概要 被称作通孔回流焊(pin-in-paste)、或可替换装配和回流焊技术 (Alternative Assembly and Reflow Technology，AART) 的工艺目前引起了广泛的兴趣。AART工艺可同时对异形和通孔器件，以及表面贴装元器件进行回流焊。 这种工艺与包含有回流焊、波峰焊和／或手工焊的一般混合工艺过程相比，具有以下优势（但不限于此）：多种操作被简化成一种综合的工艺过程；需要的设备、材料和人员较少；可降低生产成本和缩短生产周期；可降低因波峰焊而造成的高缺陷率；可省去了一个或一个以上的热处理步骤，从而改善可焊性和电子组件的可靠性，等等。 在实施高效AART工艺之前必须考虑许多问题。高效工艺需要对材料、设计、正确互连形式，以及装配可靠性等工艺相关因素有科学的理解和系统的考量。例如，焊膏和元件本体树脂是重要的材料；组件的本体设计和网板开孔设计是设计领域中的关键参数；回流温度曲线和贴装方式是必须理解和加以控制的重要工艺参数。本文对成功实现AART工艺所遇到的许多重要问题进行了讨论。 引言 用于印刷线路板 (PCB) 组装的制造工艺步骤主要取决于装配中使用的特殊组件。由于产品越来越重视小型化、增加功能以及提高组件密度，许多单面和双面板都以表面贴装元器件 (SMC/SMD) 为主。但是，由于固有强度、可靠性和适用性等因素，在某些情况下，通孔器件仍然较 SMC/SMD具有优势，特别是边缘连接器。此外，时下的自动贴装设备一般可以贴装通孔／异形器件，并可为这些组件制作坚固的外壳。在以表面贴装型组件为主的电路板上使用通孔器件，其缺点是单个焊点费用很高，因为其中牵涉到额外的处理步骤，包括波峰焊、手工焊，或其它选择性焊接方法。就这类装配来说，关键在于能够在单一的综合工艺过程中为通孔和表面贴装元器件提供同步的回流焊。 通孔回流焊 (或AART) 工艺可实现在单一步骤中同时对通孔型器件和SMC/SMD器件进行回流焊。这种工艺的优点很多，减少额外工艺步骤和材料而带来的成本节省仅为其一。制造工艺所需的步骤取决于装配中使用的特殊组件。例如，计算机主板上带有大量的SMC/SMD (它占了所用组件的大部分)，以及数量有限的通孔型器件：连接器、分立组件、开关、通孔器件等。目前使用网板印刷和回流焊将SMC/SMD固定在PCB上，可以采用类似的工艺来完成通孔以及异形器件的互连。在许多情况下，使用AART工艺可以省去后续的波峰焊接操作。 本文重点是确定关键材料、设计，以及与 AART有关的工艺因素。基于焊膏特性、印刷参数、线路板等因素，我们开发出一种可以计算形成高质量焊点所需焊膏体积的灵活计算机程序。此外，本文还要讨论焊料沉积方法，以及组件贴装选项。简言之，我们将详细讨论成功实现AART工艺需要考虑的关键问题。 目标 本项研究的目的是确定对 AART 工艺质量有明显影响的各种因素，然后将这些因素划分为材料、设计或与工艺相关的因素，目的是介绍针对广泛课题的专业知识，揭示在实施高良率 AART 工艺之前必须清楚了解的关键问题。 考虑因素 以下是为了实现高效 AART 工艺而必须理解和描述的一系列主要因素，我们会对每一个因素作详细的讨论： bull; 普遍接受的通孔焊点要求 bull; 获得理想焊点的焊膏体积计算 bull; 影响所需体积 (AART体积模型) 的焊膏相关因素 bull; 焊料沉积方法包括网板印刷、自动点锡，以及预置焊料 bull; 组件设计和材料问题 bull; 网板厚度讨论、开孔设计指南、孔填充，以及增加锡量的过印方法 bull; 贴装问题和选项设置 bull; 回流温度曲线开发和建议 bull; 对于业界质量标准和评估方法的需求 普遍接受的焊点质量要求：普遍接受的焊点质量标准包括ANSI/J-STD-001B [1] (1996年10月) 和IPC-A-610C。