一、什么叫通孔回流焊接技術(shù)

  在傳統(tǒng)的電子組裝工藝中，對于安裝有過孔插裝元件采用波峰焊接技術(shù)。但波峰焊接有許多不足之處：不適合高密度、細間距元件焊接；橋接、漏焊較多；需噴涂助焊劑；PCB板受到較大熱沖擊翹曲變形。因此波峰焊接在許多方面不能適應(yīng)高精密度電子組裝技術(shù)的發(fā)展。為了適應(yīng)這種高精密度表面組裝技術(shù)的發(fā)展，解決以上焊接難點的措施是采用通孔回流焊接技(THRThrough-holeReflow)，又稱為穿孔回流焊PIHR(Pin-in-HoleReflow)。該技術(shù)原理是在PCB板完成貼片后，使用一種安裝有許多針管的特殊鋼網(wǎng)模板，調(diào)整模板位置使針管與插裝元件的過孔焊盤對齊，使用刮刀將模板上的錫膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件同時通過回流焊完成焊接。從中可以看出穿孔回流焊相對于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)越性：首先是減少了工序，省去了波峰焊這道工序，節(jié)省了人工費用，在效率上也得到了提高；其次回流焊相對于波峰焊，產(chǎn)生橋接的可能性要小的多，這樣就提高了一次通過率。穿孔回流焊相對傳統(tǒng)工藝在生產(chǎn)效率、先進性上都有很大優(yōu)勢。通孔回流焊接技術(shù)起源于日本SONY公司，20世紀90年代初已開始應(yīng)用，但它主要應(yīng)用于SONY自己的產(chǎn)品上，如電視調(diào)諧器及CDWalk ** n。

   通孔回流焊有時也稱作分類元件回流焊，正在逐漸興起。它可以去除波峰焊環(huán)節(jié)，而成為PCB混裝技術(shù)中的一個工藝環(huán)節(jié)。通孔回流焊最大的好處就是可以在發(fā)揮表面貼裝制造工藝的優(yōu)點的同時使用通孔插件來得到較好的機械聯(lián)接強度。對于較大尺寸的PCB板的平整度不能夠使所有表面貼裝元器件的引腳都能和焊盤接觸，同時，就算引腳和焊盤都能接觸上，它所提供的機械強度也往往是不夠大的，很容易在產(chǎn)品的使用中脫開而成為故障點。 盡管通孔回流焊可發(fā)取得償還好處，但是在實際應(yīng)用中通孔回流焊仍有幾個缺點，錫膏量大，這樣會增加因助焊劑的揮了冷卻而產(chǎn)生對機器污染的程度，需要一個有效的助焊劑殘留清除裝置。通孔回流焊另外一點是許多連接器并沒有設(shè)計成可以承受通孔回流焊的溫度，早期通孔回流焊基于直接紅外加熱的回流焊爐子已不能適用，這種回流焊爐子缺少有效的熱傳遞效率來處理一般表面貼裝元件與具有復(fù)雜幾何外觀的通孔連接器同在一塊PCB上的能力。只有大容量的具有高的熱傳遞的強制對流通孔回流焊爐子，才有可能實現(xiàn)通孔回流，并且也得到實踐證明，剩下的問題就是如何保證通孔中的錫膏與元件腳有一個適當(dāng)?shù)幕亓骱笢囟惹�線。隨著工藝與元件的改進，通孔回流焊也會越來越多被應(yīng)用。 影響回流焊工藝的因素很多，也很復(fù)雜，需要工藝人員在生產(chǎn)中不斷研究探討，將從多個方面來進行探討。

  二、通孔回流焊接工藝的特點

  1. 通孔回流焊與波峰焊相比的優(yōu)點

  (1)通孔回流焊焊接質(zhì)量好，不良比率PPM(百萬分率的缺陷率)可低于20。

  (2)虛焊、連錫等缺陷少，返修率極低。

  (3)PCB布局的設(shè)計無須像波峰焊工藝那樣特別考慮。

  (4)工藝流程簡單，設(shè)備操作簡單。

  (5)通孔回流焊設(shè)備占地面積少，因其印刷機及回流爐都較小，故只需較小的面積。

  (6)無錫渣問題。

  (7)機器為全封閉式，干凈，生產(chǎn)車間里無異味。

  (8)通孔回流焊設(shè)備管理及保養(yǎng)簡單。

  (9)印刷工藝中采用了印刷模板，各焊接點及印刷的焊膏量可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

