通孔回流焊接的作用

　　通孔回流焊接的作用

　　一、什么叫通孔回流焊接技术      在传统的电子组装工艺中，对于安装有过孔插装元件采用波峰焊接技术。但波峰焊接有许多不足之处：不适合高密度、细间距元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;PCB板受到较大热冲击翘曲变形。因此波峰焊接在许多方面不能适应高精密度电子组装技术的发展。为了适应这种高精密度表面组装技术的发展，解决以上焊接难点的措施是采用通孔回流焊接技(THRThrough-holeReflow)，又称为穿孔回流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。该技术原理是在PCB板完成贴片后，使用一种安装有许多针管的特殊钢网模板，调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐，使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上，然后安装插装元件，最后插装元件与贴片元件同时通过回流焊完成焊接。从中可以看出穿孔回流焊相对于传统工艺的优越性：首先是减少了工序，省去了波峰焊这道工序，节省了人工费用，在效率上也得到了提高;其次回流焊相对于波峰焊，产生桥接的可能性要小的多，这样就提高了一次通过率。穿孔回流焊相对传统工艺在生产效率、先进性上都有很大优势。通孔回流焊接技术起源于日本SONY公司，20世纪90年代初已开始应用，但它主要应用于SONY自己的产品上，如电视调谐器及CDWalkman。

　　通孔回流焊有时也称作分类元件回流焊，正在逐渐兴起。它可以去除波峰焊环节，而成为PCB混装技术中的一个工艺环节。通孔回流焊最大的好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺的优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械联接强度。对于较大尺寸的PCB板的平整度不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触，同时，就算引脚和焊盘都能接触上，它所提供的机械强度也往往是不够大的，很容易在产品的使用中脱开而成为故障点。   尽管通孔回流焊可发取得偿还好处，但是在实际应用中通孔回流焊仍有几个缺点，锡膏量大，这样会增加因助焊剂的挥了冷却而产生对机器污染的程度，需要一个有效的助焊剂残留清除装置。通孔回流焊另外一点是许多连接器并没有设计成可以承受通孔回流焊的温度，早期通孔回流焊基于直接红外加热的回流焊炉子已不能适用，这种回流焊炉子缺少有效的热传递效率来处理一般表面贴装元件与具有复杂几何外观的通孔连接器同在一块PCB上的能力。只有大容量的具有高的热传递的强制对流通孔回流焊炉子，才有可能实现通孔回流，并且也得到实践证明，剩下的问题就是如何保证通孔中的锡膏与元件脚有一个适当的回流焊温度曲线。随着工艺与元件的改进，通孔回流焊也会越来越多被应用。   影响回流焊工艺的因素很多，也很复杂，需要工艺人员在生产中不断研究探讨，将从多个方面来进行探讨。

　　二、通孔回流焊接工艺的特点

　　1. 通孔回流焊与波峰焊相比的优点

　　(1)通孔回流焊焊接质量好，不良比率PPM(百万分率的缺陷率)可低于20.

　　(2)虚焊、连锡等缺陷少，返修率极低。

　　(3)PCB布局的设计无须像波峰焊工艺那样特别考虑。

　　(4)工艺流程简单，设备操作简单。

　　(5)通孔回流焊设备占地面积少，因其印刷机及回流炉都较小，故只需较小的面积。

　　(6)无锡渣问题。

　　(7)机器为全封闭式，干净，生产车间里无异味。

　　(8)通孔回流焊设备管理及保养简单。

　　(9)印刷工艺中采用了印刷模板，各焊接点及印刷的焊膏量可根据需要调节。

　　(1O)在回流时，采用特别模板，各焊接点的温度可根据需要调节。

　　2. 通孔回流焊与波峰焊相比的缺点：

　　(1)此工艺由于采用了焊膏，焊料的价格成本相对波峰焊的锡条较高。

　　(2)须订制特别的专用模板，价格较贵。而且每个产品需各自的一套印刷模板及回流焊模板。

　　(3)通孔回流焊炉可能会损坏不耐高温的元件。在选择元件时，特别注意塑胶元件，如电位器等可能由于高温而损坏。

　　3 回流焊温度曲线

　　温度曲线的建立是指SMA通过回流焊炉时，SMA上某一点的温度随时间变化的曲线。温度曲线提供了一种直观的方法，来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性，避免由于超温而对元件造成损坏，以及保证焊接质量都非常有用。温度曲线采用炉温测试仪来测试，目前市面上有很多种炉温测试仪供使用者选择。