根据分类 (1、2或3类)而定出目视检查 (visual inspection) 的最低可接受条件。企业可选择这样的标准作为质量评估的基础，或进行修改以适应其工艺过程。对于此项研究，焊点模型是一个完全充填的电镀通孔 (Plated Through Hole, PTH)，在PCB的顶部和底部带有焊接圆角。此模型在计算所需焊膏体积时采用，需要记住的是，在实施该项工艺之初便应确定质量衡量的标准。 获得理想焊点的焊膏体积计算：焊膏体积计算首先应使用理想的固态金属焊点。如上所述，所谓理想的焊点就是完整充填的PTH，在PCB顶部和底部带有焊接圆角。由于冶金方法、引脚条件、回流特点等因素的变化，无法准确地预测焊接圆角的形状。不过，使用圆半径描述焊脚是适当和简单的近似方法，这已经在先前的研究中 [2、3] 描述过。接着，将焊脚区域旋转以确定固态焊脚的体积。对于每个焊脚，该固态体积要乘以2 (顶部和底部)，并与PTH中的固态焊料体积相加 (减去引脚体积)，从而计算出一个高质量焊点的固态金属体积。所需焊膏的体积是合金类型、流量密度、以及焊膏中金属重量百分比的函数。下面将详细介绍用计算机正确计算焊膏体积的细节 (当用计算机算出固态金属体积后)。 影响所需体积 (AART体积模型) 的焊膏相关因素：简单地说，焊膏是由助焊剂和其内的金属小球构成。添加增稠剂、流变增强剂、改变助焊剂的化学性质等都可以改变焊膏的特性。焊膏的一项主要规格就是金属重量百分比。就网板印刷来说，基于对粘性的考虑，通常指定使用合金重量为90% 的焊膏。对于助焊剂密度为1g/cc、金属重量的90%一般为共晶型63Sn/37Pb 合金，需要比计算出的固态体积多沉积1.92倍的焊膏。焊膏内金属的体积部分为 52%，回流焊时，近一半的焊膏体积会变为助焊剂蒸气和残余物而丢失。 如果将这种降低因素与具有相同成分和助焊剂类型的常见点胶级焊膏（金属重量占85%）相比，要使用比计算出的固态焊料多2.46倍的焊膏。与网板印刷的焊膏相比，这个体积的增加是必须作出的折衷平衡，旨在减少金属成分，以增加焊膏的润湿能力。自动注射点胶机虽然拥有灵活性，但也带来了由于焊膏体积增加而导致成本增加和相应残留物增加的问题。 AART 体积模型通过一个下拉菜单向用户说明合金类型、助焊剂密度以及焊膏中的金属重量百分比。金属体积百分比、密度，以及焊膏减少因素都是自动计算的。该模型还有一个部分专门用于网板印刷工艺，向用户提供网板厚度、刮刀压力、印刷速度、刮刀角度等信息。使用这些参数，配合特定的孔尺寸和焊膏特性，来预测使用多少焊膏来充填PTH。 焊料沉积方法包括网板印刷、自动点焊膏，以及预置焊料：对于 AART 工艺，网板印刷是将焊膏沉积于 PCB 的首选方法。网板厚度是关键的参数，因为焊料体积与网板开孔面积和厚度是函数关系。使用钢质刮刀以限制相对较大的网板开孔的挖取 (scooping)情况，并增强通孔充填。正确的板支撑是实现可重复工艺的基础。如果需要，可使用设定的孔和沟槽进行板支撑的定制设计，以适应100% 以上的孔充填。另外，磁性柱也是一种选择。在任何情况下，对于给定的焊膏量, 必须清楚充填在PTH 的焊膏量与哪些因素相关。焊膏不应挤出通孔并污染板支撑和后来的装配组件。在焊接组件的定位孔时很容易发生这种现象，因为定位孔很大，而且往往会充填到板厚度的100% 以上。本文的网板设计部分将提供用于焊接定位孔的另一种可行方法。上述 AART 体积模型用于提供预计和控制孔充填的工艺变量。 根据生产的特定组件可使用不同的工艺步骤。最便利和最高成本效益的工艺是设计一个适合 SMC/SMD 和异形／通孔器件的网板。