電氣產品通孔回流焊工藝研究

鮑軍云 王高壘 彭學軍 李 磊

電氣產品通孔回流焊工藝研究

鮑軍云 王高壘 彭學軍 李 磊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

隨著電氣產品向密集化、小型化方向快速發展，表面貼裝技術已成為印制電路板（PCB）組裝的主流技術，因此通孔回流焊工藝的應用越來越廣泛。本文重點從錫膏選型、鋼網開孔工藝優化、元器件性能、PCB焊盤設計優化等角度展開研究，并通過實際生產驗證了通孔回流焊工藝能夠拓展高密度、細間距產品的生產窗口，并解決了錫珠、空洞等焊接問題。該工藝能從多方面替代傳統波峰焊工藝，可提升元器件的焊接質量，使焊接可靠性大大提高，為有效推進表貼化工藝、降低生產成本、提高生產效率提供支撐。

通孔回流焊工藝；焊接質量；生產效率；表面貼裝；元器件

0 引言

隨著智能電網繼電保護技術的快速推廣，保護裝置相關的電氣產品朝著密集化、小型化方向快速發展，裝置內部的電路板使用表貼元器件已成為主流趨勢[1-3]。大部分板卡特別是中央處理器（central processing unit, CPU）板卡實現了采用表面貼裝技術（surface mount technology, SMT），但還有一些大功率元器件、連接端子等需要采用傳統波峰焊工藝[4-6]。傳統波峰焊工藝窗口受限多，如該工藝不適合高密度、細間距元器件焊裝，焊接過程容易產生橋接、虛焊等質量問題，存在插裝、焊接、修焊等復雜工序，導致產品加工周期長、生產效率低[7-9]，因此傳統波峰焊工藝對生產效率和產品質量的影響較大。一方面通孔插裝（through-hole technology, THT）元器件使用波峰焊工藝導致焊接質量一致性差，降低了焊接可靠性[10-11]；另一方面使用波峰焊工藝焊接的通孔插裝元器件數量少，卻需要多道工序生產、多個設備和人員參與，大幅增加了生產成本，拉長了生產周期，降低了生產效率[12]。

通孔回流焊（through-hole reflow solder, THR）工藝[13-14]采用絲網印刷方式將錫膏印刷在通孔焊盤上，將插裝元器件插入通孔內，再通過回流焊完成與表貼元器件的焊接。該工藝可減少波峰焊工序，縮短工藝流程，降低生產成本，從而解決焊接質量一致性差、生產效率低等問題。通孔回流焊工藝示意圖如圖1所示。

圖1 通孔回流焊工藝示意圖

1 通孔回流焊工藝與傳統焊接工藝對比

1.1 通孔回流焊原理及特點

THR工藝的基本原理：提前通過鋼網和印刷機將錫膏印刷在通孔焊盤上，通過表面貼裝機將通孔元器件和表貼元器件一起表貼到相應位置，在回流爐加熱區將錫膏熔化，使錫膏在表面張力的作用下流向通孔元器件引腳、焊盤和印制板通孔，最終完成良好的焊接[15-16]。該工藝減少了一道波峰焊接工序，簡化了生產流程，縮短了加工周期，可有效避免印制電路板（printed circuit board, PCB）和元器件受到波峰焊接的二次熱沖擊，使其不易變形。該過程無需使用錫條和助焊劑，不存在錫渣和助焊劑殘留等污染問題。此外，對該過程中的錫膏印刷參數、貼片機表貼參數等工藝數據進行統一設置與管控，因而焊接質量一致性較好，保證了PCB與元器件的高接合強度與高焊接可靠性。

1.2 工藝流程對比

常規電氣產品的PCB焊裝工藝流程為SMT貼裝和THT焊裝，主要設備包括絲網印刷機、錫膏檢測（solder paste inspection, SPI）機、表面貼裝機、回流焊設備、自動光學檢測（automated optical inspection, AOI）機、波峰焊機/選擇焊機，工藝流程[17]為：PCB上料→錫膏印刷→SPI→元器件貼裝→回流焊接→AOI→THT元器件插裝→波峰焊焊接→焊后處理→焊裝檢驗。

