混合技术贴装与回流的模板设计.doc

1、混 合 技 术 贴 装 与 回 流 的 模 板 设 计有 必 要 回 顾 对 于 混 合 技 术 板 的 模 板 设 计 要 求 ， 因 为 全 面 实 施 允 许 通 孔 元 件 和 表面 贴 装 元 件 (SMD)两 者 同 时 贴 装 和 随 后 的 回 流 焊 接 。 这 消 除 了 波 峰 焊 接 或 手 工 焊接 通 孔 元 件 的 必 要 。通 孔 元 件 的 材 料 类 型 、 引 脚 类 型 、 引 脚 长 度 和 支 起 高 度 将 被 考 虑 。 将 考 虑 三 种 模 板设 计 ： 使 用 特 大 模 板 开 孔 来 添 印 锡 膏 在 通 孔 焊 盘 区 域 内 的

2、单 一 厚 度 模 板 ， 使 用 特 大模 板 开 孔 来 添 印 锡 膏 在 通 孔 焊 盘 区 域 内 的 台 阶 式 模 板 ， 和 用 于 在 通 孔 焊 盘 区 域 内 的印 刷 锡 膏 的 厚 模 板 (0.015“ 0.025“ 厚 度 )。 厚 模 板 是 双 印 模 板 工 艺 中 的 第 二块 模 板 。模 板 设 计 的 选 择 依 靠 几 个 因 素 。 这 些 因 素 包 括 ： 用 于 填 充 引 脚 周 围 已 镀 通 孔 以 形 成适 当 焊 锡 圆 角 的 总 的 焊 锡 量 要 求 ； 板 的 厚 度 ； 引 脚 直 径 ； 已 镀 通 孔 尺 寸 ； 通

3、 孔 元 件在 板 面 分 布 的 位 置 ； 元 件 间 距 ； 阻 焊 表 面 能 量 ； 锡 膏 活 性 水 平 ； 和 金 属 可 焊 性 。背 景虽 然 从 通 孔 元 件 到 SMD 的 转 换 已 经 是 戏 剧 性 的 ， 但 许 多 印 刷 电 路 板 (PCB)还使 用 两 种 技 术 来 组 装 。 在 大 多 数 电 子 装 配 中 ， 将 有 一 些 通 孔 元 件 在 板 上 。 在 要 求 功率 的 应 用 中 ， 连 接 器 将 继 续 以 通 孔 形 式 存 在 。 把 通 孔 元 件 和 SMD 一 起 贴 装 和回 流 焊 接 会 带 来 很 大 的 利

4、益 。 这 表 示 对 锡 膏 印 刷 工 艺 的 特 殊 挑 战 。 模 板 必 须 提 供 足够 的 锡 膏 量 来 填 充 通 孔 ， 提 供 良 好 的 焊 接 点 。 通 孔 元 件 必 须 能 够 经 受 在 回 流 焊 接 过程 中 遇 到 的 特 别 大 的 热 量 。 对 通 孔 引 脚 形 式 和 整 个 PCB 设 计 必 须 作 特 殊 的 考 虑 。最 近 由 Gervascio 和 Whitmore et al 发 表 的 论 文 已 探 讨 了 对 通 孔 回 流 焊 接 的 脚-浸 -膏 的 工 艺 。通 孔 元 件 选 择元 件 材 料 。 元 件 经 常 落

5、 入 “不 兼 容 ”的 范 畴 ， 因 为 它 们 是 设 计 用 于 波 峰 焊 接 的 - 元 件 身 体 的 温 度 典 型 的 比 回 流 焊 接 工 艺 低 50 100C。以 下 是 对 回 流 焊 接 工 艺 的 可 接 受 和 不 可 接 受 的 材 料 一 列 表 ：可 接 受 材 料 ： Diallyl Phthalate; Fluorinated Ethylene Propylene (FEP); Neoprene; Nylon 6/6; Perfluoroalkoxy (PFA) resin; Phenolic; Polyamide-imide; Polyarylsu

