通孔再流焊接技術的知識總介：

1 引 言

目前PCB組裝中，表面貼裝元件約占800／0，成本為60％，而穿孔元件約占20％，成本為40％。這種混合板采用傳統再流焊技術是不能進行焊接，需采用再流焊與波峰焊兩道工序。然而波峰焊接技術被應用于過孔插裝元件(THD)印制板組件的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；印制板受到較大熱沖擊易翹曲變形。

為了適應表面組裝技術的發展，解決以上焊接難點，通孔再流焊接技術得到應用，可以實現一道工序完成焊接。通孔再流焊接技術(THR，Through-hole Reflow)，又稱為穿孔再流焊PIHR(Pin-in-Hole Reflow)。該技術原理是在印制板完成貼片后，使用一種安裝有許多針管的特殊模板，調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焊膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件同時通過再流焊完成焊接。

通孔再流焊在很多方面可以替代波峰焊來實現對插裝元件的焊接，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SMD)的插件焊點的焊接，這此采用傳統的波峰焊接已無能為力，另外通孔再流焊能極大地提高焊接質量，這足以彌補其設備昂貴的不足。通孔再流焊的出現，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)、提升焊接質量、降低工藝流程，都大有幫助。

2 通孔再流焊(THR＆PIP)工藝過程

一般元件都可以加工成為表面貼裝元件，但是部分異型元件，如連接器、變壓器和屏蔽罩等，為了滿足機械強度和大電流需要，仍然需要加工成為接插元件，通孔式接插元件有較好的焊點機械強度。

接插元件應用于通孔再流焊工藝時應考慮2個問題：一為并不是所有接插元件都可以滿足通孔再流焊工藝需求，即元件材料不會因再流高溫而破壞，表1為可(不可)用于再流焊工藝的元件材料匯總；二是雖然通孔式接插元件可利用現有的SMT設備來組裝，但在許多產品中不能提供足夠的機械強度，而且在大面積PCB上，由于平整度的關系，很難使表面貼裝式接插元件的所有引腳都與焊盤有一個牢固的接觸，就需重新設計模板、再流焊溫度曲線及引腳與開孔直徑比例等。

通孔插裝元件主體須離開線路板表面至少0.5mm，防止元件插裝前后焊膏發生移動。元件引腳不要太長，通常長出板面1.0～1.5 mm就可以。此外，緊固件不可有太大的咬接力，因為表面貼裝設備通常只支持10～20 N的壓接力。

通孔再流焊生產工藝流程與SMT流程極其相似，即印刷焊膏于PCB通孔焊盤，放置插裝件，再流焊接。圖1為一單面通孔再流焊工藝過程示意圖。無論對于單面混裝板還是雙面混裝板，流程都相同。

3 通孔再流焊焊盤設計

通孔再流焊相鄰的通孔間距要求至少2.54 mm或以上，目的防止相互之間產生連錫從而導致相鄰的孔內少錫。焊盤孔徑設計要求見圖2，其中d為方形插針對角直徑，di為焊孔直徑，da為焊孔外徑。焊孔直徑設計要適當，當di<1mm時，焊膏印刷量易出現不足，而且如果元件是在板上過爐的話，空洞與少錫的現象會更嚴重，如果元件是在板下過爐的話，可以加大通孔PAD直徑或邊長來補充錫量，這樣一般不太會有空洞和少錫現象；當di>2 mm時，焊膏容易從通孔漏掉造成空洞、少錫現象。焊孔直徑di一般比插針直徑d大0.2～0.3 mm，如果連接器端子較少，焊孔直徑可以稍小一些。為增加焊膏量，焊孔外徑一般比焊孔直徑大30％～50％來補充，或焊盤設計為爪形，伸出的部分盡量長。

