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通孔回流焊技术的研究
1 引言
在传统的电子组装工艺中，对于安装有过孔插装元件 (THD) 印制板组件的焊接一般采用波峰焊接技术。但波峰焊接有许多不足之处：不适合高密度、细间距元件焊接；桥接、漏焊较多；需喷涂助焊剂；印制板受到较大热冲击翘曲变形。因此波峰焊接在许多方面不能适应电子组装技术的发展。为了适应表面组装技术的发展，解决以上焊接难点的措施是采用通孔回流焊接技术 (THR ， Through-hole Reflow) ，又称为穿孔回流焊 PIHR(Pin-in-Hole Reflow) 。该技术原理是在印制板完成贴片后，使用一种安装有许多针管的特殊模板，调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐，使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上，然后安装插装元件，最后插装元件与贴片元件同时通过回流焊完成焊接。从中可以看出穿孔回流焊相对于传统工艺的优越性：首先是减少了工序，省去了波峰焊这道工序，节省了费用，同时也减少了所需的工作人员，在效率上也得到了提高；其次回流焊相对于波峰焊，产生桥接的可能性要小的多，这样就提高了一次通过率。穿孔回流焊相对传统工艺在经济性、先进性上都有很大优势。通孔回流焊接技术起源于日本 SONY 公司， 20 世纪 90 年代初已开始应用，但它主要应用于 SONY 自己的产品上，如电视调谐器及 CD Walkman 。
2 通孔回流焊接生产工艺流程
生产工艺流程与 SMT 流程极其相似，即印刷焊膏一插入元件一回流焊接，无论对于单面混装板还是双面混装板，流程相同。
2.1 焊膏印刷
2.1.1
焊膏的选择
通孔回流所用的焊膏黏度较低，流动性好，便于流入通孔内。一般在 SMT 工艺以后进行通孔回流，若 SMT 采用的焊膏合金成分为 63Sn37Pb ，那么为了保证通孔回流时 SMT 元件不会再次熔化而掉落，焊膏中焊锡合金的成分可采用熔点稍低的 46Sn46Pb8Bi(178 ℃ ) ，焊料颗粒尺寸 25 μ m 以下＜ 10 ％， 25 ～ 50 μ m ＞ 89 ％， 50 μ m 以上＜ 1 ％。
2.1.2 基本原理
在一定的压力及速度下，用塑胶刮刀将装在模板上的焊膏通过模板上的漏嘴漏印在线路板上相应位置。步骤为：送入线路板→线路板机械定位→印刷焊膏→送出线路板。 2.1.3
焊膏印刷示意图 ( 见图 1)
(1) 刮刀：采用钢材料，无特别的要求，刮刀与模板之间间距为 0.1 ～
0.3mm
，角度为 9 °；
(2) 模板：厚度为
3mm
，模板主要由铝板及许多漏嘴组成；
(3) 漏嘴：漏嘴的作用是焊膏通过它漏到线路板上，漏嘴的数量与元件脚的数量一样，漏嘴的位置与元件脚的位置一样，以保证焊膏正好漏在需要焊接的元件位置，漏嘴下端与 PCB 之间间距为
0.3mm
，目的是保证焊膏可以容易地漏印在 PCB 上。漏嘴的尺寸可以选择，以满足不同焊锡量的要求；
(4) 印刷速度：可调节，印刷速度的快慢对印在 PCB 上焊膏的份量有较大的影响。 2.1.4
工艺窗口 在机器设置完成后，只有印刷速度可通过电子调节。要达到好的印刷品质，必须具备以下几点：
(1) 漏嘴的大小合适，太大引起焊膏过多而短路，太小引起焊膏过少而少锡；
(2) 模板平面度好，无变形；
(3) 各参数设置正确 ( 机械设置 ) ：漏嘴下端与 PCB 之间间距为
0.3mm
，刮刀与模板之间间距为 0.1 ～
0.3mm
，角度为 9 °。
2.2 插入元件