通孔回流焊工藝流程將波峰焊焊裝工序集成到SMT焊裝工序，去掉波峰焊工序，省去了多個復雜工步，大幅度簡化了工藝流程，具體流程為：PCB上料→錫膏印刷→SPI→元器件貼裝→回流焊接→AOI。

1.3 生產質量與效率對比

與傳統焊接工藝相比，通孔回流焊工藝的技術先進性、生產經濟性明顯。傳統焊接工藝與通孔回流焊工藝對比見表1。

表1 傳統焊接工藝與通孔回流焊工藝對比

2 通孔回流焊工藝制程影響因素

2.1 錫膏

為保證元器件在通孔回流焊過程中具備優良的焊接力，焊膏需要具有良好的濕潤性和流動性。目前，錫膏分為低溫錫膏、中溫錫膏和高溫錫膏，其主要成分及熔點見表2。中、低溫錫膏成分主要為錫（Sn）、鉍（Bi），成分Bi用于降低錫膏熔點，但容易造成焊點脆裂；高溫錫膏成分主要為Sn、鉛（Pb）、銀（Ag），爬錫效果好，具有良好的焊接性能。因此，錫膏成分直接影響回流焊的焊接溫度、焊接時間和焊接質量。為保證良好的焊接可靠性，電氣產品所使用的錫膏優先采用高溫錫膏，此外在錫膏使用說明書中，爐溫曲線規定了回流焊升溫溫度、焊接溫度等關鍵參數，常見的爐溫曲線示意圖如圖2所示。

表2 不同錫膏的主要成分及熔點

圖2 常見爐溫曲線示意圖

2.2 鋼網開孔

鋼網選用不銹鋼薄板材質，開孔孔壁一般為梯形，因為梯形開口有利于提高錫膏流動性。為保證充足錫膏量，并兼顧細間距元器件的特殊性，一般采用階梯鋼網印刷錫膏。階梯鋼網是指在普通鋼網基礎上局部加厚或局部減薄，以滿足不同元器件所需的不同錫膏量。通孔回流焊元器件所需的錫膏量應在PCB通孔填充并形成良好的焊點，因此其遠大于SMT元器件所需的錫膏量。鋼網開孔超出PCB焊盤的區域需要結合錫膏屬性及PCB封裝的實際情況進行合理調整，要注意避開元器件本體部位，防止貼裝過程中錫膏被元器件本體壓塌而飛濺出去，而飛濺出去的錫膏會在回流焊過程中形成錫珠。

通孔回流焊標準焊點填充效果如圖3所示，元器件引腳所需的錫膏量必須根據元器件引腳形狀、焊盤的通孔直徑和PCB厚度來確定。因錫膏中50%為助焊劑類的揮發物體，所以錫膏體積是焊點體積的兩倍，即錫膏體積=2×(solder+fillet)，其中solder為焊盤孔內焊錫體積，fillet為焊盤焊點潤濕角體積。

圖3 通孔回流焊標準焊點填充效果

2.3 元器件

通孔回流焊元器件材質需滿足防靜電標準，當使用高溫焊膏焊接時，元器件本體材質必須為耐高溫材料，其能夠承受的焊接爐溫為260℃及以上。為便于表面貼裝機自動吸取通孔元器件，通孔元器件來料包裝方式采用編帶包裝或Tray盤包裝，保證元器件本體平整且不得有分模線等凸起現象。因錐角不易擋住錫膏，元器件引腳腳端的形狀優先選用錐形。此外，元器件引腳不宜太長，伸出PCB距離為0.8～1.2mm。元器件引腳要求示意圖如圖4所示。

圖4 元器件引腳要求示意圖

通孔回流焊采用熱風對流方式，便于錫膏從PCB正面流向焊盤孔內，在PCB的正反面形成良好的潤濕角。當元器件與PCB貼底插裝時，在元器件引腳與焊盤位置需有一定對外空間，便于熱風進入焊盤孔內將錫膏熔化后形成良好的焊點。因此，為了保證整個PCB受熱均勻，類似RJ45連接座類型的貼底元器件一般在底部有間隙保持器（standoff），如圖5所示。

