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(duì)于安裝有過(guò)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(xì)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(diǎn)的措施是采用通孔回流焊接技(THRThrough-holeReflow)，又稱(chēng)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(guò)孔焊盤(pán)對(duì)齊，使用刮刀將模板上的錫膏漏印到焊盤(pán)上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件同時(shí)通過(guò)回流焊完成焊接。從中可以看出穿孔回流焊相對(duì)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(fèi)用，在效率上也得到了提高；其次回流焊相對(duì)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(guò)率。穿孔回流焊相對(duì)傳統(tǒng)工藝在生產(chǎn)效率、先進(jìn)性上都有很大優(yōu)勢(shì)。通孔回流焊接技術(shù)起源于日本SONY公司，20世紀(jì)90年代初已開(kāi)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(shí)也稱(chēng)作分類(lèi)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(gè)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(diǎn)的同時(shí)使用通孔插件來(lái)得到較好的機(jī)械聯(lián)接強(qiáng)度。對(duì)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(pán)接觸，同時(shí)，就算引腳和焊盤(pán)都能接觸上，它所提供的機(jī)械強(qiáng)度也往往是不夠大的，很容易在產(chǎn)品的使用中脫開(kāi)而成為故障點(diǎn)。 盡管通孔回流焊可發(fā)取得償還好處，但是在實(shí)際應(yīng)用中通孔回流焊仍有幾個(gè)缺點(diǎn)，錫膏量大，這樣會(huì)增加因助焊劑的揮了冷卻而產(chǎn)生對(duì)機(jī)器污染的程度，需要一個(gè)有效的助焊劑殘留清除裝置。通孔回流焊另外一點(diǎn)是許多連接器并沒(méi)有設(shè)計(jì)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(lái)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(qiáng)制對(duì)流通孔回流焊爐子，才有可能實(shí)現(xiàn)通孔回流，并且也得到實(shí)踐證明，剩下的問(wèn)題就是如何保證通孔中的錫膏與元件腳有一個(gè)適當(dāng)?shù)幕亓骱笢囟惹�線。隨著工藝與元件的改進(jìn)，通孔回流焊也會(huì)越來(lái)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(gè)方面來(lái)進(jìn)行探討。

  二、通孔回流焊接工藝的特點(diǎn)

  1. 通孔回流焊與波峰焊相比的優(yōu)點(diǎn)

  (1)通孔回流焊焊接質(zhì)量好，不良比率PPM(百萬(wàn)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(jì)無(wú)須像波峰焊工藝那樣特別考慮。

  (4)工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備操作簡(jiǎn)單。

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

  (6)無(wú)錫渣問(wèn)題。

  (7)機(jī)器為全封閉式，干凈，生產(chǎn)車(chē)間里無(wú)異味。

  (8)通孔回流焊設(shè)備管理及保養(yǎng)簡(jiǎn)單。

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

  (1O)在回流時(shí)，采用特別模板，各焊接點(diǎn)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(diǎn)：

  (1)此工藝由于采用了焊膏，焊料的價(jià)格成本相對(duì)波峰焊的錫條較高。

  (2)須訂制特別的專(zhuān)用模板，價(jià)格較貴。而且每個(gè)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(huì)損壞不耐高溫的元件。在選擇元件時(shí)，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(guò)回流焊爐時(shí)，A上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方法，來(lái)分析某個(gè)元件在整個(gè)回流焊過(guò)程中的溫度變化情況。這對(duì)于獲得最佳的可焊性，避免由于超溫而對(duì)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(lái)，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(dá)到第二個(gè)特定目標(biāo)，但升溫速率要控制在適當(dāng)范圍以?xún)?nèi)，如果過(guò)快，會(huì)產(chǎn)生熱沖擊，電路板和元件都可能受損；過(guò)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(duì)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(diǎn)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(gè)區(qū)域里給予足夠的時(shí)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(pán)、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個(gè)電路板的溫度達(dá)到平衡。應(yīng)注意的是A上所有元件在這一段結(jié)束時(shí)應(yīng)具有相同的溫度，否則進(jìn)入到回流段將會(huì)因?yàn)楦鞑糠譁囟炔痪�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(diǎn)溫度加上20-40℃。對(duì)于熔點(diǎn)為183℃的63Sn／37Pb焊膏和熔點(diǎn)為179℃的Sn62／Pb36／Ag2焊膏，峰值溫度一般為210-230℃，再流時(shí)間不要過(guò)長(zhǎng)，以防對(duì)A造成不良影響。理想的溫度曲線是超過(guò)焊錫熔點(diǎn)的“尖端區(qū)”覆蓋的面積最小。溫度上升到焊膏熔點(diǎn)，且保持一定的時(shí)間，使焊膏完全熔化，回流焊最高溫度在200～230℃。在178℃以上的時(shí)問(wèn)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(rùn)濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來(lái)進(jìn)行冷卻，這樣將有助于得到明亮的焊點(diǎn)并有好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會(huì)導(dǎo)致電路板的更多分解而進(jìn)入錫中，從而產(chǎn)生灰暗毛糙的焊點(diǎn)。在極端的情形下，它能引起沾錫不良和減弱焊點(diǎn)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(diǎn)，并將線路板冷卻至常溫。