对于具有双排引脚的通孔器件，而焊膏涂层的大小和位置几乎没有空间限制的情况，可使用各种网板厚度。例如，网板设计人员可以选择最适合板上SMC/SMD的厚度。 需要的焊膏量一部分被印进 PTH，其余过印在 PCB 表面。对于既有需要较薄网板的SMC/SMD又有对焊膏量要求大的多列异形／通孔器件的情况，可能需要两次网板印刷工艺。这个工艺过程必须使用两台排成一列的网板印刷机。第一块网板将焊膏印刷在表面贴装焊盘上；第二块网板 (较厚的)的底部错开第一次印刷的位置, 不影响前次印好的焊膏。此外，还有第三种选择，就是采用阶梯网板，其中较厚的区域专为通孔器件而设。所选择的工艺随特定装配的技术组合状况而改变。最后，进行回流焊接 [4]。在这里，我们采用了混合的 Sn63/Pb37 焊膏与较低熔点 (熔点为165℃) 的Sn43/Pb43/Bi14 焊膏。结果显示，该方法在获得足够焊接强度的同时，对器件的热冲击较小，而且操作成本也较低。 自动点焊膏成功地为通孔和异形组件沉积体积正确的焊膏。它提供了网板印刷可能无法实现的大量焊膏沉积的灵活性和能力。现今自动点胶设备的速度对于许多应用都颇具吸引力。当处理厚度超过 0.062 英寸标准的线路板 (如底板)时，这一点尤为重要。自动点胶设备常常应用于专有应用或原型应用；此外，该技术也能将焊膏沉积于已经进行部分装配的线路板。为裸露的 PTH [5] 点焊膏时，我们建议使用比PTH直径略大的喷嘴。这样，在点焊膏时强迫焊膏紧贴 PTH 的孔壁，并使材料从 PTH 的底部稍稍挤出，然后从点焊膏相反的方向将组件插入。如果使用比 PTH 直径小的喷嘴，焊膏会从孔中排出并造成严重的焊膏损失。另一种工艺步骤就是插入组件并从引脚涂敷焊膏。喷嘴被设计成围绕组件引脚的弯形。焊膏被挤向引脚周围并进入 PTH。可使用容积式和阿基米得型泵进行点焊膏。这两种泵是AART研究中的较热的研究区域。 预留焊料(solder preform) 是提供形成高质量互连所需焊料体积的另一种选择。一些公司提供引脚敷有焊料和助焊剂的组件，带助焊剂的焊料附着于引脚上。整个工艺的步骤就是贴放组件并进行回流焊。回流焊时，附着的焊料熔化，焊料流进 PTH并湿润组件的引脚。这些组件目前正被评估是否合适作为传统通孔回流工艺的替代品。这项技术的成功对于体积关健性应用具有很大的吸引力，但引脚与孔的间隙已成关键, 因为金属已经处于固态形式。此外，预算焊料体积为那些不清楚如何获得合适焊膏充填量的人员提供第二种好处。 组件设计和材料问题 由于通孔和异形组件将要经过整个回流温度曲线，所以它们必须承受高的温度。组件应该采用那些在 183℃ (最好是220℃ 达 60 秒) 以上、峰值温度 240℃、60至 90 秒钟内不发生劣化的树脂制造。UL 94 V-O 可燃性和其它塑料界树脂标准，有助于制造商生产出可靠的组件。组件制造商还需要有关弯曲、尺寸稳定性、收缩和介电特性等方面的标准。[6] 组件尺寸发生变化的温度范围至今仍不能好好定义，而组件在回流焊炉中的取向问题也得考虑，尤其是对于存储器模块等长和薄型组件。以下是一系列能够承受回流焊温度的树脂 [3, 6]。 bull; 液晶聚合物 (LCP) － 相对昂贵，在薄壁铸模中能保持紧密公差，并具有很好的薄壁硬度 (对于存储器模块等应用十分重要) bull; 聚亚苯基硫化物 (PPS) － 具有很好的流动性 bull; 聚二甲基环化己烯对苯二酸酯 (PCT） bull; Polyphthalamide (PPA) 很多组件制造商提供使用适于回流焊树脂制造的通孔组件。这种高温适应性是明显关注外观和可靠性工艺的一项基本条件。 另一项组件要求是组件距离 PCB 表面具有足够和正确定位的离板间隙。