6、lfone; Polyester ; Thermoset; Polyetherimide; Polyethylene Terephthalate; Polyimide; Polysulfone; Polytetrafluoroethylene (PFTE); Silicone; Polyphenylene Sulfide (PPS); Liquid Crystal Polymer (LCP); Polyetheretherketone.不 可 接 受 材 料 ： Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS); Acetal polymer; Acrylic; Ce

7、llulose Acetate Butyrate (CAB); Polybutylene Teraphthalate (PBT); Polybutylene; Polycarbonate; Polyethylene; Polyphenylene Oxide; Polypropylene; Polystyrene; Polyvinyl Chloride (PVC); Polyethylene Tedrephthalate (PET).引 脚 类 型 ： 直 脚 比 较 锁 脚通 孔 元 件 将 经 常 有 很 高 的 保 持 力 ， 波 峰 焊 接 期 间 用 来 保 持 元 件 的 位 置 。

8、 在 闯 入 式 回流 焊 接 中 ， 这 种 力 量 没 有 必 要 。 高 插 入 力 量 将 使 手 工 或 自 动 插 件 复 杂 化 ， 产 生 通 孔元 件 插 件 或 贴 装 期 间 的 缺 陷 机 会 。 通 孔 元 件 的 插 件 力 量 必 须 小 于 贴 装 设 备 的 Z 轴 力量 ； 理 想 的 ， 插 件 力 应 该 趋 于 零 。 插 件 振 动 应 该 保 持 到 最 小 ， 以 防 止 较 小 的 SMD 位移 。 元 件 选 择 必 须 考 虑 到 机 器 限 制 (贴 装 精 度 ， 贴 装 力 量 ， 视 觉 能 力 和 送 料 机 构 )和人 机 工

9、程 学 因 素 。 有 高 引 脚 数 的 通 孔 元 件 应 该 有 手 工 贴 装 的 定 位 特 征 ， 指 导 操 作 员对 焊 盘 孔 的 适 当 定 位 。引 脚 长 度引 脚 长 度 不 应 该 超 过 PCB 厚 度 的 0.050“。 当 引 脚 插 入 ， 一 些 锡 膏 被 顶 出 孔 ， 留在 引 脚 上 。 如 果 引 脚 太 长 ， 在 回 流 焊 接 过 程 中 锡 膏 将 不 能 流 回 焊 盘 ， 减 少 了 最 后 的焊 接 圆 角 体 积 。PCB 设 计 事 项通 孔 尺 寸 。 在 分 析 元 件 通 孔 尺 寸 的 设 计 中 ， 几 个 因 素 起

10、 作 用 ： 贴 装 精 度 公 差 (A)PCB 通 孔 位 置 公 差 (B)PCB 通 孔 尺 寸 公 差 (C)零 件 引 脚 位 置 公 差 (D)引 脚 直 径 公 差 (E)经 验 显 示 ， 最 坏 情 况 的 分 析 不 总 是 必 须 的 。 假 设 这 些 因 素 设 正 常 和 独 立 地 分 布 的 ，每 个 因 素 的 自 然 公 差 限 (3 sigma)与 它 们 各 自 的 规 格 限 定 相 符 合 ， 或 在 其 内 ，对 插 件 过 程 的 总 标 准 偏 差 的 估 计 的 公 差 的 平 方 和 开 平 方 根 。 决 定 元 件 通 孔 尺 寸 的

11、 方程 式 如 下 ：最 后 孔 径 = 名 义 引 脚 直 径 + (A + B + C + D + E)在 最 后 通 孔 中 成 功 插 件 的 概 率 可 从 Z 表 估 算 ， 因 为 在 正 态 分 布 中 ， 自 然 公 差 限为 ：可 是 ， 应 该 注 意 到 ， 元 件 引 脚 与 最 后 通 孔 尺 寸 之 间 的 间 隙 越 大 ， 需 要 越 多 的 锡 膏 量来 形 成 适 度 的 焊 接 点 。焊 盘 尺 寸 。 当 考 虑 最 小 焊 盘 尺 寸 时 ， 设 计 必 须 考 虑 到 最 后 通 孔 尺 寸 ， PCB 制造 公 差 和 最 小 要 求 环 。 最