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4 焊膏涂覆工藝

通孔再流焊技術的關鍵問題是由于焊點結構不同，導致通孔焊點所需焊膏量要比表面貼裝焊點所需焊膏量大，采用模板印刷的方法不能同時滿足通孔元件及表面貼裝元件所需焊膏量。要獲得良好的焊接效果，就要確保通孔再流焊基板各通孔焊盤上焊膏量恰到好處，否則會出現填錫不足等缺陷，如圖3所示，導致在機械載荷作用下焊點強度會降低。

模板厚度一定尺寸一定時，為了滿足足夠的焊膏量，一般可以通過改變印刷參數來控制或采用分級模板印刷技術。模板如果太厚可以印刷兩次，第一次專印通孔部分，第二次全部印刷一次。焊膏印刷量與通孔的下表面保持水平即可，如果太多，當元件插入孔中時，一部分焊膏被擠出。在未焊接前，這一部分錫可能會掉下來而帶走孔中的一部分錫。

傳統模板設計和焊膏印刷技術的有機結合，可以改善通孔再流焊印刷工藝，比如改進印刷圖案，擴大印刷面積，如圖4所示。焊點所需合金體積必須根據引線形狀、通孔直徑、和基板厚度來確定要填充的釬料量，然后按所要求的填充百分比計算所需要的焊膏數量。估計焊膏中的金屬含量大約為體積的50％，計算公式如下：

8MR Yr:E!WVs=(Vh-Vl)×2 (1)

其中：Vs為填充通孔所需焊膏的體積，Vh為通孔的體積，Vl為引腳插入通孔部分的體積。 2U)H/r6_ys  

所需印刷面積印刷合計體積乘以調整系數F，其一般為0.6～1.O。但是這種方法容易受網板開孔"縱橫比"的影響，還是不能大大滿足要求。

上面計算的只是填滿通孔所需要的焊膏體積，而通常我們追求的焊點形態不僅是填滿通孔，釬料在引腳上還應有一定的爬升，在焊盤上形成一定的潤濕圓角。參照圖5，焊盤上圓角焊膏體積計算公式為：(F3w9L4l6G0P,MVf=A×2πX=0.125r2×2(0.2234×r+a)(2)

其中：A為圓角截面積，X為圓角帶重力中心，r為圓角半徑，a為引腳半徑。那么Vs與Vf的和才是一個理想焊點成型所需要的焊膏體積。

傳統技術不能保證施放所需的焊膏量形成合適的焊點，焊料預成型與焊膏相結合解決了滿足通孔元件的焊點要求。焊料預成型是把軋制的焊料帶沖壓成期望的尺寸，進而按要求制成不同的形狀和大小。組裝時在插裝部位印刷焊膏，將預制件貼裝在焊膏中，然后插裝通孔元件進行再流焊。這種方法很好地解決了焊膏施放量，但是難以進行高密度組裝。 新型的焊膏涂覆技術很好地解決了上述2方面的問題，一是采用如圖6所示的分級模板技術，二是采用如圖7右圖的封閉壓力系統。分級模板技術可采用0.15～0.25 mm厚的分級模板進行印刷，常選擇類型3粉末，網板材料一般為不銹鋼和鎳，近年來多種塑料材料也漸漸被人所接收。使用聚合物箔片制造標準的SMT網板，可以制成厚度大于8mm的網板，實現單一厚度的網板在單次印刷行程中印刷涂覆量不同的焊膏。封閉壓力系統可明顯提高材料的傳送能力，達100％的填充率，在印刷小孔徑比開口、要求印刷大量焊膏和在通孔中施加焊膏等應用時，它具有許多優點。噴嘴中焊膏流速與釬料直徑有一定關系：松香基焊膏，釬料直徑與流速關系很大；高分子材料基焊膏，釬料直徑與流速關系很小。  

印刷釬料量由模板開孔形狀、尺寸和厚度來控制，刮刀的速度、壓力和分離速度也是決定焊膏印刷量的重要指標。圖7為刮刀系統與封閉壓力系統印刷工藝對比，刮刀系統可以通過減小刮刀角度來增加焊膏施放量，封閉壓力系統可以增加垂直壓力來增加焊膏施放量，根據IPC-A-610C要求出孔焊膏量為l～1.5 mm，如圖8所示。                                   