圖5 間隙保持器

2.4 PCB的焊盤設計

運用通孔回流焊工藝時，PCB焊盤設計的主要要求如下：

1）合理設計元器件引腳直徑與PCB焊盤通孔徑i的間距。間距太大容易造成錫膏掉落而產生空洞、少錫等不良現象，間距太小容易造成錫膏熔化后流動空間不足而產生虛焊現象。通常情況下，元器件引腳直徑與PCB焊盤通孔徑i的間距設計為0.3～0.5mm，元器件引腳與焊盤通孔間隙示意圖如圖6所示。

2）通孔回流焊的元器件引腳間距一般要求設計為大于等于2.54mm，若引腳間距過小容易造成引腳連焊并導致相鄰的孔內少錫。

圖6 元器件引腳與焊盤通孔間隙示意圖

3）PCB正面貼片元器件與通孔回流焊元器件引腳的距離設計在3mm以上，防止因階梯鋼網加工工藝導致絲網印刷過程中周邊元器件錫膏量過大而發生橋接現象。

3 通孔回流焊工藝應用

以某公司產品NRXX插件生產為例，驗證通孔回流焊工藝的優越性。目前，NRXX插件的生產工藝為SMT表面貼裝工藝和波峰焊焊接工藝，其中SMT表面貼裝生產節拍為20s，波峰焊焊接生產節拍為60s。NRXX插件生產節拍與工序見表3。插裝元器件只有法拉電容、排針、端子等6種元器件，其總數量僅為6個卻需要投入一條占地空間大的波峰焊生產線，還需配備4個工作人員參與生產，投入產出比特別低且無法保證焊接可靠性。為提高生產效率和焊接質量，應用通孔回流焊工藝進行改進。

表3 NRXX插件生產節拍與工序

3.1 元器件

基于高溫錫膏260℃的耐高溫要求，核對NRXX 插件上所有元器件的耐高溫特性。經確認，所有表貼元器件均滿足回流焊爐溫260℃的要求，而THT元器件不滿足回流焊爐溫條件，根據通孔回流焊工藝要求，對THT元器件進行改進。THT元器件分析與改進見表4。

3.2 PCB升級與鋼網加工

EECRF0H法拉電容、排針等元器件改用表貼物料，并將對應的PCB板卡升級，鋼網按照新工藝要求重新加工。RJ45插座、端子等改為通孔回流焊元器件，為保證充足的錫膏量，采用階梯鋼網印刷錫膏，新設計的局部加厚階梯鋼網如圖7所示。

表4 THT元器件分析與改進

圖7 局部加厚階梯鋼網示意圖

3.3 試制加工

首先在表貼工序對通孔回流焊元器件的貼裝工藝進行確認，包括供料方式是否合理、貼裝吸嘴尺寸是否精準等?；亓骱腹ば虬凑找鬁y試爐溫曲線，回流焊峰值爐溫在原有230℃的基礎上提高到240℃，如圖8所示。

圖8 爐溫曲線

經打樣驗證，NRXX插件的 PCB焊點目視未發現異常，焊點目視化檢查圖如圖9所示。

在X光檢驗環節，發現THR通孔元器件存在錫珠、空洞等焊接質量問題，針對這些問題進行分析并制定相應的解決方案，具體如下。

圖9 焊點目視化檢查圖

1）錫珠：端子回流焊后，通過X光檢驗發現，焊點存在許多小錫珠，如圖10（a）所示。調研發現，鋼網開孔未避讓端子本體，如圖10（b）所示，綠色虛線區域為鋼網開孔區域，PCB板卡經過錫膏印刷之后，錫膏填充在綠色虛線區域，在貼裝過程中元器件端子將錫膏壓塌，壓塌的這部分錫膏在回流焊時形成錫珠。因此，解決方案為優化鋼網開孔，將鋼網開孔區域縱向拉伸、橫向收縮（3.05mm× 2.88mm改為4.4mm×2mm），以保證錫膏總體積不變，又能成功避免端子本體碰觸錫膏，如圖10（c）所示。再次生產焊接后，經X光檢驗未發現錫珠，如圖10（d）所示。