  (1O)在回流時，采用特別模板，各焊接點的溫度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

  2. 通孔回流焊與波峰焊相比的缺點：

  (1)此工藝由于采用了焊膏，焊料的價格成本相對波峰焊的錫條較高。

  (2)須訂制特別的專用模板，價格較貴。而且每個產(chǎn)品需各自的一套印刷模板及回流焊模板。

  (3)通孔回流焊爐可能會損壞不耐高溫的元件。在選擇元件時，特別注意塑膠元件，如電位器等可能由于高溫而損壞。

  3 回流焊溫度曲線

  溫度曲線的建立是指A通過回流焊爐時，A上某一點的溫度隨時間變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方法，來分析某個元件在整個回流焊過程中的溫度變化情況。這對于獲得最佳的可焊性，避免由于超溫而對元件造成損壞，以及保證焊接質(zhì)量都非常有用。溫度曲線采用爐溫儀來，目前市面上有很多種爐溫儀供使用者選擇。

  4 回流焊預(yù)熱區(qū)

  該區(qū)域的目的是把室溫的PCB盡快加熱，以達到第二個特定目標(biāo)，但升溫速率要控制在適當(dāng)范圍以內(nèi)，如果過快，會產(chǎn)生熱沖擊，電路板和元件都可能受損；過慢，則溶劑揮發(fā)不充分，影響焊接質(zhì)量。由于回流焊加熱速度較快，在回流焊溫區(qū)的后段A內(nèi)的溫差較大。為防止熱沖擊對元件的損傷，一般規(guī)定回流焊最大升溫速度為4℃/s。然而，通常上升速率設(shè)定為1-3℃／s。典型的升溫速率為2℃／s。將線路板由常溫加熱到100～140℃，目的是線路板及焊膏預(yù)熱，避免線路板及焊膏在回流區(qū)受到熱沖擊。如果板上有不耐高溫的元件，則可以將此溫區(qū)的溫度降低，以免損壞元件。

  5 回流焊保溫段

  保溫段是指回流焊溫度從120℃-150℃升至焊膏熔點的區(qū)域。其主要目的是使A內(nèi)各元件的溫度趨于穩(wěn)定，盡量減少溫差。在這個區(qū)域里給予足夠的時間使較大元件的溫度趕上較小元件，并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到回流焊保溫段結(jié)束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個電路板的溫度達到平衡。應(yīng)注意的是A上所有元件在這一段結(jié)束時應(yīng)具有相同的溫度，否則進入到回流段將會因為各部分溫度不均產(chǎn)生各種不良焊接現(xiàn)象。

  6 回流焊回流區(qū)(主加熱區(qū))

  在回流焊這一區(qū)域里加熱器的溫度設(shè)置得最高，使組件的溫度快速上升至峰值溫度。在回流段其焊接峰值溫度視所用焊膏的不同而不同，一般推薦為焊膏的熔點溫度加上20-40℃。對于熔點為183℃的63Sn／37Pb焊膏和熔點為179℃的Sn62／Pb36／Ag2焊膏，峰值溫度一般為210-230℃，再流時間不要過長，以防對A造成不良影響。理想的溫度曲線是超過焊錫熔點的“尖端區(qū)”覆蓋的面積最小。溫度上升到焊膏熔點，且保持一定的時間，使焊膏完全熔化，回流焊最高溫度在200～230℃。在178℃以上的時問為30～40s。

  7 回流焊冷卻區(qū)

