要投入一條占地空間大的波峰焊生產(chǎn)線，還需配備4個工作人員參與生產(chǎn)，投入產(chǎn)出比特別低且無法保證焊接可靠性。為提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，應(yīng)用通孔回流焊工藝進(jìn)行改進(jìn)。

表3 NRXX插件生產(chǎn)節(jié)拍與工序

3.1 元器件

基于高溫錫膏260℃的耐高溫要求，核對NRXX 插件上所有元器件的耐高溫特性。經(jīng)確認(rèn)，所有表貼元器件均滿足回流焊爐溫260℃的要求，而THT元器件不滿足回流焊爐溫條件，根據(jù)通孔回流焊工藝要求，對THT元器件進(jìn)行改進(jìn)。THT元器件分析與改進(jìn)見表4。

3.2 PCB升級與鋼網(wǎng)加工

EECRF0H法拉電容、排針等元器件改用表貼物料，并將對應(yīng)的PCB板卡升級，鋼網(wǎng)按照新工藝要求重新加工。RJ45插座、端子等改為通孔回流焊元器件，為保證充足的錫膏量，采用階梯鋼網(wǎng)印刷錫膏，新設(shè)計的局部加厚階梯鋼網(wǎng)如圖7所示。

表4 THT元器件分析與改進(jìn)

圖7 局部加厚階梯鋼網(wǎng)示意圖

3.3 試制加工

首先在表貼工序?qū)ν谆亓骱冈骷馁N裝工藝進(jìn)行確認(rèn)，包括供料方式是否合理、貼裝吸嘴尺寸是否精準(zhǔn)等。回流焊工序按照要求測試爐溫曲線，回流焊峰值爐溫在原有230℃的基礎(chǔ)上提高到240℃，如圖8所示。

圖8 爐溫曲線

經(jīng)打樣驗(yàn)證，NRXX插件的 PCB焊點(diǎn)目視未發(fā)現(xiàn)異常，焊點(diǎn)目視化檢查圖如圖9所示。

在X光檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)THR通孔元器件存在錫珠、空洞等焊接質(zhì)量問題，針對這些問題進(jìn)行分析并制定相應(yīng)的解決方案，具體如下。

圖9 焊點(diǎn)目視化檢查圖

1）錫珠：端子回流焊后，通過X光檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)存在許多小錫珠，如圖10（a）所示。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼網(wǎng)開孔未避讓端子本體，如圖10（b）所示，綠色虛線區(qū)域?yàn)殇摼W(wǎng)開孔區(qū)域，PCB板卡經(jīng)過錫膏印刷之后，錫膏填充在綠色虛線區(qū)域，在貼裝過程中元器件端子將錫膏壓塌，壓塌的這部分錫膏在回流焊時形成錫珠。因此，解決方案為優(yōu)化鋼網(wǎng)開孔，將鋼網(wǎng)開孔區(qū)域縱向拉伸、橫向收縮（3.05mm× 2.88mm改為4.4mm×2mm），以保證錫膏總體積不變，又能成功避免端子本體碰觸錫膏，如圖10（c）所示。再次生產(chǎn)焊接后，經(jīng)X光檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)錫珠，如圖10（d）所示。

2）空洞：經(jīng)X光檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，端子焊點(diǎn)空洞率＞25%，如圖11（a）所示，不滿足IPC 3級標(biāo)準(zhǔn)要求。調(diào)研分析后認(rèn)為，端子引腳電鍍過程中電鍍液雜質(zhì)過多，導(dǎo)致引腳鍍層可焊性差。將該問題反饋給端子廠家，廠家在端子加工過程中增加鍍層可焊性測試，以保證引腳鍍層可焊性良好。重新生產(chǎn)焊接后再進(jìn)行X光檢驗(yàn)，端子引腳焊點(diǎn)無空洞，其內(nèi)部100%填充，如圖11（b）所示。