12、 小 环 是 从 通 孔 边 缘 到 焊 盘 外 径 的 铜 材 。 这 是 需 要 用 来 使 电镀 容 易 和 机 械 锚 定 已 镀 通 孔 的 一 层 铜 的 最 小 量 的 函 数 。 下 面 给 出 对 于 任 何 最 后 通 孔尺 寸 的 最 小 焊 盘 直 径 ：最 小 焊 盘 直 径 = 最 后 通 孔 直 径 + 2 x (最 小 环 ) + PCB 制 造 公 差应 该 注 意 到 最 小 焊 盘 尺 寸 减 少 了 需 要 用 来 形 成 顶 面 和 低 面 焊 接 圆 角 的 锡 膏 量 。锡 膏 不 准 入 内 的 区 域 。 通 孔 元 件 将 要 求 额 外 的

13、 间 隙 ， 没 有 元 件 和 暴 露 通 路 孔 需 要锡 膏 添 印 。 如 果 有 暴 露 的 通 路 孔 太 靠 近 ， 焊 锡 将 在 通 路 孔 与 元 件 焊 盘 之 间 平 分 ， 引起 锡 桥 。 通 孔 元 件 的 锡 膏 不 准 入 内 区 域 应 该 没 有 暴 露 的 金 属 (除 焊 盘 外 )， 其它 孔 和 图 例 油 墨 。 图 例 油 墨 可 能 影 响 回 流 期 间 锡 膏 的 流 动 ， 并 引 起 它 分 开 ， 形 成 锡珠 。锡 膏 添 印 的 考 虑成 功 的 锡 膏 添 印 是 锡 膏 流 变 学 、 阻 焊 和 通 孔 元 件 支 起 高

14、 度 的 函 数 。 高 表 面 能 量 的 阻焊 将 比 低 表 面 能 量 的 阻 焊 允 许 更 多 的 添 印 。 如 果 添 印 多 ， 低 表 面 能 量 的 阻 焊 可 能形 成 锡 珠 。 另 外 ， 可 焊 性 较 高 的 焊 盘 表 面 抛 光 (e.g., HASL vs. OSP)、 引 脚抛 光 和 较 高 熔 湿 强 度 的 锡 膏 ， 都 有 助 于 使 添 印 回 流 过 程 更 稳 健 。 锡 膏 印 刷 应 该 覆 盖整 个 焊 盘 ， 使 焊 盘 作 用 在 添 印 区 域 的 熔 湿 力 最 大 。所 要 求 的 元 件 支 起 高 度 是 超 出 元

15、件 焊 盘 的 锡 膏 量 的 函 数 。 因 为 在 不 可 焊 表 面 的 熔 锡的 形 状 是 球 形 的 ， 添 印 的 锡 膏 有 一 种 趋 势 在 回 流 期 间 当 它 向 内 移 向 焊 盘 时 形 成 球 形 。元 件 支 起 高 度 必 须 大 于 2 x (在 任 何 给 定 方 向 印 刷 超 出 元 件 焊 盘 量 x 3)/4n1/3。 容 纳 材 料 的 元 件 不 应 该 与 锡 膏 接 触 。 支 起 高 度 不 能 满 足 这 个 要 求 或 添 印方 式 不 能 重 新 安 排 的 地 方 ， 或 许 有 必 要 减 少 添 印 尺 寸 和 用 台 阶

16、式 模 板 来 补 偿 锡 膏 不足 。电 器 测 试 考 虑这 个 过 程 将 影 响 电 器 在 线 测 试 (ICT)。 当 使 用 闯 入 式 回 流 工 艺 ， 通 孔 元 件 的 引 脚尖 和 底 面 焊 接 圆 角 覆 盖 有 助 焊 剂 残 留 ， 可 能 导 致 不 适 当 的 探 针 接 触 ， 如 果 引 脚 尖 是用 来 作 测 试 点 。 将 要 求 额 外 的 测 试 焊 盘 来 消 除 不 良 的 探 针 接 触 。另 一 个 可 能 影 响 ICT 的 因 素 是 ， 没 堵 塞 的 通 路 孔 引 起 的 真 空 降 低 。 对 测 试 的 目 的 ，非 测