　　4 回流焊预热区

　　该区域的目的是把室温的PCB尽快加热，以达到第二个特定目标，但升温速率要控制在适当范围以内，如果过快，会产生热冲击，电路板和元件都可能受损;过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质量。由于回流焊加热速度较快，在回流焊温区的后段SMA内的温差较大。为防止热冲击对元件的损伤，一般规定回流焊最大升温速度为4℃/s。然而，通常上升速率设定为1-3℃/s。典型的升温速率为2℃/s。将线路板由常温加热到100～140℃，目的是线路板及焊膏预热，避免线路板及焊膏在回流区受到热冲击。如果板上有不耐高温的元件，则可以将此温区的温度降低，以免损坏元件。

　　5 回流焊保温段

　　保温段是指回流焊温度从120℃-150℃升至焊膏熔点的区域。其主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定，尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到回流焊保温段结束，焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去，整个电路板的温度达到平衡。应注意的是SMA上所有元件在这一段结束时应具有相同的温度，否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。

　　6 回流焊回流区(主加热区)

　　在回流焊这一区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度。在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同，一般推荐为焊膏的熔点温度加上20-40℃。对于熔点为183℃的63Sn/37Pb焊膏和熔点为179℃的Sn62/Pb36/Ag2焊膏，峰值温度一般为210-230℃，再流时间不要过长，以防对SMA造成不良影响。理想的温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的面积最小。温度上升到焊膏熔点，且保持一定的时间，使焊膏完全熔化，回流焊最高温度在200～230℃。在178℃以上的时问为30～40s。

　　7 回流焊冷却区

　　回流焊这段中焊膏内的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致电路板的更多分解而进入锡中，从而产生灰暗毛糙的焊点。在极端的情形下，它能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。回流焊冷却段降温速率一般为3-10℃/s，冷却至75℃即可。借助回流焊冷却风扇，降低焊膏温度，形成焊点，并将线路板冷却至常温。

　　三、生产过程中易产生不良现象

　　1.桥联

　　回流焊焊接加热过程中也会产生焊料塌边，这个情况出现在预热和主加热两种场合，当预热温度在几十至一百度范围内，作为焊料中成分之一的溶剂即会降低粘度而流出，如果其流出的趋势是十分强烈的，会同时将焊料颗粒挤出焊区外的含金颗粒，在熔融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留的焊料球。 除上面的因素外，SMD元件端电极是否平整良好，电路线路板布线设计与焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等都会是造成桥联的原因。

　　2.立碑元件浮高(曼哈顿现象)

　　片式元件在遭受回流焊急速加热情况下发生的翘立，这是因为急热使元件两端存在温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润，而另一边的焊料未完全熔融而引起湿润不良，这样促进了元件的翘立。因此，回流焊加热时要从时间要素的角度考虑，使水平方向的加热形成均衡的温度分布，避免回流焊急热的产生。 防止元件翘立的主要因素有以下几点：

　　①选择粘接力强的焊料，焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高;

　　②元件的外部电极需要有良好的湿润性和湿润稳定性。推荐：温度40℃以下，湿度70%RH以下，进厂元件的使用期不可超过6个月;

　　③采用小的焊区宽度尺寸，以减少焊料熔融时对元件端部产生的表面张力。另外可适当减小焊料的印刷厚度，如选用100μm;

　　④焊接温度管理条件设定也是元件翘立的一个因素。通常的目标是加热要均匀，特别在元件两连接端的焊接圆角形成之前，均衡加热不可出现波动。

　　3.润湿不良

　　润湿不良是指回流焊焊接过程中焊料和电路基板的焊区(铜箔)或SMD的外部电极，经浸润后不生成相互间的反应层，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物、锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0.005%以上时，由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。选择合适的焊料，并设定回流焊合理的焊接温度曲线。   无铅焊接的五个步骤：

