THR通孔回流焊技術要求

近年來,表面貼裝技術（SMT）迅速發(fā)展起來,在電子行業(yè)具有舉足輕重的位置。除了全自動化生產規(guī)模效應外,SMT還有以下的技術優(yōu)勢：元件可在PCB的兩面進行貼裝,以實現高密度組裝；即使是最小尺寸的元件也能實現精密貼裝,因此可以生產出高質量的PCB組件。

    然而,在一些情況下,這些優(yōu)勢隨著在PCB上元件貼著力的減少而削弱。讓我們觀察圖1的例子。SMT元件的特點是設計緊湊,并易于貼裝,與通孔的連接器在尺寸和組裝形式上有明顯的區(qū)別。

圖1PCB上組裝有SMT元件（左）和一個大理通孔安裝的連接器（右）

    用于工業(yè)領域現場接線的連接器通常是大功率元件?？蓾M足傳輸高電壓、大電流的需要。因此設計時必須考慮到足夠的電氣間隙與爬電距離,這些因素最終影響到元件的尺寸。

    此外,操作便利性、連接器的機械強度也是很重要的因素。連接器通常是PCB主板與“外界部件”通信的“接口”,故有時可能會遇到相當大的外力。通孔技術組裝的元件在可靠性方面要比相應的SMT元件高很多。無論是強烈的拉拽、擠壓或熱沖擊,它都能承受,而不易脫離PCB。

    從成本考慮,大部分PCB上SMT元件約占80%,生產成本僅占60%;通孔元件約占20%,生產成本卻占40%,如圖2所示。可見,通孔元件生產成本相對較高。而對許多制造公司來說,今后面臨的挑戰(zhàn)之一便是開發(fā)采用純SMT工藝的印刷線路板。

圖2帶有通孔無件和SMT元件的PCB

  根據生產成本以及對PCB的影響,SMT+波峰焊和SMT+壓接技術（press in）等現有的工藝還不完全令人滿意,因為在現有的SMT工序需要進行二次加工,不能一次性完成組裝。

  這就對采用通孔技術的元件提出了下列要求：通孔元件與貼片元件應該使用同樣的時間、設備和方法來完成組裝。

THR如何與SMT進行整合

  根據上述要求發(fā)展起來的技術,稱之為通孔回流焊技術（Through-hole Reflow,THR）,又叫“引腳浸錫膏（pin inpaste,PIP）”工序,如圖3所示。

圖3通孔回流焊技術的工序

“引腳浸錫膏”法將典型的SMT生產工藝應用在帶電鍍通孔的PCB上,并取得了令人滿意的效果。但在采用這種方法時,需要根據實際使用的元件和加工過程中的具體情況調整有關參數。

圖4可采用THR工藝的連接器元件應滿足的特性

完成THR工藝的步驟

1.確認通孔的連接器是否可采用THR工藝

“真正的”THR連接器元件應滿足圖4中的特性。

2.PCB的設計需適應新的工藝條件

1）孔徑
  孔徑選擇的原則有兩個：一方面應保證焊錫容易回流到焊孔內（毛細管原理）,另一方面還應保證組裝的可靠性（元件公差）,如圖5所示。

圖5孔徑的選擇

2）焊盤環(huán)的設計
  推薦的焊盤環(huán)寬為0.5mm,如圖6所示,它有利于對形成的焊點彎月面進行評估。如果采用較大的間距與爬電距離,按照上述過程,焊盤環(huán)寬度只要0.2mm就可以了。

3.高質量焊點的外觀

THR是獨立的焊接工藝,焊點質量可以按照IPC-A-610C標準檢驗。將波峰焊形成的焊點與THR焊點相比較,按照傳統(tǒng)的標準,THR焊點看上去呈“錫量不足狀”,并僅有較小的彎月面。這一現象是THR焊接工藝的特征,通常應與質保部共同來判定是否滿足焊接要求。

圖6焊盤環(huán)的設計

4.采用適合THR工藝的模板設計和施加在焊膏上的壓力

標準模板厚度為150～120μm,通常不需要施加過大的涂布壓力。推薦的模板開口尺寸如下。
  ds=di+2R-0.1（di為孔徑,R為焊盤環(huán)寬）

  此公式保證焊盤環(huán)與模板之間的適當接觸,焊膏上的壓力是足夠的,不必增加模板的清潔次數。
  焊膏的特性要求有以下幾點：涂布過程中應具有良好的流動性,良好的濕潤性,在孔內及安裝插針時應有良好的黏接力。