17、试 通 路 孔 可 以 用 阻 焊 遮 盖 。模 板 设 计焊 锡 量 。 用 于 通 孔 回 流 焊 接 的 锡 膏 模 板 印 刷 的 目 的 是 ， 提 供 足 够 的 焊 锡 量 在 回 流焊 接 后 填 充 通 孔 ， 并 在 引 脚 周 围 形 成 可 接 受 的 焊 接 圆 角 。 描 述 所 要 求 的 锡 膏 量 的 方程 式 如 图 一 中 所 示 。 有 三 种 通 常 用 于 给 通 孔 递 送 锡 膏 的 模 板 设 计 ： 非 台 阶 式 模 板 ，台 阶 式 模 板 和 双 印 模 板 。开 口 之 间 的 最 小 距 离 。 开 口 之 间 的 网 格 距 离

18、应 该 最 大 化 ， 以 消 除 锡 桥 或 由 于 锡 膏塌 落 引 起 的 焊 锡 断 源 。 0.006“或 更 少 的 模 板 上 的 开 口 之 间 的 细 网 格 会 在 印 刷 过 程中 变 形 和 拉 长 。 下 面 因 素 中 的 一 些 将 影 响 网 格 尺 寸 ：开 口 尺 寸模 板 厚 度板 的 弯 曲 度刮 板 材 料印 刷 机 设 定不 采 用 台 阶 的 添 印这 是 一 个 单 一 厚 度 的 模 板 ， 很 大 的 开 口 使 通 孔 元 件 满 足 用 于 形 成 焊 接 点 的 锡 膏 量 的要 求 。 该 模 板 类 型 的 截 面 如 图 二 所

19、示 。 使 用 这 种 模 板 的 一 个 例 子 是 ， 一 个 两 排 的 连接 器 ， 0.10“间 距 ， 0.045“直 径 的 通 孔 和 0.035“的 引 脚 直 径 ， 0.048“厚 度 的PCB， 在 0.150“的 通 孔 开 口 范 围 内 没 有 其 它 的 元 件 和 通 路 孔 。 一 块 0.085“宽 ，0.170“长 的 开 口 ， 和 0.006“厚 度 的 添 印 模 板 ， 可 以 达 到 足 够 的 锡 膏 量 ， 以 形 成在 PCB 的 两 面 有 焊 接 圆 角 的 焊 接 点 。用 台 阶 式 添 印当 单 一 厚 度 的 添 印 模 板

20、不 能 提 供 适 当 的 锡 膏 量 来 形 成 一 个 可 接 受 的 焊 接 点 的 时 候 ，可 使 用 台 阶 式 添 印 模 板 。 台 阶 式 添 印 模 板 的 应 用 是 ， 多 引 脚 排 的 通 孔 元 件(三 或 更 多 )或 在 SMT 元 件 和 通 孔 元 件 之 间 具 有 最 小 不 准 入 内 区 域 的 高 密 度 组 装 板 。这 个 模 板 类 型 的 一 个 例 子 如 图 三 所 示 。 K1 和 K2 是 不 准 入 内 距 离 。 K2 是 通 孔开 口 与 台 阶 边 缘 之 间 的 距 离 。作 为 一 条 设 计 指 导 原 则 ， K2

21、 可 以 小 到 0.025“。 K1 是 台 阶 边 缘 到 台 阶 下 降 区 域内 最 近 的 开 口 的 距 离 。 作 为 一 条 设 计 指 导 原 则 ， K1 对 每 一 个 0.001“的 台 阶 下降 厚 度 不 应 该 小 于 0.035“。 例 如 ， 0.008“一 个 台 阶 下 降 到 0.006“， 将 要 求0.070 的 K1 不 准 入 内 距 离 。 也 可 能 把 台 阶 放 在 模 板 的 接 触 面 ， 而 不 是 刮 板 面 (图四 )。 这 种 类 型 的 台 阶 有 时 对 使 用 金 属 刮 刀 更 有 效 。 锡 膏 装 载 式 印 刷

