通孔回流焊锡膏量的算法研究

通孔回流焊锡膏量的算法研究

唐观秀

 株洲中车时代电气股份有限公司  湖南省 株洲市   412000

摘  要：本论文针对通孔回流焊器件提供了一种锡量计算方法，用于调整钢网厚度与开孔设计，将通孔器件需要的锡量转移至印制板上，实现通孔器件回流焊焊接。解决了特殊场景下波峰焊焊接困难，减少插装与波峰焊等工序。并在某个使用了较多的通孔接线端子的插件上，应用此锡量计算方法进行验证，证明了模型的有效性。

关键词：通孔回流焊；锡膏；

1 背景

随着表面贴装技术（Surface Mounting Technology， SMT）的发展，得益于SMT全自动化生产带来的规模效应、成本优势、高精度与密度的组装布局优势，表贴器件（Surface Mounted Devices， SMD）通常占据超过80%以上的PCBA（Printed Circuit Board Assembly， PBCA）组成。PCBA过程中，对于通孔器件（Through Hole Devices， THD）通常采用波峰焊焊接技术。但波峰焊技术存在许多不足之处，如通孔器件周边需要一定的禁布区，禁止放置贴片元器件；焊接过程中需要额外喷涂助焊剂；印制板（Printed Circuit Board， PCB）会收到较大的热冲击，可能产生翘曲变形；通孔焊点受PCB走线、覆铜以及器件本身影响，容易产生桥接、润湿不良的缺陷。随着PCBA的技术的发展，新型的通孔回流焊（Though Hole Reflow， THR）技术应运而生，越来越多的THD通过采用这种技术，在回流炉内完成焊接，实现波峰焊无法完成的焊接或降低生产工序和周期时间。

2通孔回流焊工艺的基本要求

与一般的SMT工艺相比，THR工艺为了满足器件引脚在金属化孔的填充以及板面上的爬锡要求，使用的锡膏量要比一般的SMD多一些，视引脚伸出的长度与PCB焊盘开孔，通常要大上30倍左右。目前SMT主要采用丝印印刷与自动点锡膏的方式进行锡膏涂覆，本文主要研究的是通过钢网丝印印刷锡膏来进行锡膏涂覆。

2.1PCB设计要求

THR工艺在实施时，器件的引脚与过孔间隙需要满足一定的要求，间隙小虽然有利于减少整体的焊锡需求量，以及防止器件倾斜，但过小的间隙容易导致贴片机安装不到位，或影响孔内锡膏流动速率，造成空洞、少锡、翘起等缺陷。通常希望PCB上通孔比圆形引脚尺寸大0.254mm，比矩形引脚对角线大1.27mm，由此来达到一个比较好的焊接效果。

为了方便通孔引脚上锡，波峰焊与手工焊操作下，通常希望THD在PCB上的焊环较大，对于THR工艺，从锡膏填充量方面考虑，一般希望焊环越小越好，通常推荐焊环宽度为0.25mm左右。

2.2物料选型要求

热风回流炉内整个温区都是按程序进行设置的，PCB底部温度与PCB顶部温度区别不大，我们公司的有铅回流焊过程中，PCBA顶面的器件最高可能达到245℃的高温。因此使用THR技术的器件，必须要能够耐受工厂制程界限的回流焊高温，通常至少要满足260℃，10秒以上的焊接高温。

3通孔回流焊工艺锡膏量的算法研究

当通孔器件及PCB布局设计均满足THR技术要求后，工艺需要根据实际情况制定SMT工艺方案，从而有根据性的落实THD焊盘的锡膏转印、设备贴装、回流炉焊接过程。钢网开孔方案为THD能否实现良好焊接的最重要的一环。

在设计钢网开孔方案前，需要对所需要焊接THD引脚锡量进行合理的计算，便于设计钢网开孔的图形与厚度。

3.1通孔回流焊器件的总锡量计算

焊接过后，如图1所示，通常可以将器件的引脚分为PCB正面、PCB中间通孔内、PCB背面三个部分，三个部分的锡量之和，为通孔回流焊端子理论上需求的总锡量。

图1 通孔回流焊引脚上锡示意图

PCB正面、中间、背面所计算出的锡量之和为焊接后实际的焊锡体积，假定焊锡膏内锡粉熔化前后体积基本不变，根据锡粉在锡膏内体积占比为50%，最终求得的锡膏需求量应为实际焊锡体积的2倍。

3.1.1 PCB中间金属化孔内锡量计算

回流焊焊接后，PCB中间孔内图示如下，锡量以100%填充的前提进行计算。

图2 PCB内引脚上锡示意图

则有：

其中：S孔为PCB上开孔面积，S引脚为引脚在开孔内的截面积，h板厚为PCB板的厚度。

3.1.2 PCB背面焊点锡量计算

实际情况下，PCB上器件与焊盘形成的焊点呈弯月面爬锡，如图4所示。

图3 PCB背面引脚实际上锡示意图

图4 PCB背面引脚实际上锡剖面图

参照图4，以纵轴为y，以横轴为x，引脚上的爬锡实际可以视为以一段圆弧，围绕引脚旋转一周，与引脚外围和表面焊盘所围成的凹三角形旋转一周所形成的。若将此段圆弧视为1/4圆弧，此时第一象限内圆弧的表达式为：

其中引脚伸出板面高度h≥r-a，r为焊盘半径，a为引脚半径，x(a,r), y(0,r-a)；

或

其中h≤r-a，r为焊盘半径，a为引脚半径，x(a,a+h), y(0,h)；

当引脚高度较高时有

其中h≥r-a，r为焊盘半径，a为引脚半径；

当引脚高度较低时

其中h≤r-a，r为焊盘半径，a为引脚半径；

若PCB与器件引脚为方形时，可以采用近似的方式，将引脚视为圆形，其中方形尺寸与圆形半径的换算方式为：

其中r为换算后的半径，a、b分别为方形的长与宽。

3.1.3 PCB正面锡量计算

标准要求通孔器件正面的引脚上，需要观察得到270°以上的润湿范围，但实际焊盘上并没有上锡要求，即PCB顶面只需要看得到3/4引脚环绕上锡，不需要焊锡爬满引脚与顶面焊盘。即考虑理论最低锡量时，可以将正面焊锡体积视为0带入计算，结合THR实际情况，焊接用的锡膏是在元件面进行印刷，焊接时在毛细作用与重力的影响下，最终将锡流入底部，因此正面始终会保持有焊盘与器件引脚的润湿，所以带入0计算时也不会出现正面少锡的情况。

4通孔回流焊锡量设计方案的小结：

THR工艺较重要的一步为如何实施锡膏印刷方案设计，需要对通孔器件锡量进行估算，通过第3部分锡量计算来实现钢网开孔（实际理论计算锡量），证明了THD的锡量可以按3.1章节的模型进行计算。后续将研究钢网设计方案，从钢网开孔方面来提升通孔回流焊接质量。