鮑軍云 王高壘 彭學軍 李 磊

電氣產(chǎn)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(chǎn)品向密集化、小型化方向快速發(fā)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(wǎng)開孔工藝優(yōu)化、元器件性能、PCB焊盤設計優(yōu)化等角度展開研究，并通過實際生產(chǎn)驗證了通孔回流焊工藝能夠拓展高密度、細間距產(chǎn)品的生產(chǎn)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(tǒng)波峰焊工藝，可提升元器件的焊接質(zhì)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(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率提供支撐。

通孔回流焊工藝；焊接質(zhì)量；生產(chǎn)效率；表面貼裝；元器件

0 引言

隨著智能電網(wǎng)繼電保護技術的快速推廣，保護裝置相關的電氣產(chǎn)品朝著密集化、小型化方向快速發(fā)展，裝置內(nèi)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(xiàn)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(tǒng)波峰焊工藝[4-6]。傳統(tǒng)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(chǎn)生橋接、虛焊等質(zhì)量問題，存在插裝、焊接、修焊等復雜工序，導致產(chǎn)品加工周期長、生產(chǎn)效率低[7-9]，因此傳統(tǒng)波峰焊工藝對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)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(shù)量少，卻需要多道工序生產(chǎn)、多個設備和人員參與，大幅增加了生產(chǎn)成本，拉長了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)效率[12]。

通孔回流焊（through-hole reflow solder, THR）工藝[13-14]采用絲網(wǎng)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(nèi)，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(chǎn)成本，從而解決焊接質(zhì)量一致性差、生產(chǎn)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(tǒng)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(wǎng)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(qū)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(chǎn)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(shù)、貼片機表貼參數(shù)等工藝數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一設置與管控，因而焊接質(zhì)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(guī)電氣產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)質(zhì)量與效率對比

與傳統(tǒng)焊接工藝相比，通孔回流焊工藝的技術先進性、生產(chǎn)經(jīng)濟性明顯。傳統(tǒng)焊接工藝與通孔回流焊工藝對比見表1。

表1 傳統(tǒng)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(yōu)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(zhì)量。為保證良好的焊接可靠性，電氣產(chǎn)品所使用的錫膏優(yōu)先采用高溫錫膏，此外在錫膏使用說明書中，爐溫曲線規(guī)定了回流焊升溫溫度、焊接溫度等關鍵參數(shù)，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(wǎng)開孔

鋼網(wǎng)選用不銹鋼薄板材質(zhì)，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(wǎng)印刷錫膏。階梯鋼網(wǎng)是指在普通鋼網(wǎng)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(wǎng)開孔超出PCB焊盤的區(qū)域需要結合錫膏屬性及PCB封裝的實際情況進行合理調(diào)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(jù)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(fā)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)象。因錐角不易擋住錫膏，元器件引腳腳端的形狀優(yōu)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(nèi)，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(nèi)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(chǎn)生空洞、少錫等不良現(xiàn)象，間距太小容易造成錫膏熔化后流動空間不足而產(chǎn)生虛焊現(xiàn)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(nèi)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(wǎng)加工工藝導致絲網(wǎng)印刷過程中周邊元器件錫膏量過大而發(fā)生橋接現(xiàn)象。

3 通孔回流焊工藝應用

以某公司產(chǎn)品NRXX插件生產(chǎn)為例，驗證通孔回流焊工藝的優(yōu)越性。目前，NRXX插件的生產(chǎn)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(chǎn)節(jié)拍為20s，波峰焊焊接生產(chǎn)節(jié)拍為60s。NRXX插件生產(chǎn)節(jié)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(shù)量僅為6個卻需要投入一條占地空間大的波峰焊生產(chǎn)線，還需配備4個工作人員參與生產(chǎn)，投入產(chǎn)出比特別低且無法保證焊接可靠性。為提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，應用通孔回流焊工藝進行改進。

表3 NRXX插件生產(chǎn)節(jié)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(jīng)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)印刷錫膏，新設計的局部加厚階梯鋼網(wǎng)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(wǎng)示意圖

3.3 試制加工

首先在表貼工序?qū)ν谆亓骱冈骷馁N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(jīng)打樣驗證，NRXX插件的 PCB焊點目視未發(fā)現(xiàn)異常，焊點目視化檢查圖如圖9所示。

在X光檢驗環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)THR通孔元器件存在錫珠、空洞等焊接質(zhì)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(fā)現(xiàn)，焊點存在許多小錫珠，如圖10（a）所示。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼網(wǎng)開孔未避讓端子本體，如圖10（b）所示，綠色虛線區(qū)域為鋼網(wǎng)開孔區(qū)域，PCB板卡經(jīng)過錫膏印刷之后，錫膏填充在綠色虛線區(qū)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(yōu)化鋼網(wǎng)開孔，將鋼網(wǎng)開孔區(qū)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(chǎn)焊接后，經(jīng)X光檢驗未發(fā)現(xiàn)錫珠，如圖10（d）所示。