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5 元件貼裝工藝    

 通孔再流焊技術對元件要求嚴格，許多通孔元件設計一般是根據手工焊和波峰焊工藝設計的，對元件外包材料沒有什么特殊要求，不能經受再流焊高溫的熱沖擊，比如鋁電解電容和國產的一些塑封元件。因此選擇時要看是否適合更高溫度的工作條件、能否配合視覺系統、針型柵格、高度及重量、定位和底座受力、端子形狀、PCB布局、焊膏應用及再流等，元件成本有所增加。另外，不規則形狀元件的自動安裝需用新一代的取放機處理，并提供更強的底座受力，進料器和自動包裝也需進行相應的改進，這會帶來更高的成本和技術。

   通孔再流焊元件插裝時，引腳長度和錐形引腳端部形狀對插件后的焊膏量也會有較大影響。元件引腳穿出電路板太長時，引腳端部會帶走一部分焊膏，這部分焊膏可能會脫落造成少錫或者焊后在端子的末端殘留有大的釬料球。因此，應該規定引腳伸出長度。元件引腳的最大允許長度取決于基板的厚度、釬料量、引線表面質量，而且常常必須由給定的組件通過實驗方法確定。引腳端部形狀也會對影響到焊膏量，錐形端子比平頭端子帶走焊膏量要少。

  由于很多通孔再流焊元件不適于機器插裝，故通孔必須足夠大以易于手工插裝。這里存在一個偏心的問題，即插裝位置是否對焊點形態有影響。在波峰焊工藝中，波峰能給通孔提供充足的釬料量，即使插件引腳偏心，在焊接過程中也會發生自校準效應，使引腳居于通孔中心。而采用通孔再流焊工藝，通孔中釬料受熱不均勻，先受熱的釬料發生熔融并在引腳與鍍銅孔上潤濕鋪展，使得引腳的四面受到不均勻力的作用而被拉到孔壁一側，并且由于釬料量不足，使釬料不能爬升到焊盤處，因而不會產牛自校準作用，這樣冷卻后會產生引腳偏心的焊點。也就是說引腳的偏心只與釬料量及焊接工藝有關，而與插件的位置關系不大。

6 再流焊工藝

紅外再流焊爐不能用于通孔再流焊，因為它沒有考慮到熱傳遞效應對于大塊元件與幾何形狀復雜的元件(比如有遮蔽效應的元件)的不同。強制熱風再流焊爐有著極高的熱傳遞效率，可用于通孔再流焊技術。再流焊溫度曲線要合適，溫度設置太高會導致元件損壞，太低會導致焊膏不能完全溶化。圖10為通孔再流焊技術中焊膏熔化形成焊點的全過程。

選擇的焊膏必須要求活性較高，否則少錫現象是避免不了的，這一點非常重要。再流工藝曲線的設置，潤濕階段時間不要過長，從潤濕到峰值溫度的曲線要很陡，當然不能超過一般元件所能承受的最大溫升率。另外，由于通孔中的焊膏量比貼裝焊盤上涂敷的焊膏量大得多，再流焊時會有大量的助焊劑揮發，再流焊爐的助焊劑回收系統要好，排廢氣能力要強，風速可調到最高，爐保養頻率需要增加。

 剝離現象是無鉛工藝中出現影響可靠性的新問題(圖11)。元件和電路板焊盤鍍層容易產生剝離現象，焊點脫離焊盤；某些情況下焊點與焊盤不分離，但是焊盤和PCB分離，原因是由于焊點凝固的不同時性使內部產生了應力。厚板通孔再流焊技術中，合金中鉛的污染容易產生這種現象，但在現在的無鉛焊接中也出現，可能的導致原因是鉛的污染或非共晶合金的熱膨脹和收縮。對通孔再流焊來說焊盤尺寸對焊點強度幾乎沒有影響，而通孔對承載強度有很大的影響。剝離現象不會對焊點強度造成嚴重影響，但工藝中要求防止剝離出現，可通過減小焊盤尺寸或采用如圖12所示結構(阻焊層將焊盤覆蓋一部分)來防止焊盤與PCB剝離。