离板间隙可使熔化的焊膏从其印刷位置自由地流向 PTH。离板间隙不应加入和／或阻碍印刷敷层，也不应加入和／或阻碍组件的其它部分。锡珠和／或桥连是由不正确的组件壳体设计而引发的缺陷。在设计网板穿孔时必须考虑组件设计。这项要求相当重要，并且是成功工艺的另一个基本要求，这由实验数据和经验提供支持。 一些组件如微型 DIN 连接器 (插 PC 鼠标用) 是屏蔽型的。金属屏蔽属于可焊表面。如果焊膏敷层触及该材料，就有可能造成焊料湿润组件壳体而非 PTH和引脚。但必须注意的是套印焊膏敷层在回流焊时，在被拖回至 PTH 时会时而变短、时而变高，高度的增加会导致焊膏敷层与可焊的屏蔽部分接触。因此，我们再次强调，在确定焊膏敷层位置时必须考虑组件的设计。 在双面回流焊，以及组件引脚涂敷焊膏的情况下，组件必须具有在处理过程中牢固定位的保持能力。但是如果使用自动插件机，就不一定需要把保持孔钻成大孔。 在质量标准允许的情况下超出 PCB 底部的组件引脚长度应该尽量短。该长度不应超过 0.04英寸到0.05英寸。如果引脚暴露的长度过大，引脚端的焊膏会掉落，或在回流焊时在引脚端形成焊球。最理想的伸出长度是接近于零。在这种情况下，电镀通孔中的焊膏不会损失，而体积计算也近乎完美。有一点必须注意的是，随着温度升高，焊膏的粘性会下降得非常快。如果引脚端有锡珠，它有可能会落在预热区域，而体积便会损失。如果不能控制引脚暴露的长度，那么解决方法之一是在体积模型中创建安全因数。 网板厚度讨论、网板开孔设计指南、孔填充、以及套印 选择网板厚度必须经过仔细的考虑。一般使用 0.006英寸或0.008英寸的厚度，因为对于多数表面贴装工艺来说，这是普遍使用的厚度。有一点必须认识的，是钢网开孔面积是组件间距、列数、以及相邻印锡间距的函数。对于引脚间距为0.1英寸的两列引脚组件 (如25脚DSUB连接器)，可方便地使用几乎任何合理的网板厚度进行处理。就四列引脚、2mm间距的存储器模块而言，网板厚度选择已渐渐成为一项挑战。在这些情况下，可能必须使用先前讨论的较厚网板或其它工艺，或修改质量标准。 谈到通孔充填的可变性，钢网开孔在 PTH 上的置放是非常重要的。如果网孔偏移 PTH 边缘，可以观察到通孔充填的变化高达 20%。在设计网板穿孔时，重要的是要考虑刮刀的印刷方向。对于较小直径 PTH，这种作用更明显，并且归因为两列 PTH 上的穿孔间隙不均衡。焊膏有差别地充填穿孔，这使得邻近的两列PTH 通孔充填状况不同。如果将印刷方向旋转 90度便可消除这种作用，使用该印刷方向，穿孔在 PTH 上的间隙是均匀的。 相邻印锡间距对于在回流焊时保持分开的焊膏沉积，避免焊料不足等方面是十分重要的。分开的印锡是另一项基本工艺要求。如果相邻印锡碰在一起，最热点将从其它区域吸收焊料，而分开的印锡则不会发生这种现象。焊膏加热时有坍塌或溢散的趋势，并且粘度降低。坍塌量大体是特定焊膏的函数。可进行统计方式设计实验来将印锡区域、高度及焊膏配方与相邻印锡间距联系起来。接着，便开发一个改良的温度曲线，使焊膏图案保持到达到回流温度之前，再检查网板的坍塌程度和网板穿孔，从而建立网板间距设计指引。 根据 AART 体积模型中的几种变量，如果网板穿孔位于通孔之上，PTH 将不同程度地充填焊膏。焊料体积的余额 (PTH必需的量) 必须被套印在 PCB 表面上。超出 0.35 英寸的焊膏被套印在线路板表面，成功地进行回流焊并形成互连。 绘制涂敷焊料体积相对于通孔充填百分比的曲线，可以很好地描述要了解焊膏通孔充填的重要性。这个示例显示根据焊膏通孔充填的程度，焊料体积可以从不足到超出，其计算是根据组件引脚尺寸和两个通孔尺寸 (0.042 和 0.046) 而得出。