  回流焊這段中焊膏內(nèi)的鉛錫粉末已經(jīng)熔化并充分潤濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來進行冷卻，這樣將有助于得到明亮的焊點并有好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導(dǎo)致電路板的更多分解而進入錫中，從而產(chǎn)生灰暗毛糙的焊點。在極端的情形下，它能引起沾錫不良和減弱焊點結(jié)合力。回流焊冷卻段降溫速率一般為3-10℃／s，冷卻至75℃即可。借助回流焊冷卻風(fēng)扇，降低焊膏溫度，形成焊點，并將線路板冷卻至常溫。

  三、生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生不良現(xiàn)象

  1.橋聯(lián)

  回流焊焊接加熱過程中也會產(chǎn)生焊料塌邊，這個情況出現(xiàn)在預(yù)熱和主加熱兩種場合，當(dāng)預(yù)熱溫度在幾十至一百度范圍內(nèi)，作為焊料中成分之一的溶劑即會降低粘度而流出，如果其流出的趨勢是十分強烈的，會同時將焊料顆粒擠出焊區(qū)外的含金顆粒，在熔融時如不能返回到焊區(qū)內(nèi)，也會形成滯留的焊料球。 除上面的因素外，D元件端電極是否平整良好，電路線路板布線設(shè)計與焊區(qū)間距是否規(guī)范，阻焊劑涂敷方法的選擇和其涂敷精度等都會是造成橋聯(lián)的原因。

  2.立碑元件浮高(曼哈頓現(xiàn)象)

   片式元件在遭受回流焊急速加熱情況下發(fā)生的翹立，這是因為急熱使元件兩端存在溫差，電極端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤，而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤不良，這樣促進了元件的翹立。因此，回流焊加熱時要從時間要素的角度考慮，使水平方向的加熱形成均衡的溫度分布，避免回流焊急熱的產(chǎn)生。 防止元件翹立的主要因素有以下幾點：

  ①選擇粘接力強的焊料，焊料的印刷精度和元件的貼裝精度也需提高；

  ②元件的外部電極需要有良好的濕潤性和濕潤穩(wěn)定性。推薦：溫度40℃以下，濕度70％RH以下，進廠元件的使用期不可超過6個月；

  ③采用小的焊區(qū)寬度尺寸，以減少焊料熔融時對元件端部產(chǎn)生的表面張力。另外可適當(dāng)減小焊料的印刷厚度，如選用100μm；

  ④焊接溫度管理條件設(shè)定也是元件翹立的一個因素。通常的目標(biāo)是加熱要均勻，特別在元件兩連接端的焊接圓角形成之前，均衡加熱不可出現(xiàn)波動。

  3.潤濕不良

   潤濕不良是指回流焊焊接過程中焊料和電路基板的焊區(qū)(銅箔)或D的外部電極，經(jīng)浸潤后不生成相互間的反應(yīng)層，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊區(qū)表面受到污染或沾上阻焊劑，或是被接合物表面生成金屬化合物層而引起的。譬如銀的表面有硫化物、錫的表面有氧化物都會產(chǎn)生潤濕不良。另外焊料中殘留的鋁、鋅、鎘等超過0．005％以上時，由于焊劑的吸濕作用使活化程度降低，也可發(fā)生潤濕不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。選擇合適的焊料，并設(shè)定回流焊合理的焊接溫度曲線。 無鉛焊接的五個步驟：

  1）選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾头椒?/p>

   在無鉛焊接工藝中，焊接材料的選擇是最具挑戰(zhàn)性的。因為對于無鉛焊接工藝來說，無鉛焊料、焊膏、助焊劑等材料的選擇是最關(guān)鍵的，也是最困難的。在選擇這些材料時還要考慮到焊接元件的類型、線路板的類型，以及它們的表面涂敷狀況。選擇的這些材料應(yīng)該是在自己的研究中證明了的，或是權(quán)威機構(gòu)或文獻推薦的，或是已有使用的經(jīng)驗。把這些材料列成表以備在工藝試驗中進行試驗，以對它們進行深入的研究，了解其對工藝的各方面的影響。

