混装型印制板组件的通孔回流焊接工艺研究

杨小健 沈 丽 於德雪 张 琪



混装型印制板组件的通孔回流焊接工艺研究

杨小健 沈 丽 於德雪 张 琪

（北京计算机技术及应用研究所，北京 100854）

介绍了混装型印制板组件的通孔回流焊接工艺技术。首先选用可用于回流焊接的表贴和通孔器件制作试验板，继而开展了焊膏印刷模板优化设计和印刷工艺参数研究；采用预成型焊片进行焊锡量补偿的方法，解决了传统通孔回流焊接工艺中通孔器件焊点焊锡量不足的问题；明确了通孔器件的插装要求，合理设计了混装回流焊接工艺参数。完成了试验板的组装和焊接，形成的焊点形态良好，孔内焊料结晶组织均匀，填充率达到100%，焊点质量满足要求。

通孔回流焊接；模板设计；焊片；焊膏量

1 引言

随着电子产品向小型化、多功能和高性能方向的发展，使印制板组件上的元器件密度越来越高，组装工艺以表面贴装为主的回流焊接工艺方式[1，2]。然而，军品对印制板组件有高可靠性、高强度等适用性要求，设计上仍然会使用一定数量的耐高温通孔插装器件，使印制板组件形成以表面贴装器件为主，部分通孔插装器件为辅的混装形式。目前混装印制板组件采用的组装工艺方法是先回流焊接表贴器件，再手工装焊通孔器件，造成产品周转环节多、加工周期长和焊接质量难以保证等问题。通孔回流焊接工艺非常适用于混装型印制板组件产品，能使表贴器件和通孔器件一次焊接而成，减少一次焊接环节，印制板组件和器件受到的热冲击减少，不易变形；生产过程参数易控制，一致性好，产品质量可靠；中间环节少，生产效率高，降低了生产和质量控制成本[3]。

考虑使用通孔回流焊接工艺技术，选用军品常用表贴器件和耐高温通孔器件制作实验板，属于混装型印制板组件，通孔器件包括DIP封装的耐高温集成电路和接插件（引脚间距2.54mm），表贴器件包括常用的SOP封装器件以及CHIP封装的表贴电阻、表贴电容等器件。

2 通孔回流焊接模型

图1 理想通孔焊点模型示意图

通孔器件的焊盘除了有印制板上、下焊盘外，还有印制板厚度方向的通孔需要填满焊膏，而且在元件引脚与印制板两面焊盘的交接处还要形成半月形的焊点，因此需要的焊膏量约比表贴器件的焊膏量多3～4倍。理想通孔器件焊点包括器件面焊角、通孔、底面焊角，均需焊膏填充，如图1所示，每个引脚所需焊膏体积V按以下方法计算[4～6]：

其中：V——每个引脚所需焊锡体积；V——通孔内填充焊锡体积；1——器件面焊角+底面焊角；2——引脚体积。

把通孔器件面焊角、底面焊角当作平截头锥体，如图1所示。

计算出理想通孔器件每个焊点所需焊膏体积=2.5277mm3。

3 通孔回流焊接工艺实施

3.1 印刷模板优化设计

表贴器件需求的焊膏量小于通孔器件，在设计印刷模板厚度时需要两者兼顾，采用阶梯模板，表贴器件对应模板厚度0.125mm，通孔器件对应模板厚度0.15mm。通孔焊盘区域开口选择长方形形式，如图2a所示，尺寸长设定2.3mm，宽设定1.9mm，以增加印刷的焊膏量，同时为避免了焊膏深入器件本体底部形成锡珠，开口间隙0.254mm，避免了桥连缺陷，如图2b所示，表面元器件的模板设计按照IPC—7525《网板设计指南》进行设计。

图2 模板开口印刷后效果

3.2 焊膏印刷工艺研究

焊膏印刷的工艺参数主要有刮刀角度、刮刀压力、印刷速度、脱模速度和脱模距离等。脱模速度和脱模距离会影响焊膏边沿的清晰度，选择脱模速度1mm/s，脱模间距-0.1mm；刮刀角度依据阶梯模板的印刷经验，选择60°角度；印刷速度设定必须保证焊膏在迁移过程中处于滚动状态，一般印刷速度低，焊膏填充性好，为保证其孔内漏印的焊膏量大，印刷速度选择20mm/s，刮刀压力选择75N，试验板印刷效果如图3所示，焊盘上焊膏印刷的形状规则，没有焊膏桥连、拉尖和焊膏分离的现象，焊膏100%填充焊孔。但是，焊接后孔内焊锡量不足，无法形成合格焊点状态，如图4所示。

图3 焊膏印刷效果

图4 焊接效果

3.3 焊锡量补偿方法研究

3.3.1 焊锡量理论计算

按模板厚度、模板开口尺寸、印刷参数印刷后，印制板组件通孔器件焊盘孔沉积的焊锡总量V：

V=(3+4)

其中：V——焊盘孔沉积的焊锡总量；3——焊盘表面沉积焊膏量；4——焊盘孔内沉积的焊膏量；——焊膏中焊锡金属的体积分数，使用的焊膏（63Sn37Pb）金属体积分数为80%。

混装型印制板组件通孔器件焊盘孔沉积的焊锡总量V=1.54176mm3，与所需焊膏体积=2.5277mm3相比，印刷后的焊锡量不满足通孔焊点填充率100%的要求，需补偿焊锡量0.98594 mm3。

3.3.2 焊锡量补偿方法实施

采用预成型焊片进行焊锡量补偿，如图5所示，焊片厚度0.3mm，外径2.2mm，内径0.6mm，焊锡量1.05504mm3，满足需要补偿的焊锡量。焊片统一模具批量加工成型，尺寸外观一致性好，并且焊片可以编带，满足贴片机贴片的要求，在焊膏印刷后采用全自动贴片机对每个通孔焊盘上贴放焊片，生产效率高，回流焊接后器件引脚与印制板两面焊盘的交接处形成了很好的焊点形态，通孔内焊锡填充率达到100%，如图6所示。

