混合技術(shù)貼裝與回流的模板設(shè)計(jì)

1、混合技術(shù)貼裝與回流的模板設(shè)計(jì)By William E. Coleman, Denis Jean and Julie Bradbury本文回顧用于在通孔焊盤(pán)/開(kāi)口的周?chē)蛢?nèi)面印刷錫膏的模板設(shè)計(jì)要求有必要回顧對(duì)于混合技術(shù)板的模板設(shè)計(jì)要求，因?yàn)槿鎸?shí)施允許通孔元件和表面貼裝元件(SMD) 兩者同時(shí)貼裝和隨后的回流焊接。這消除了波峰焊接或手工焊接通孔元件的必要。通孔元件的材料類(lèi)型、 引腳類(lèi)型、引腳長(zhǎng)度和支起高度將被考慮。將考慮三種模板設(shè)計(jì)：使用特大模板開(kāi)孔來(lái)添印錫膏在通孔焊盤(pán)區(qū)域內(nèi)的單一厚度模板，使用特大模板開(kāi)孔來(lái)添印錫膏在通孔焊盤(pán)區(qū)域內(nèi)的臺(tái)階式模板，和用于在通孔焊盤(pán)區(qū)域內(nèi)的印刷錫膏的厚模板 &quo

2、t; " 厚度 )。厚模板是雙印模板工藝中的第二塊模板。模板設(shè)計(jì)的選擇依靠幾個(gè)因素。這些因素包括：用于填充引腳周?chē)彦兺滓孕纬蛇m當(dāng)焊錫圓角的總的焊錫量要求；板的厚度；引腳直徑；已鍍通孔尺寸；通孔元件在板面分布的位置；元件間距；阻焊表面能量；錫膏活性水平；和金屬可焊性。背景雖然從通孔元件到SMD 的轉(zhuǎn)換已經(jīng)是戲劇性的，但許多印刷電路板 (PCB) 還使用兩種技術(shù)來(lái)組裝。在大多數(shù)電子裝配中，將有一些通孔元件在板上。在要求功率的應(yīng)用中，連接器將繼續(xù)以通孔形式存在。把通孔元件和SMD 一起貼裝和回流焊接會(huì)帶來(lái)很大的利益。這表示對(duì)錫膏印刷工藝的特殊挑戰(zhàn)。模板必須提供足夠的錫膏量來(lái)填充通孔，提

3、供良好的焊接點(diǎn)。通孔元件必須能夠經(jīng)受在回流焊接過(guò)程中遇到的特別大的熱量。對(duì)通孔引腳形式和整個(gè) PCB 設(shè)計(jì)必須作特殊的考慮。最近由 Gervascio 和 Whitmoreet al 發(fā)表的論文已探討了對(duì)通孔回流焊接的腳-浸-膏的工藝。通孔元件選擇元件材料。元件經(jīng)常落入“不兼容 ”的范疇，因?yàn)樗鼈兪窃O(shè)計(jì)用于波峰焊接的- 元件身體的溫度典型的比回流焊接工藝低50°100°C。以下是對(duì)回流焊接工藝的可接受和不可接受的材料一列表：可接受材料：DiallylPhthalate; Fluorinated Ethylene Propylene(FEP); Neoprene; Nylon

4、 6/6; Perfluoroalkoxy (PFA) resin; Phenolic; Polyamide-imide; Polyarylsulfone; Polyester ; Thermoset; Polyetherimide; Polyethylene Terephthalate; Polyimide; Polysulfone; Polytetrafluoroethylene (PFTE); Silicone; Polyphenylene Sulfide(PPS); Liquid Crystal Polymer (LCP); Polyetheretherketone.不可接受材料：Ac

5、rylonitrileButadiene Styrene (ABS);Acetalpolymer; Acrylic; Cellulose Acetate Butyrate (CAB); Polybutylene Teraphthalate (PBT); Polybutylene; Polycarbonate; Polyethylene; Polyphenylene Oxide; Polypropylene; Polystyrene; Polyvinyl Chloride (PVC); Polyethylene Tedrephthalate (PET).引腳類(lèi)型：直腳比較鎖腳通孔元件將經(jīng)常有很高

6、的保持力，波峰焊接期間用來(lái)保持元件的位置。在闖入式回流焊接中，這種力量沒(méi)有必要。高插入力量將使手工或自動(dòng)插件復(fù)雜化，產(chǎn)生通孔元件插件或貼裝期間的缺陷機(jī)會(huì)。通孔元件的插件力量必須小于貼裝設(shè)備的Z 軸力量；理想的，插件力應(yīng)該趨于零。插件振動(dòng)應(yīng)該保持到最小，以防止較小的 SMD 位移。元件選擇必須考慮到機(jī)器限制 (貼裝精度，貼裝力量，視覺(jué)能力和送料機(jī)構(gòu) )和人機(jī)工程學(xué)因素。 有高引腳數(shù)的通孔元件應(yīng)該有手工貼裝的定位特征，指導(dǎo)操作員對(duì)焊盤(pán)孔的適當(dāng)定位。引腳長(zhǎng)度引腳長(zhǎng)度不應(yīng)該超過(guò) PCB 厚度的 "。當(dāng)引腳插入，一些錫膏被頂出孔，留在引腳上。如果引腳太長(zhǎng)，在回流焊接過(guò)程中錫膏將不能流回焊盤(pán)，減