   對于焊接方法，要根據(jù)自己的實際情況進行選擇，如元件類型：表面安裝元件、通孔插裝元件；線路板的情況；板上元件的多少及分布情況等。對于表面安裝元件的焊接，需采用回流焊的方法；對于通孔回流焊插裝元件，可根據(jù)情況選擇波峰焊、浸焊或噴焊法來進行焊接。波峰焊更適合于整塊板(大型)上通孔插裝元件的焊接；浸焊更適合于整塊板(小型)上或板上局部區(qū)域通孔插裝元件的回流焊焊接；局噴焊劑更適合于板上個別元件或少量通孔插裝元件的回流焊焊接。另外，還要注意的是，無鉛回流焊焊接的整個過程比含鉛焊料的要長，而且所需的焊接溫度要高，這是由于無鉛焊料的熔點比含鉛焊料的高，而它的浸潤性又要差一些的緣故。

   在焊接方法選擇好后，其焊接工藝的類型就確定了。這時就要根據(jù)焊接工藝要求選擇設(shè)備及相關(guān)的工藝控制和工藝檢查儀器，或進行升級。焊接設(shè)備及相關(guān)儀器的選擇跟焊接材料的選擇一樣，也是相當(dāng)關(guān)鍵的。

  2）確定工藝路線和工藝條件

   在第一步完成后，就可以對所選的焊接材料進行焊接工藝試驗。通過試驗確定工藝路線和工藝條件。在試驗中，需要對列表選出的焊接材料進行充分的試驗，以了解其特性及對工藝的影響。這一步的目的是開發(fā)出無鉛焊接的樣品。

  3）開發(fā)健全焊接工藝

   這一步是第二步的繼續(xù)。它是對第二步在工藝試驗中收集到的試驗數(shù)據(jù)進行分析，進而改進材料、設(shè)備或改變工藝，以便獲得在實驗室條件下的健全工藝。在這一步還要弄清無鉛合金焊接工藝可能產(chǎn)生的沾染知道如何預(yù)防、測定各種焊接特性的工序能力(CPK)值，以及與原有的錫／鉛工藝進行比較。通過這些研究，就可開發(fā)出焊接工藝的檢查和程序，同時也可找出一些工藝失控的處理方法。

  4）還需要對焊接樣品進行可靠性試驗，以鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量是否達到要求。如果達不到要求，需找出原因并進行解決，直到達到要求為止。一旦焊接產(chǎn)品的可靠性達到要求，無鉛焊接工藝的開發(fā)就獲得成功，這個工藝就為規(guī)模生產(chǎn)做好了準(zhǔn)準(zhǔn)備就緒后的操作一切準(zhǔn)備就緒，現(xiàn)在就可以從樣品生產(chǎn)轉(zhuǎn)變到工業(yè)化生產(chǎn)。在這時，仍需要對工藝進行以維持工藝處于受控狀態(tài)。

  5 ）控制和改進工藝

   無鉛焊接工藝是一個動態(tài)變化的舞臺。工廠必須警惕可能出現(xiàn)的各種問題以避免出現(xiàn)工藝失控，同時也還需要不斷地改進工藝，以使產(chǎn)品的質(zhì)量和合格晶率不斷得到提高。對于任何無鉛焊接工藝來說，改進焊接材料，以及更新設(shè)備都可改進產(chǎn)品的焊接性能。

  總結(jié)言論

   通孔回流焊在很多方面可以替代波峰焊來實現(xiàn)對插裝元件的焊接，特別是在處理焊接面上分布有高密度貼片元件(或有線間距D)的插件焊點的焊接，這時傳統(tǒng)的波峰焊接已無能為力，另外通孔回流焊能極大地提高焊接質(zhì)量，這足以彌補其設(shè)備昂貴的不足。通孔回流焊的出現(xiàn)，對于豐富焊接手段、提高線路板組裝密度(可在焊接面分布高密度貼片元件)、提升焊接質(zhì)量、降低工藝流程，都大有幫助�？梢灶A(yù)見，通孔回流焊將在未來的電子組裝中發(fā)揮日益重要的作用。

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