22、头 没 有 印 刷 刀片 ， 但 有 擦 拭 刀 片 。 这 些 擦 拭 刀 片 会 碰 上 模 板 刮 刀 面 的 任 何 台 阶 。 因 此 ， 对 这 类 印刷 头 ， 要 求 接 触 面 台 阶 。 同 样 的 不 准 入 内 原 则 用 于 接 触 面 或 刮 刀 面 台 阶 。台 阶 样 式 取 决 于 PCB 样 式 。 图 五 所 示 带 有 边 缘 连 接 器 的 PCB。 PCB 轮 廓 由 点 虚线 表 示 。 这 种 情 况 ， 台 阶 应 该 比 所 示 的 刮 刀 长 度 要 宽 。 当 刮 刀 通 过 刮 刀 面 台 阶 的 加深 部 分 时 ， 不 会 在 端

23、点 被 支 起 。 金 属 箔 会 很 容 易 地 往 下 偏 ， 对 接 触 面 台 阶 ， 形 成 良好 的 和 PCB 之 间 的 接 触 。 图 六 所 示 ， 通 孔 元 件 交 错 在 SMT 元 件 中 间 。 这 种 情况 ， 模 板 在 一 个 很 大 的 区 域 包 括 板 的 区 域 ， 向 下 一 个 台 阶 到 0.006“。 还 有 ，台 阶 比 刮 板 长 度 更 大 ， 如 图 所 示 。 在 通 孔 元 件 区 域 ， 模 板 向 上 台 阶 到0.008“。 向 上 台 阶 可 以 在 刮 板 面 或 者 接 触 面 。双 印 模 板一 些 通 孔 元 件

24、有 小 的 引 脚 而 大 的 通 孔 或 密 的 间 距 而 厚 的 板 。 任 何 一 个 情 况 ， 使 用 前两 种 模 板 设 计 都 可 能 造 成 锡 膏 量 不 足 。 双 印 模 板 可 以 递 送 大 量 的 锡 膏 到 已 镀 通 孔 中 。在 这 个 设 计 中 ， 一 块 标 准 的 SMT 模 板 (0.006“厚 )用 来 印 刷 SMD 的 焊 锡 块 。 当SMD 锡 膏 还 有 粘 性 时 ， 一 块 厚 的 模 板 用 来 印 刷 通 孔 锡 膏 。 通 常 ， 这 要 求 第 二 台 模 板印 刷 机 在 线 设 立 ， 完 成 这 次 印 刷 。 这

25、个 模 板 可 以 达 到 所 要 求 的 厚 度 - 一 般0.016“ 0.030“。 当 厚 度 要 求 超 过 0.020“时 ， 激 光 切 割 、 电 解 抛 光 的 开 口 由于 其 优 良 的 孔 壁 几 何 形 状 ， 提 供 较 好 的 锡 膏 释 放 和 全 面 的 印 刷 性 能 。 这 个 模 板 的 接触 面 的 任 何 前 面 印 刷 有 SMD 焊 锡 块 的 区 域 ， 腐 蚀 至 少 0.010“的 深 度 。 双 印 通孔 模 板 的 截 面 如 图 七 所 示 。结 论许 多 SMT 装 配 工 艺 工 程 师 已 经 成 功 将 通 孔 装 配 从 波 峰 焊 接 转 换 成 回 流 焊 接 。 这 允许 两 类 元 件 贴 装 在 PCB 上 ， 并 使 用 单 一 的 回 流 工 艺 进 行 焊 接 。 当 转 换 这 个 工 艺 - 以 及 无 数 的 生 意 时 ， 有 许 多 需 要 考 虑 的 设 计 事 项 。 尽 管 如 此 ， 通 孔 元 件 材 料 类 型 、引 脚 设 计 、 引 脚 长 度 、 PCB 和 模 板 设 计 的 仔 细 选 择 将 确 保 成 功 。