7、少了最后的焊接圓角體積。PCB 設(shè)計(jì)事項(xiàng)通孔尺寸。在分析元件通孔尺寸的設(shè)計(jì)中，幾個(gè)因素起作用：貼裝精度公差 (A)PCB 通孔位置公差 (B)PCB 通孔尺寸公差 (C)零件引腳位置公差(D)引腳直徑公差 (E)經(jīng)驗(yàn)顯示，最壞情況的分析不總是必須的。假設(shè)這些因素設(shè)正常和獨(dú)立地分布的， 每個(gè)因素的自然公差限( ±3 sigma)與它們各自的規(guī)格限定相符合，或在其內(nèi)，對(duì)插件過(guò)程的總標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)的公差的平方和開(kāi)平方根。決定元件通孔尺寸的方程式如下：最后孔徑= 名義引腳直徑+ (A2 + B2 + C2 + D2 + E2)在最后通孔中成功插件的概率可從Z 表估算，因?yàn)樵谡龖B(tài)分布中，自然公

8、差限為：可是，應(yīng)該注意到，元件引腳與最后通孔尺寸之間的間隙越大，需要越多的錫膏量來(lái)形成適度的焊接點(diǎn)。焊盤(pán)尺寸。當(dāng)考慮最小焊盤(pán)尺寸時(shí)，設(shè)計(jì)必須考慮到最后通孔尺寸， PCB 制造公差和最小要求環(huán)。最小環(huán)是從通孔邊緣到焊盤(pán)外徑的銅材。這是需要用來(lái)使電鍍?nèi)菀缀蜋C(jī)械錨定已鍍通孔的一層銅的最小量的函數(shù)。下面給出對(duì)于任何最后通孔尺寸的最小焊盤(pán)直徑：最小焊盤(pán)直徑= 最后通孔直徑+ 2 x ( 最小環(huán) ) + PCB 制造公差應(yīng)該注意到最小焊盤(pán)尺寸減少了需要用來(lái)形成頂面和低面焊接圓角的錫膏量。錫膏不準(zhǔn)入內(nèi)的區(qū)域。通孔元件將要求額外的間隙，沒(méi)有元件和暴露通路孔需要錫膏添印。如果有暴露的通路孔太靠近，焊錫將在通路孔

9、與元件焊盤(pán)之間平分，引起錫橋。通孔元件的錫膏不準(zhǔn)入內(nèi)區(qū)域應(yīng)該沒(méi)有暴露的金屬(除焊盤(pán)外 )，其它孔和圖例油墨。圖例油墨可能影響回流期間錫膏的流動(dòng)，并引起它分開(kāi)，形成錫珠。錫膏添印的考慮成功的錫膏添印是錫膏流變學(xué)、阻焊和通孔元件支起高度的函數(shù)。高表面能量的阻焊將比低表面能量的阻焊允許更多的添印。如果添印多，低表面能量的阻焊可能形成錫珠。另外，可焊性較高的焊盤(pán)表面拋光., HASL vs. OSP)、引腳拋光和較高熔濕強(qiáng)度的錫膏，都有助于使添印回流過(guò)程更穩(wěn)健。錫膏印刷應(yīng)該覆蓋整個(gè)焊盤(pán)，使焊盤(pán)作用在添印區(qū)域的熔濕力最大。所要求的元件支起高度是超出元件焊盤(pán)的錫膏量的函數(shù)。因?yàn)樵诓豢珊副砻娴娜坼a的形狀是球

10、形的，添印的錫膏有一種趨勢(shì)在回流期間當(dāng)它向內(nèi)移向焊盤(pán)時(shí)形成球形。元件支起高度必須大于2x (在任何給定方向印刷超出元件焊盤(pán)量x 3)/4n1/3 。容納材料的元件不應(yīng)該與錫膏接觸。支起高度不能滿足這個(gè)要求或添印方式不能重新安排的地方，或許有必要減少添印尺寸和用臺(tái)階式模板來(lái)補(bǔ)償錫膏不足。電器測(cè)試考慮這個(gè)過(guò)程將影響電器在線測(cè)試(ICT) 。當(dāng)使用闖入式回流工藝，通孔元件的引腳尖和底面焊接圓角覆蓋有助焊劑殘留，可能導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)奶结樈佑|，如果引腳尖是用來(lái)作測(cè)試點(diǎn)。將要求額外的測(cè)試焊盤(pán)來(lái)消除不良的探針接觸。另一個(gè)可能影響ICT 的因素是，沒(méi)堵塞的通路孔引起的真空降低。對(duì)測(cè)試的目的，非測(cè)試通路孔可以用阻焊