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7 焊點質量評價標準

    通孔再流焊具有很高的機械強度，即使焊點填充率為30％～40%。從焊點強度方面來講，通孔再流焊中存在與波峰焊強度相當的臨界質量分數。臨界釬料量的大小與印制板電路的厚度有關：厚度越大，臨界釬料量越小。

焊接質量可以采用焊點形態來判斷：當達到臨界釬料量時，焊點外觀上沒有空洞，強度與波峰焊相當。檢查焊點主要看兩處：通孔被填滿的程度及焊料球形區域外圍浸潤性。IPC-A-610C規定：理想的通孔再流焊點應該達到100％或至少75％的填充率(圖13)；焊料外圍浸潤性的最低條件是焊料球和外圍浸潤都需要檢查，當新月形在電路板兩面都產生且兩面球形的外圍浸潤接近360℃(最低270℃)時就算滿足要求。

 通常，孔填充不良往往是工藝或元件有問題的征兆，它給可靠性帶來不利影響。而這種假定不適合通孔再流焊工藝，因為在通孔再流焊時每個焊點獲得的釬料是有限的。釬料填充程度不可作為軟釬料可焊性好壞的指標。 再流焊點的不同外觀不是廢品或返修的原因。應該考慮釬料在每根引線上的均勻分布和釬料對引線和孔壁的良好潤濕。

8 存在的一些問題

 通孔再流焊前端工藝會遇到一些問題：舊的波峰焊基板由于孔太大而不能用于THR工藝，但由于有細間距的表面貼裝器件，不能使用更厚的模板。當采用分級模板的方法，使用較厚的模板時還會在貼裝元件所需要的時間內，為通孔元件所印刷的焊膏出現坍落而互連。許多通孔元器件(尤其是插接件)并非設計成可以承受再流焊的高溫。要得到良好的焊接效果，問題的關鍵在于：一是要確保通孔再流焊基板各部分的焊膏量都恰到好處，否則會出現填錫不足，二是注意那些不能承受溫度變化與遮蔽效應的元器件。 機器插裝工藝的關鍵問題是引腳的視覺校準。由于錫膏覆蓋插孔，一旦引腳彎曲并且第一次插裝不成功，就不可能使用孔來"搜索"。和元件原型比較并直接反射引腳，需要在插裝前檢查元件，檢查所有引腳和適當的插裝坐標，來保證第一次插裝是能夠完成的。

另外，通孔再流焊工藝焊膏用量特別大，助焊劑揮發后形成的殘留物很多，造成對機器的污染，助焊劑管理系統就顯得尤為重要；大量的助焊劑殘余限制ICT測試效率，要求選擇測試點的引入或采用探針可測試焊膏。

9 結論

通孔再流焊技術是將通孔元件結合到表面組裝工藝的一一種工藝方法，它相對于傳統工藝的優越性首先減少了波峰焊及手工補焊工序，提高了效率；其次增加了印制板電路的設計布局和空間，擴大了工藝設計窗口，提高了產品可靠性；再次相對波峰焊減少產生橋接的可能性，提高了一次通過率。通孔再流焊技術的日益盛行主要是因為可以大大節省成本，節省工藝流程，降低機械要求和占地面積。     通孔再流焊技術雖然存在不足之處，但只要通過適當的工藝設計和工藝過程控制，包括產品優化、布局設計規范和模板設計規范的改進等，通孔再流焊焊點質量與可靠性是可以與傳統替代工藝相媲美。 通孔再流焊技術發展的主要方向為工藝的優化與元件的改良。良好的工藝可以用來優化通孔再流焊，我國在生產調諧器和高技術、高附加值的一些通信產品已率先使用PIHR工藝，預計不久的將來這項技術將得到更廣泛的應用。