圖7THR錫膏涂布壓力具有的特點

  大多數焊膏制造商提供的產品均可滿足該工藝,基本法則仍是：SMT元件決定了工藝窗口——THR工藝也必須與之相適應。

5.在PCB焊盤上足量的焊膏涂布

  理想的THR錫膏涂布壓力具有圖7所示的特點,每個焊盤上涂布的錫膏量必須是相應焊孔容量的２倍。
  所需焊膏量必須在PCB的下面呈現“水滴”狀。填入的焊膏量可通過調整印刷速度和刮刀角度來獲得。例如,改變刮刀角度,更大的壓力可施加于焊膏上,如圖8所示（假定速度不變）。

圖8改變刮刀角度

　　另一種方法是封閉式涂布法。密封式焊膏涂布系統(tǒng)可直接對焊膏施壓。通過調節(jié)施于它上面的壓力獲得所需的焊膏涂入量,如圖9所示。

圖9封閉式涂布法

在生產實踐中這兩種方法均可取得不錯的效果?？墒?由于生產條件各不相同,偶爾會發(fā)生焊膏涂入量不足的現象。在這種情況下可選用以下改進措施：采用的模板厚度為最大允許值,重復涂布焊膏,局部增加焊膏用量,雙面涂布錫膏（雙面再流焊）,增大涂布壓力,采用較小公差（工藝標準通常規(guī)定了公差范圍）。

6.選擇最優(yōu)化包裝形式

“編帶包裝”廣泛應用于SMT加工中,THR工藝的連接器也采用這種標準的包裝形式,編帶寬度一般在32mm和88mm之間。
  THR產品適用于大多數標準供料器。但是,對一些元件,特別是立式元件,有必要檢查供料器所提供的半徑,即在其進料和出料處查看是否合適。
  許多機器也具有處理華夫盤或管式包裝元件的功能,這些包裝能夠滿足各種需求,包括專用的或“尚未定型”的元件。

7.對貼片機的要求

如圖10所示,通常THR連接器尺寸較大,因此要求貼片機有足夠的安裝高度,即貼片頭吸放高度應超過元器件安裝高度,所需高度通常為25～40mm。在貼片過程中,它們必須由攝像系統(tǒng)完全監(jiān)控。引腳端與黑色絕緣體有明顯對比度,因此元件能夠實時地被測量并能準確定位。

圖10貼片機貼裝頭的吸放高度必須大于元件高度

   貼片過程中還有一個參數也很重要,即元件的長度不能太長（如高針位的元件）。早期的自動貼片機,攝像系統(tǒng)長度方向的限制意味著不能實現超長連接器的安裝?，F在已開發(fā)出并排組裝的“二合一”的連接器插座,如圖11所示,它們可以并排組裝,合在一起即可達到所需要的引腳數,實現了高針位連接器的自動裝配。

圖11 并排組裝的“二合一”連接器插座

8.檢查焊爐是否適合THR工藝

  如圖12所示,THR連接器可以在熱風對流爐、氣相焊回流爐和遠紅外回流爐中加工,應根據具體情況評估爐子的適用性。通常,在遠紅外回流爐中焊接THR連接器是有問題的,其原因在于它們的尺寸。如果尺寸較大,器件會遮蔽了焊接點,而本身卻容易遭受強烈的熱輻射。實際過程中,應根據不同問題采取相應的對策。

圖12THR連接器在焊爐中加工

  采用氣相爐焊接時,引腳應盡可能短,通常推薦1.5mm的引腳。如果引腳過長,焊膏可能會在氣相爐內脫落,因為焊接介質會在它上面冷凝析出。

9.選擇合適的溫度分布曲線

  再次強調,應根據SMT元件來選擇溫度曲線,正是它們決定相應的溫度范圍。THR連接器必須在此曲線范圍內完成焊接,DINEN61760-1標準規(guī)定的溫度分布曲線可用來作為溫度調節(jié)的依據,如圖13所示。
  用于焊接THR連接器的溫度曲線通常設置成最低與最高溫度的中間值。因此它對熱敏感元件沒有危害,在焊接過程中不需要延長時間。

圖13DINEN61760-1標準規(guī)定的溫度分布曲線

10.依據標準IPC-A-610C檢查焊接狀況

  對THR連接器可以根據IPC-A-610C標準檢測。只要引腳在PCB上有突出部分,即可對焊接面的焊點進行評估。

如何通過THR工藝降低生產成本

  影響THR技術使用的一個關鍵問題是找出生產成本（低）和元件成本（高）這兩者之間的平衡點。THR連接器比標準元件貴的原因是由于材料成本與包裝成本均較高。

  潛在的成本降低幅度取決于生產過程。其影響因素如下：生產自動化程度、訂單量、其他通孔元件能否替代、需要設計新產品或重新設計現有產品。

并不是所有的廠家都推薦去使用THR工藝的連接器?？墒侨绻斈腜CB除了連接器以外的元件都已經實現了SMT的工藝,那么采用THR技術的產品無疑是您最好的選擇了。