  三、生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生不良現(xiàn)象

  1.橋聯(lián)

  回流焊焊接加熱過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生焊料塌邊，這個(gè)情況出現(xiàn)在預(yù)熱和主加熱兩種場(chǎng)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(huì)降低粘度而流出，如果其流出的趨勢(shì)是十分強(qiáng)烈的，會(huì)同時(shí)將焊料顆粒擠出焊區(qū)外的含金顆粒，在熔融時(shí)如不能返回到焊區(qū)內(nèi)，也會(huì)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(jì)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(huì)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?yàn)榧睙崾乖�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(rùn)，而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤(rùn)不良，這樣促進(jìn)了元件的翹立。因此，回流焊加熱時(shí)要從時(shí)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(diǎn)：

  ①選擇粘接力強(qiáng)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(rùn)性和濕潤(rùn)穩(wěn)定性。推薦：溫度40℃以下，濕度70％RH以下，進(jìn)廠元件的使用期不可超過(guò)6個(gè)月；

  ③采用小的焊區(qū)寬度尺寸，以減少焊料熔融時(shí)對(duì)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?xiàng)l件設(shè)定也是元件翹立的一個(gè)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(dòng)。

  3.潤(rùn)濕不良

   潤(rùn)濕不良是指回流焊焊接過(guò)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(rùn)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(huì)產(chǎn)生潤(rùn)濕不良。另外焊料中殘留的鋁、鋅、鎘等超過(guò)0．005％以上時(shí)，由于焊劑的吸濕作用使活化程度降低，也可發(fā)生潤(rùn)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(wú)鉛焊接的五個(gè)步驟：

  1）選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾头椒?/p>

   在無(wú)鉛焊接工藝中，焊接材料的選擇是最具挑戰(zhàn)性的。因?yàn)閷?duì)于無(wú)鉛焊接工藝來(lái)說(shuō)，無(wú)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(shí)還要考慮到焊接元件的類(lèi)型、線路板的類(lèi)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(jī)構(gòu)或文獻(xiàn)推薦的，或是已有使用的經(jīng)驗(yàn)。把這些材料列成表以備在工藝試驗(yàn)中進(jìn)行試驗(yàn)，以對(duì)它們進(jìn)行深入的研究，了解其對(duì)工藝的各方面的影響。

   對(duì)于焊接方法，要根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，如元件類(lèi)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(duì)于表面安裝元件的焊接，需采用回流焊的方法；對(duì)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(lái)進(jìn)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(gè)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(wú)鉛回流焊焊接的整個(gè)過(guò)程比含鉛焊料的要長(zhǎng)，而且所需的焊接溫度要高，這是由于無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)比含鉛焊料的高，而它的浸潤(rùn)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(lèi)型就確定了。這時(shí)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(jìn)行升級(jí)。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(duì)所選的焊接材料進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)確定工藝路線和工藝條件。在試驗(yàn)中，需要對(duì)列表選出的焊接材料進(jìn)行充分的試驗(yàn)，以了解其特性及對(duì)工藝的影響。這一步的目的是開(kāi)發(fā)出無(wú)鉛焊接的樣品。

  3）開(kāi)發(fā)健全焊接工藝

   這一步是第二步的繼續(xù)。它是對(duì)第二步在工藝試驗(yàn)中收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而改進(jìn)材料、設(shè)備或改變工藝，以便獲得在實(shí)驗(yàn)室條件下的健全工藝。在這一步還要弄清無(wú)鉛合金焊接工藝可能產(chǎn)生的沾染知道如何預(yù)防、測(cè)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(jìn)行比較。通過(guò)這些研究，就可開(kāi)發(fā)出焊接工藝的檢查和程序，同時(shí)也可找出一些工藝失控的處理方法。

  4）還需要對(duì)焊接樣品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，以鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量是否達(dá)到要求。如果達(dá)不到要求，需找出原因并進(jìn)行解決，直到達(dá)到要求為止。一旦焊接產(chǎn)品的可靠性達(dá)到要求，無(wú)鉛焊接工藝的開(kāi)發(fā)就獲得成功，這個(gè)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(shí)，仍需要對(duì)工藝進(jìn)行以維持工藝處于受控狀態(tài)。

  5 ）控制和改進(jìn)工藝

   無(wú)鉛焊接工藝是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的舞臺(tái)。工廠必須警惕可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題以避免出現(xiàn)工藝失控，同時(shí)也還需要不斷地改進(jìn)工藝，以使產(chǎn)品的質(zhì)量和合格晶率不斷得到提高。對(duì)于任何無(wú)鉛焊接工藝來(lái)說(shuō)，改進(jìn)焊接材料，以及更新設(shè)備都可改進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)的焊接，這時(shí)傳統(tǒng)的波峰焊接已無(wú)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(bǔ)其設(shè)備昂貴的不足。通孔回流焊的出現(xiàn)，對(duì)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(jiàn)，通孔回流焊將在未來(lái)的電子組裝中發(fā)揮日益重要的作用。

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