2）空洞：經X光檢驗發現，端子焊點空洞率＞25%，如圖11（a）所示，不滿足IPC 3級標準要求。調研分析后認為，端子引腳電鍍過程中電鍍液雜質過多，導致引腳鍍層可焊性差。將該問題反饋給端子廠家，廠家在端子加工過程中增加鍍層可焊性測試，以保證引腳鍍層可焊性良好。重新生產焊接后再進行X光檢驗，端子引腳焊點無空洞，其內部100%填充，如圖11（b）所示。

圖10 錫珠問題分析與解決

圖11 空洞問題分析與解決

3.4 第三方測試

對焊接后的焊點進行金相切片與掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）分析：根據IPC—TM—650標準，在金相顯微鏡下觀察焊點微觀結構，并利用SEM對焊點截面的金屬間化合物（intermetallic compound, IMC）層進行測量，結果如圖12所示。IMC層連續均衡，焊點填充滿足IPC 3級要求，厚度在1～3mm之間，達到了理想的焊接強度。

3.5 不足之處

采用通孔回流焊工藝后發現，在通孔元器件插裝過程中，部分錫膏被元器件引腳帶出，掉落在回流焊設備內部，導致助焊劑揮發后沉淀增加，這對回流焊設備造成一定的污染，需設備人員定期清理保養。此外，回流焊峰值溫度增加10℃，相應的熱沖擊也有小幅度增加，需要根據具體情況進行判斷分析。

圖12 通孔焊點的IMC層測量結果

3.6 小結

該公司NRXX插件經通孔回流焊工藝改進，減掉了波峰焊工序，省去了多個復雜工步，生產效率得到明顯提高，生產周期縮短50%，人員減少50%，傳統焊接與通孔回流焊生產模式對比見表5。過程中遇到錫珠、空洞等問題，從鋼網開孔、元器件等角度進行分析解決，并將此類問題整理形成管控規范，保證后續生產不再出現。

表5 傳統焊接與通孔回流焊生產模式對比

4 結論

本文詳細研究了通孔回流焊工藝的特點和影響因素，重點從錫膏選用、鋼網開孔工藝、元器件性能、PCB焊盤設計等角度展開分析，并通過實際生產驗證了通孔回流焊工藝能夠拓展高密度、細間距產品的生產窗口，能從多方面替代傳統波峰焊工藝，并解決錫珠、焊點空洞等焊接問題，提高了元器件在通孔回流焊中的焊接可靠性，降低了產品的生產成本，有效推進了元器件表貼化發展。通孔回流焊工藝可根據產品的布局進行設計，在產品設計階段提前規劃相應生產工藝路線，明確PCB板卡、元器件等工藝要求，進一步提高產品焊接質量和生產效率，可以預見在未來電子組裝中通孔回流焊會發揮更重要的作用。

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Research on through-hole reflow soldering process for electrical products

BAO Junyun WANG Gaolei PENG Xuejun LI Lei

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211100)

With the rapid development of electrical products towards density and miniaturization, surface mount technology has become the mainstream of printed circuit board (PCB) assembly, so the application of through-hole reflow soldering technology is becoming increasingly widespread. This paper focuses on the selection of solder paste, optimization of steel mesh opening process, component performance, and optimization of PCB pad design. Through actual production verification, the through-hole reflow soldering process can expand the production window of high-density and fine pitch products, and solve soldering problems such as tin beads and voids. This process can replace traditional wave soldering in many aspects, effectively improving the soldering quality of components in through-hole reflow soldering, improving soldering reliability, and providing support for effectively promoting surface mount technology, reducing production costs and improving production efficiency.

through-hole reflow solder; soldering quality; production efficiency; surface mounting; components

2023-12-19

2024-01-25

鮑軍云（1981—），男，江蘇南京人，工程師，主要研究方向為SMT/THT焊裝工藝、電力系統測試、制造自動化、智能制造技術、數據挖掘應用。