本例中套印穿孔提供所需焊膏体积的 65%，该比例对于多列连接器是正常的。从图中可见，50% 的通孔充填是最佳的。如果 PTH 充填小于此比例，焊点可能比理想尺寸要小；如果孔充填超出这一数量，互连则可能超出正常值。 当套印区域受限或者使用薄网板时，孔充填尤为重要。多列组件会限制套印穿孔的面积；另外，必须包含列至列间距也会进一步影响该面积。但描述孔充填是十分重要的。 如电镀保持孔等特大孔在其整个直径范围不应有完全的网板开孔。如果必须焊接保持特征，应该使用分解饼形。圆形区域应该分裂成四个饼形部分，在孔的边缘形成倾斜；或者如果空间允许，将保持孔完全封闭，并完全套印焊膏敷层。 贴装问题和选项 业界对通孔技术重燃兴趣的原因之一，就是在于自动贴装设备能够贴装异形和通孔组件。组件可采用管式、卷轴式、盘式等包装，送料器直接安装在贴装机上。这些机器使用机械搜索程序和视像检查来判定贴装位置。焊膏印刷 PCB 最好采用视像方式，因为机械搜索程序会损坏焊膏敷层。自动贴装具有精确、可靠和高速的优点，而且可以进行自动贴装的组件也越来越多。 手工贴装是次一级的组件贴装选择。PCB 上的组件图形、如保持夹等定位特征有助于对位。对于高引脚数组件，这些变得越来越重要。手工贴装的两项益处在于没有设置时间并且没有设置成本。手工贴装的缺点在于速度低，并且精度不稳定。 回流温度曲线开发和建议 回流炉必须能够为整个组件和所有引脚位置提供足够的热量 (温度)。与组件上装配的其它SMC/SMD相比，许多异形／通孔器件较高和／或具有较大的热容。对于AART应用，一般认为强制对流系统优于IR。分开的顶部和底部加热控制也有助于降低 PCB 组件上的 Delta;T。对于带有高堆叠25脚 DSUB 连接器 (1.5英寸高) 的计算机主板，组件壳体温度高得不能接受。解决这个问题的方法是增加底部温度而降低顶部温度。液相线之上的时间应该足够长，从而使助焊剂从 PTH中挥发，可能比标准温度曲线要长。截面切片分析可能很重要，以确认回流焊温度曲线的正确性。此外，还必须仔细测量组件上的峰值温度和热梯度并严加控制。 对于业界质量标准和评估方法的需求 没人能回答这个问题的关键因素之一：是如何构成合格的焊点？在什么情况下AART互连需要返工？ (顺带说一下，这可能弊大于利)。因此业界必须建立共识，而共识需由焊点强度和可靠性数据支持，决定与理想焊点偏差的可接受百分比是多少。目前设计的实验 (进行中) 将研究以下情形，以便将 AART 焊点的强度和可靠性与波峰焊点的强度和可靠性联系起来。 使用理想焊料体积的20%、60% 和100%，对形成互连的形状、强度和可靠性进行评估。对使用免清洗、水溶性和波峰焊互连制成的组件进行寿命加速试验。采用威布尔分析 (Weibull analysis) 来比较寿命时间。使用有限元分析法来研究各种引脚尺寸和焊料体积。将建立视像检查标准来帮助确定焊点的好坏。这些研究的目的在于丰富知识和经验数据库，以便创建适于统计的合理质量标准。这可为其它同样致力于创建 AART 互连和业界质量标准的人们提供帮助。 总结 本文确定了在实施 AART 工艺之前或过程中需要考虑的关键问题。AART 工艺步骤提供了某些突出优点，包括能够同时进行 THC 和 SMC/SMD 回流焊；由于减少了工艺步骤而提高了产出 (非手工和／或波峰焊接)；以及减少场地使用面积等。工艺工程师需要考虑包括材料、工艺、设计和可靠性等方面的问题。材料相关因素与线路板、组件和焊膏相关；工艺相关问题将与通过印刷和／或点锡的焊膏敷层、组件插装和回流焊等因素有关；设计相关的问题包括网板设计和组件特性；至于可靠性则可通过加速寿命周期试验等传统方式来评估。AART 工艺可应用于汽车、通信、消费电子产品和计算机等广泛领域。