采用人工的方法将电子元件插入线路板中，如电容、电阻、排插、开关等。元件在插入前线脚已经剪切，在焊接后无须再剪切线脚，而波峰焊是在焊接后才进行元件线脚剪切。
2.3 回流焊接
2.3.1
原理
热风气流通过特制的模板上喷嘴，在一定的温度曲线下，将印刷在 PCB 上元件孔位处的焊膏熔化，然后冷却，形成焊点，将通孔元件焊接于线路板上。
2.3.2 回流炉的结构
共有 4 个温区：两个预热区，一个回流区，一个冷却区。只有下部才有加热区，而上方则没有加热区，不像 SMT 回流炉上下都有加热区。这样的设计可以尽量较少温度对元件本体的损坏。两个预热区和一个回流区的温度可以独立进行控制，冷却区则为风冷。回流区为最关键的温区，它需要特殊的回流模板。
2.3.3 点焊回流炉回流区工作示意图 ( 见图 2)
模板：厚度为
15mm
，模板主要由耐高温金属板及许多喷嘴组成。
喷嘴：喷嘴的作用是热风通过它吹到线路板焊膏上。喷嘴的数量与元件脚的数量相同，喷嘴的位置与元件脚的位置一样，以保证热风正好吹在需要焊接的元件位置，提供足够的热量。喷嘴上端与 PCB 之间间距为
3mm
，喷嘴的尺寸可以选择，以满足不同元件不同位置的热量需求。
3 通孔回流焊接工艺的特点
对某些如 SMT 元件多而穿孔元件较少的产品，这种工艺流程可取代波峰焊。
3.1 与波峰焊相比的优点
(1) 焊接质量好，不良比率 PPM( 百万分率的缺陷率 ) 可低于 20 。
(2) 虚焊、连锡等缺陷少，返修率极低。
(3)PCB 布局的设计无须像波峰焊工艺那样特别考虑。
(4) 工艺流程简单，设备操作简单。
(5) 设备占地面积少，因其印刷机及回流炉都较小，故只需较小的面积。
(6) 无锡渣问题。
(7) 机器为全封闭式，干净，生产车间里无异味。
(8) 设备管理及保养简单。
(9) 印刷工艺中采用了印刷模板，各焊接点及印刷的焊膏量可根据需要调节。
1O) 在回流时，采用特别模板，各焊接点的温度可根据需要调节。
3.2 与波峰焊相比的缺点：
(1) 此工艺由于采用了焊膏，焊料的价格成本相对波峰焊的锡条较高。
(2) 须订制特别的专用模板，价格较贵。而且每个产品需各自的一套印刷模板及回流焊模板。
(3) 回流炉可能会损坏不耐高温的元件。在选择元件时，特别注意塑胶元件，如电位器等可能由于高温而损坏。
4 温度曲线
由于通孔回流焊的焊膏、元件性质完全不同于 SMT 回流，故温度曲线也截然不同，通常包括预热区、回流区和冷却区。
4.1 预热区
将线路板由常温加热到 100 ～
140 ℃，目的是线路板及焊膏预热，避免线路板及焊膏在回流区受到热冲击。如果板上有不耐高温的元件，则可以将此温区的温度降低，以免损坏元件。
4.2 回流区 ( 主加热区 )
温度上升到焊膏熔点，且保持一定的时间，使焊膏完全熔化，最高温度在 200 ～
230 ℃。在
178 ℃以上的时问为 30 ～ 40s 。
4.3 冷却区
借助冷却风扇，降低焊膏温度，形成焊点，并将线路板冷却至常温。
5 结论
通孔回流焊在很多方面可以替代波峰焊来实现对插装元件的焊接，特别是在处理焊接面上分布有高密度贴片元件 ( 或有线间距 SMD) 的插件焊点的焊接，这时传统的波峰焊接已无能为力，另外通孔回流焊能极大地提高焊接质量，这足以弥补其设备昂贵的不足。通孔回流焊的出现，对于丰富焊接手段、提高线路板组装密度 ( 可在焊接面分布高密度贴片元件 ) 、提升焊接质量、降低工艺流程，都大有帮助。可以预见，通孔回流焊将在未来的电子组装中发挥日益重要的作用。 本文摘自《电子工业专用设备》
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