　　1)选择适当的材料和方法

　　在无铅焊接工艺中，焊接材料的选择是最具挑战性的。因为对于无铅焊接工艺来说，无铅焊料、焊膏、助焊剂等材料的选择是最关键的，也是最困难的。在选择这些材料时还要考虑到焊接元件的类型、线路板的类型，以及它们的表面涂敷状况。选择的这些材料应该是在自己的研究中证明了的，或是权威机构或文献推荐的，或是已有使用的经验。把这些材料列成表以备在工艺试验中进行试验，以对它们进行深入的研究，了解其对工艺的各方面的影响。

　　对于焊接方法，要根据自己的实际情况进行选择，如元件类型：表面安装元件、通孔插装元件;线路板的情况;板上元件的多少及分布情况等。对于表面安装元件的焊接，需采用回流焊的方法;对于通孔回流焊插装元件，可根据情况选择波峰焊、浸焊或喷焊法来进行焊接。波峰焊更适合于整块板(大型)上通孔插装元件的焊接;浸焊更适合于整块板(小型)上或板上局部区域通孔插装元件的回流焊焊接;局喷焊剂更适合于板上个别元件或少量通孔插装元件的回流焊焊接。另外，还要注意的是，无铅回流焊焊接的整个过程比含铅焊料的要长，而且所需的焊接温度要高，这是由于无铅焊料的熔点比含铅焊料的高，而它的浸润性又要差一些的缘故。

　　在焊接方法选择好后，其焊接工艺的类型就确定了。这时就要根据焊接工艺要求选择设备及相关的工艺控制和工艺检查仪器，或进行升级。焊接设备及相关仪器的选择跟焊接材料的选择一样，也是相当关键的。

　　2)确定工艺路线和工艺条件

　　在第一步完成后，就可以对所选的焊接材料进行焊接工艺试验。通过试验确定工艺路线和工艺条件。在试验中，需要对列表选出的焊接材料进行充分的试验，以了解其特性及对工艺的影响。这一步的目的是开发出无铅焊接的样品。

　　3)开发健全焊接工艺

　　这一步是第二步的继续。它是对第二步在工艺试验中收集到的试验数据进行分析，进而改进材料、设备或改变工艺，以便获得在实验室条件下的健全工艺。在这一步还要弄清无铅合金焊接工艺可能产生的沾染知道如何预防、测定各种焊接特性的工序能力(CPK)值，以及与原有的锡/铅工艺进行比较。通过这些研究，就可开发出焊接工艺的检查和测试程序，同时也可找出一些工艺失控的处理方法。

　　4)还需要对焊接样品进行可靠性试验，以鉴定产品的质量是否达到要求。如果达不到要求，需找出原因并进行解决，直到达到要求为止。一旦焊接产品的可靠性达到要求，无铅焊接工艺的开发就获得成功，这个工艺就为规模生产做好了准准备就绪后的操作一切准备就绪，现在就可以从样品生产转变到工业化生产。在这时，仍需要对工艺进行以维持工艺处于受控状态。

　　5 )控制和改进工艺

　　无铅焊接工艺是一个动态变化的舞台。工厂必须警惕可能出现的各种问题以避免出现工艺失控，同时也还需要不断地改进工艺，以使产品的质量和合格晶率不断得到提高。对于任何无铅焊接工艺来说，改进焊接材料，以及更新设备都可改进产品的焊接性能。

　　总结言论

　　通孔回流焊在很多方面可以替代波峰焊来实现对插装元件的焊接，特别是在处理焊接面上分布有高密度贴片元件(或有线间距SMD)的插件焊点的焊接，这时传统的波峰焊接已无能为力，另外通孔回流焊能极大地提高焊接质量，这足以弥补其设备昂贵的不足。通孔回流焊的出现，对于丰富焊接手段、提高线路板组装密度(可在焊接面分布高密度贴片元件)、提升焊接质量、降低工艺流程，都大有帮助。可以预见，通孔回流焊将在未来的电子组装中发挥日益重要的作用。