图5 预成型焊片

图6 预成型焊片使用效果

3.4 通孔器件插装工艺

通孔器件引脚伸出印制板板面长度对焊盘孔焊锡填充率有着重要影响，长引脚会带走过多焊膏，甚至导致焊膏塌陷，造成焊点锡量不足。因此通孔器件引脚需预先剪切，保留伸出板面高度1.0～1.5mm内，插装后焊膏连续地覆盖在引脚和焊盘上，引脚带出的焊膏在焊接时由于表面张力可以将焊膏“拉回”，形成良好的焊点状态，如图7所示。

图7 合格插装效果

3.5 通孔回流焊接工艺研究

试验板采用有铅制程下的有铅、无铅混装工艺，峰值温度提高到228～235℃之间。由于通孔器件引脚焊接面较大、表贴器件引脚焊接面较小，回流焊接时要让两者之间的温度差尽量小；通孔器件正反面都要形成焊点状态，回流焊接时正反面温度差也要尽量小；通孔器件焊膏填充了整个焊盘孔，焊膏量较大，回流焊接时必须有足够的焊膏活化时间让气体挥发溢出，避免在孔内形成空洞，如果气体不能及时溢出，就会形成气泡，影响焊点强度，如图8所示。据此分析设置了温度曲线，如图9所示，通孔器件引脚正反面焊接温度差很小，正反面焊接温度均达到235℃。

图8 通孔回流焊接形成的气泡

图9 回流焊温度曲线测试

3.6 焊接质量检测

3.6.1 焊点形态检测

回流焊接后焊点质量的检测情况如图10所示，表面贴装器件和通孔插装器件焊点形态良好，焊接面光滑、明亮，无针孔，无非结晶状态；通孔插装器件焊接面和元件面都形成半月形的焊点，焊料润湿所有焊接面，形成良好的锡焊轮廓线，爬锡高度满足要求，焊点润湿角小于30°；通孔内焊料结晶组织均匀，填充率达100%，无空洞；板面无锡球、锡珠，整板焊接质量良好。

图10 焊点质量检测图

3.6.2 焊点强度分析

对通孔回流焊接引脚进行抗拉强度测试，测试结果见表1，所有测试点抗拉力值基本稳定，均大于90N，通孔器件波峰焊接焊点抗拉强度要求大于90N[7]，并且所有测试点断裂状态都是引脚断裂，如图11所示，说明其通孔焊点具有优良的抗拉强度。

表1 抗拉强度测试结果

图11 抗拉强度测试引脚断裂情况

3.6.3 微观结构分析

对焊接后试验板的通孔焊点进行微观结构分析，如图12所示，焊点微观结构组织均匀，形成了Cu6Sn5的金属间化合物（IMC），且厚度控制在1～4μm内，符合通孔器件合格焊点要求。

图12 通孔焊点的金属间化合物厚度及成分分析

4 结束语

本文研究了混装型印制板组件的通孔回流焊接工艺，将通孔器件装焊组合到表面组装工艺中，减少了一次焊接环节，使印制板组件和器件受到的热冲击减少；形成的表贴器件和通孔器件焊点形态良好，焊料润湿所有焊接面，形成良好的锡焊轮廓线，焊接面光滑、明亮，孔内焊料结晶组织均匀，填充率达到100%，焊接质量良好，有效提高产品的焊接质量及可靠性。

1 梁惠卿，唐缨，肖峰. SMT/THT混装回流焊工艺技术研究[J]. 电子工艺技术，2013，34(6)：359～362

2 张永忠. 无铅PBGA用含铅焊膏焊接的工艺研究[J]. 航天制造技术，2008(1)：25～28

3 刘少敏. 插装元件通孔回流焊工艺研究[J]. 电子工艺技术，2013，34(2)：22～52

4 张艳鹏，孙守红，王玉龙. 通孔回流焊过程中锡膏收缩因子的晶体学建模[J]. 电子工艺技术，2015，36(1)：21～24

5 张威，王春青，孙福江. 钎料量对通孔再流焊焊点强度的影响规律[J]. 电子工艺技术，2004，25(1)：17～19

6 李佳宾，白邈，杨京伟，等. 通孔器件引脚与过孔间距对焊点透锡的影响分析[J]. 航天制造技术，2016(5)：41～43

7 董景宇. 通孔再流焊技术[J]. 电子工艺技术，2004，25(5)：205～207

Study on Pin-through-hole Reflow Soldering Process of Mixed-mounting Printed Circuit Boards

Yang Xiaojian Shen Li Yu Dexue Zhang Qi

(Beijing Institute of Computer Technology and Application,Beijing 100854)

The pin-through-hole reflow soldering process of mixed-mounting printed circuit boards is described in details. Firstly, the test board is made by using SMCs and THCs, and the optimum design of solder printing stencil and the study of printing process parameters are carried out. Then, the method of the solder perform for solder paste volume compensation is specially designed to solve the problem of insufficient quantity of through-hole solder joints in the traditional through-hole reflow soldering process. The requirements for the insertion of through-hole devices are clarified, and the process parameters of mixed reflow soldering are reasonably designed. The mixed-mounting printed circuit boards are completed with good shape joints, uniform crystal structure of the solder in the holes and 100% filling rate. The quality of soldering joints is up to the quality requirements.

pin-through-hole reflow soldering；stencil design；solder perform；solder paste volume

杨小健（1986），工程师，应用化学专业；研究方向：电气互联工艺技术。

2018-04-02