2）空洞：經(jīng)X光檢驗發(fā)現(xiàn)，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(diào)研分析后認為，端子引腳電鍍過程中電鍍液雜質(zhì)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(chǎn)焊接后再進行X光檢驗，端子引腳焊點無空洞，其內(nèi)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(jù)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(xù)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)部，導致助焊劑揮發(fā)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(yǎng)。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(jù)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(jīng)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(chǎn)效率得到明顯提高，生產(chǎn)周期縮短50%，人員減少50%，傳統(tǒng)焊接與通孔回流焊生產(chǎn)模式對比見表5。過程中遇到錫珠、空洞等問題，從鋼網(wǎng)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(guī)范，保證后續(xù)生產(chǎn)不再出現(xiàn)。

表5 傳統(tǒng)焊接與通孔回流焊生產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)驗證了通孔回流焊工藝能夠拓展高密度、細間距產(chǎn)品的生產(chǎn)窗口，能從多方面替代傳統(tǒng)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(chǎn)品的生產(chǎn)成本，有效推進了元器件表貼化發(fā)展。通孔回流焊工藝可根據(jù)產(chǎn)品的布局進行設計，在產(chǎn)品設計階段提前規(guī)劃相應生產(chǎn)工藝路線，明確PCB板卡、元器件等工藝要求，進一步提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，可以預見在未來電子組裝中通孔回流焊會發(fā)揮更重要的作用。

[1] 湯成俊, 李洪池, 劉文彪, 等. 繼電保護遠程運維可信安全方案設計[J]. 電氣技術, 2023, 24(1): 81-85, 90.

[2] 張凡博, 王波. 多CPU結構微機變壓器保護裝置的設計與實現(xiàn)[J]. 電力電子技術, 2021, 55(12): 122- 126.

[3] 彭學軍, 王高壘, 鮑軍云. 電力控制設備印制電路板鐳雕二維碼在線運動掃碼技術研究[J]. 電氣技術, 2021, 22(8): 99-103.

[4] 王來利, 趙成, 張彤宇, 等. 碳化硅功率模塊封裝技術綜述[J]. 電工技術學報, 2023, 38(18): 4947-4962.

[5] LI Renwang, LIU Haixia, LI Jiaqi, et al. Study on carbon footprint model and its parameter optimisation of wave soldering process based on response surface method[J]. International Journal of Wireless and Mobile Computing, 2022, 22(2): 105-113.

[6] 黎建昌, 郭庭虎, 陳偉才. DIMM孔上錫不良與失效分析[J]. 印制電路信息, 2021, 29(增刊2): 337-346.

[7] 賈忠中. 波峰焊接常見不良情況及改進措施[J]. 電子工藝技術, 2019, 40(2): 120-124.

[8] 劉偉, 王鐘穎, 徐浩, 等. 一起未投產(chǎn)變壓器故障的機理解析[J]. 電氣技術, 2022, 23(5): 98-100.

[9] SEIDEL R, KASTLE C, OCKEL M, et al. Impact of THT-hole dimensioning on manufacturability in selective wave soldering[J]. Microelectronics and Reliability, 2022, 137: 114773.

[10] 胡濤, 周信芳, 鄭俊彬, 等. 波峰焊引發(fā)的PCBA翹曲仿真分析及對策[J]. 汽車工藝與材料, 2023, 38(12): 20-25.

[11] 楊小健, 沈麗, 於德雪, 等. 混裝型印制板組件的通孔回流焊接工藝研究[J]. 航天制造技術, 2018, 36(8): 44-48.

[12] 劉楠, 鄧建青, 鄭益征. 氣體絕緣封閉開關設備用等徑翻邊殼體工藝技術研究及應用[J]. 電氣技術, 2023, 24(3): 81-84.

[13] 陳道武. 插裝元件通孔回流焊接工藝[J]. 中國新技術新產(chǎn)品, 2021(24): 71-73.

[14] 楊小健, 沈麗, 祝蕾, 等. 耐高溫插裝元件通孔回流焊接工藝優(yōu)化[J]. 新技術新工藝, 2020(3): 8-13.

[15] 孫培奇, 陳航. 基于有限元法的功率模塊模態(tài)及振動響應分析[J]. 電氣技術, 2023, 24(5): 30-34.

[16] 劉曉東, 楊艷, 李方元, 等. IGBT串聯(lián)諧振逆變電阻點焊機的研究與改進[J]. 電氣技術, 2015, 16(5): 39-43.

[17] 郭新華, 楊光燈, 傅金源. 考慮底板特性IGBT模塊焊接工藝研究[J]. 電力電子技術, 2020, 54(9): 134-137.

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(tǒng)測試、制造自動化、智能制造技術、數(shù)據(jù)挖掘應用。