圖10 錫珠問題分析與解決

圖11 空洞問題分析與解決

3.4 第三方測試

對焊接后的焊點(diǎn)進(jìn)行金相切片與掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）分析：根據(jù)IPC—TM—650標(biāo)準(zhǔn)，在金相顯微鏡下觀察焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)，并利用SEM對焊點(diǎn)截面的金屬間化合物（intermetallic compound, IMC）層進(jìn)行測量，結(jié)果如圖12所示。IMC層連續(xù)均衡，焊點(diǎn)填充滿足IPC 3級要求，厚度在1～3mm之間，達(dá)到了理想的焊接強(qiáng)度。

3.5 不足之處

采用通孔回流焊工藝后發(fā)現(xiàn)，在通孔元器件插裝過程中，部分錫膏被元器件引腳帶出，掉落在回流焊設(shè)備內(nèi)部，導(dǎo)致助焊劑揮發(fā)后沉淀增加，這對回流焊設(shè)備造成一定的污染，需設(shè)備人員定期清理保養(yǎng)。此外，回流焊峰值溫度增加10℃，相應(yīng)的熱沖擊也有小幅度增加，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷分析。

圖12 通孔焊點(diǎn)的IMC層測量結(jié)果

3.6 小結(jié)

該公司NRXX插件經(jīng)通孔回流焊工藝改進(jìn)，減掉了波峰焊工序，省去了多個復(fù)雜工步，生產(chǎn)效率得到明顯提高，生產(chǎn)周期縮短50%，人員減少50%，傳統(tǒng)焊接與通孔回流焊生產(chǎn)模式對比見表5。過程中遇到錫珠、空洞等問題，從鋼網(wǎng)開孔、元器件等角度進(jìn)行分析解決，并將此類問題整理形成管控規(guī)范，保證后續(xù)生產(chǎn)不再出現(xiàn)。

表5 傳統(tǒng)焊接與通孔回流焊生產(chǎn)模式對比

4 結(jié)論

本文詳細(xì)研究了通孔回流焊工藝的特點(diǎn)和影響因素，重點(diǎn)從錫膏選用、鋼網(wǎng)開孔工藝、元器件性能、PCB焊盤設(shè)計等角度展開分析，并通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了通孔回流焊工藝能夠拓展高密度、細(xì)間距產(chǎn)品的生產(chǎn)窗口，能從多方面替代傳統(tǒng)波峰焊工藝，并解決錫珠、焊點(diǎn)空洞等焊接問題，提高了元器件在通孔回流焊中的焊接可靠性，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，有效推進(jìn)了元器件表貼化發(fā)展。通孔回流焊工藝可根據(jù)產(chǎn)品的布局進(jìn)行設(shè)計，在產(chǎn)品設(shè)計階段提前規(guī)劃相應(yīng)生產(chǎn)工藝路線，明確PCB板卡、元器件等工藝要求，進(jìn)一步提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，可以預(yù)見在未來電子組裝中通孔回流焊會發(fā)揮更重要的作用。

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Research on through-hole reflow soldering process for electrical products

BAO Junyun WANG Gaolei PENG Xuejun LI Lei

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211100)

With the rapid development of electrical products towards density and miniaturization, surface mount technology has become the mainstream of printed circuit board (PCB) assembly, so the application of through-hole reflow soldering technology is becoming increasingly widespread. This paper focuses on the selection of solder paste, optimization of steel mesh opening process, component performance, and optimization of PCB pad design. Through actual production verification, the through-hole reflow soldering process can expand the production window of high-density and fine pitch products, and solve soldering problems such as tin beads and voids. This process can replace traditional wave soldering in many aspects, effectively improving the soldering quality of components in through-hole reflow soldering, improving soldering reliability, and providing support for effectively promoting surface mount technology, reducing production costs and improving production efficiency.

through-hole reflow solder; soldering quality; production efficiency; surface mounting; components

2023-12-19

2024-01-25

鮑軍云（1981—），男，江蘇南京人，工程師，主要研究方向?yàn)镾MT/THT焊裝工藝、電力系統(tǒng)測試、制造自動化、智能制造技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用。