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PCBA新玩法:讓通孔元件/傳統(tǒng)插件也走回焊爐制程(paste-in-hole)

發(fā)布時間 :2016-06-07 13:58 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
電路板通孔印錫膏
Past-In-Hole (通孔印錫膏PIH)就是把錫膏 (Solder paste) 直接印刷于 PCB (Print Circuit Board,電路板) 的電鍍通孔(PTH, Plating Through Hole)上面,然后再把傳統(tǒng)插件/通孔元件(DIP insert parts)直接插入已經(jīng)印有錫膏的電鍍通孔里,這時電鍍通孔上的錫膏大部分會沾粘在插件零件的焊腳上,這些錫膏經(jīng)過回流焊爐的高溫時會重新熔融,進而焊接零件于電路板上。
這種工法還有其他的名稱叫「引腳浸錫膏(pin-in-paste)」、「侵入式回流焊接 (intrusive reflow soldering)」 和「通孔回流焊(ROT, reflow of through-hole)」等。
這種工法的好處是可以免去手動焊接(hand soldering)或波焊(Wave Soldering) 的制程并進而節(jié)省作業(yè)工時(Labor),同時也可以提升焊接的品質,減少焊接短路(Solder short)的機會。
 
但這種工法卻有下列的先天限制:
1、傳統(tǒng)零件的耐熱能力必須符合回流焊的溫度要求。一般的插件零件通常使用比回流焊零件耐溫較低的材料。因為PIH工法要求傳統(tǒng)零件與一般的SMT零件一起過回流焊(reflow),所以必須要符合reflow的耐溫需求。 無鉛的零件現(xiàn)在要求需可以耐到260°C維持10sec。
2、零件最好有卷帶包裝(tape-on-reel)而且有足夠的平面可以經(jīng)由SMT的自動貼焊機(pick and place machine)來放到電路板(PCB)上,如果不行的話,就要考慮加派一名作業(yè)員,人工手動擺放零件,這時就要衡量所需的工時與品質不穩(wěn),因為人工插件有可能會因作業(yè)不小心而碰觸到其他已經(jīng)擺放定位的零件。
3、零件body與PCB的焊墊要有standoff(架高)設計。一般PIH制程都會將錫膏印刷得比焊墊的外框還要大,這是為了增加錫膏焊錫量以達到75%的通孔填滿要求,如果零件與焊墊之間沒有standoff,過Reflow時熔融的錫膏會沿著零件與PCB之間的空隙游走,造成多余的錫扎渣與錫珠,影響日后的電氣品質。 
零件body與PCB的焊墊要有standoff(架高)設計
4、傳統(tǒng)零件最好在第二面打件(如果有兩面SMT的時候)。零件如果已經(jīng)先在第一面打件了,第二面繼續(xù)打SMD的時候,錫膏有可能會倒流進入傳統(tǒng)零件,造成零件內部短路的可能,尤其是連接器(connector)的零件更要特別小心。
另外,焊錫量是這種工法的最大挑戰(zhàn)。IPC-610對通孔焊接點的可接受標淮焊錫量必須大于載板厚度的75%以上,某些要求50%就可以了。(請參考下圖,詳細規(guī)格請查詢 IPC-610 section 7.5.5.1) 
傳統(tǒng)零件最好在第二面打件(如果有兩面SMT的時候)  傳統(tǒng)零件最好在第二面打件(如果有兩面SMT的時候)
至于錫膏量的計算,可以用通孔的最大直徑減去引腳的最小直徑,然后乘上電路板的厚度取得,要記得再x2,因為錫膏內的助焊劑占了50%,也就是說經(jīng)過reflow以后,也就是說錫膏的體積只會剩下到原來印刷錫膏的一半。
所需錫膏量體積 ≧ [(通孔的最大直徑 /2)2- 引腳的最小直徑/2)2]× π × 電路板的厚度 × 2
 
那要如何增加通孔的焊錫量呢?下面幾個方法提供給您參考:
1、在電路板的通孔(PTH)附近預留足夠的空間作 over print。 
跟 Layout Engineer (PCB布線工程師)討論,在需要 paste-in-hole 的通孔附近空出更多的空間印刷錫膏,也就是說附近盡量不要擺放其他的 pad(焊墊)或是其他不需要的焊接通孔,以避免 over print 時發(fā)生短路。 
要注意的:錫膏印刷的平面空間無法無限度的往外延伸,必須要考慮到錫膏的內聚力能力,要不然錫膏會無法全部收回焊墊而形成錫珠。 
另外也要考慮錫膏印刷的方向需配合焊墊延伸的方向。(有機會我們再討論這一點)
2、縮小電路板上通孔的直徑。 
就如同上面的[所需錫膏量計算],通孔直徑越大,所需要的錫膏量也就越多,但同時要考慮的,通孔直徑縮得太小,零件就越南插入通孔。
3、采用 step-up(局部加厚) 或 step-down(局部打薄) stencil(鋼板)。 
這種鋼板可以強迫局部增加錫膏的厚度,也就可以增加錫膏量,進而達到焊錫充滿通孔的目的,但這種鋼板平均比一般的鋼板要貴上約 10%左右。
4、調整適當?shù)腻a膏、印刷機的速度及壓力、刮刀的類型與角度等。 
錫膏印刷機的這些參數(shù)或多或少都會影響到錫膏印刷量,另外 Viscosity(黏度)較低的錫膏其錫膏量會比較多一點。
5、加點錫膏。 
可以考慮用點膠機(dispenser)加點錫膏于Paste-in-Hole的焊墊上來增加錫膏量,由于現(xiàn)今的SMT產(chǎn)線幾乎都已經(jīng)沒有自動點膠機了,所以也可以考慮手動點膠,可是必須增加一名作業(yè)員的工時。
6、使用預成型錫片(solder preforms) 
可以參考這篇文章:增加焊錫量的另一選擇 ─ Solder preforms (預成型錫片)


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