11、遮蓋。模板設(shè)計(jì)焊錫量。用于通孔回流焊接的錫膏模板印刷的目的是，提供足夠的焊錫量在回流焊接后填充通孔，并在引腳周?chē)纬煽山邮艿暮附訄A角。描述所要求的錫膏量的方程式如圖一中所示。有三種通常用于給通孔遞送錫膏的模板設(shè)計(jì)：非臺(tái)階式模板，臺(tái)階式模板和雙印模板。開(kāi)口之間的最小距離。開(kāi)口之間的網(wǎng)格距離應(yīng)該最大化，以消除錫橋或由于錫膏塌落引起的焊錫斷源。" 或更少的模板上的開(kāi)口之間的細(xì)網(wǎng)格會(huì)在印刷過(guò)程中變形和拉長(zhǎng)。下面因素中的一些將影響網(wǎng)格尺寸：開(kāi)口尺寸模板厚度板的彎曲度刮板材料印刷機(jī)設(shè)定不采用臺(tái)階的添印這是一個(gè)單一厚度的模板，很大的開(kāi)口使通孔元件滿足用于形成焊接點(diǎn)的錫膏量的要求。該模板類(lèi)型的截面如

12、圖二所示。使用這種模板的一個(gè)例子是，一個(gè)兩排的連接器，"間距， "直徑的通孔和 "的引腳直徑， "厚度的 PCB，在 "的通孔開(kāi)口范圍內(nèi)沒(méi)有其它的元件和通路孔。一塊 " 寬， "長(zhǎng)的開(kāi)口，和 "厚度的添印模板，可以達(dá)到足夠的錫膏量，以形成在PCB 的兩面有焊接圓角的焊接點(diǎn)。用臺(tái)階式添印當(dāng)單一厚度的添印模板不能提供適當(dāng)?shù)腻a膏量來(lái)形成一個(gè)可接受的焊接點(diǎn)的時(shí)候，可使用臺(tái)階式添印模板。臺(tái)階式添印模板的應(yīng)用是，多引腳排的通孔元件(三或更多 )或在 SMT 元件和通孔元件之間具有最小不準(zhǔn)入內(nèi)區(qū)域的高密度組裝板。這個(gè)模板類(lèi)型的一

13、個(gè)例子如圖三所示。K1 和 K2 是不準(zhǔn)入內(nèi)距離。K2 是通孔開(kāi)口與臺(tái)階邊緣之間的距離。作為一條設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，K2 可以小到 "。K1 是臺(tái)階邊緣到臺(tái)階下降區(qū)域內(nèi)最近的開(kāi)口的距離。作為一條設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，K1 對(duì)每一個(gè) "的臺(tái)階下降厚度不應(yīng)該小于"。例如，"一個(gè)臺(tái)階下降到 "，將要求的 K1 不準(zhǔn)入內(nèi)距離。也可能把臺(tái)階放在模板的接觸面，而不是刮板面 (圖四 )。這種類(lèi)型的臺(tái)階有時(shí)對(duì)使用金屬刮刀更有效。錫膏裝載式印刷頭沒(méi)有印刷刀片，但有擦拭刀片。這些擦拭刀片會(huì)碰上模板刮刀面的任何臺(tái)階。因此，對(duì)這類(lèi)印刷頭，要求接觸面臺(tái)階。同樣的不準(zhǔn)入內(nèi)原則用于接觸面

14、或刮刀面臺(tái)階。臺(tái)階樣式取決于PCB 樣式。圖五所示帶有邊緣連接器的PCB。PCB 輪廓由點(diǎn)虛線表示。 這種情況， 臺(tái)階應(yīng)該比所示的刮刀長(zhǎng)度要寬。當(dāng)刮刀通過(guò)刮刀面臺(tái)階的加深部分時(shí)，不會(huì)在端點(diǎn)被支起。金屬箔會(huì)很容易地往下偏，對(duì)接觸面臺(tái)階，形成良好的和PCB之間的接觸。圖六所示，通孔元件交錯(cuò)在SMT 元件中間。這種情況，模板在一個(gè)很大的區(qū)域包括板的區(qū)域，向下一個(gè)臺(tái)階到" 。還有，臺(tái)階比刮板長(zhǎng)度更大，如圖所示。在通孔元件區(qū)域，模板向上臺(tái)階到 "。向上臺(tái)階可以在刮板面或者接觸面。點(diǎn)雙印模板一些通孔元件有小的引腳而大的通孔或密的間距而厚的板。任何一個(gè)情況， 使用前兩種模板設(shè)計(jì)都可能造成錫膏量不足。雙印模板可以遞送大量的錫膏到已鍍通孔中。在這個(gè)設(shè)計(jì)中， 一塊標(biāo)準(zhǔn)的 SMT 模板 "厚 )用來(lái)印刷 SMD 的焊錫塊。當(dāng)SMD 錫膏還有粘性時(shí)，一塊厚的模板用來(lái)印刷通孔錫膏。通常，這要求第二臺(tái)模板印刷機(jī)在線設(shè)立，完成這次印刷。 這個(gè)模板可以達(dá)到所要求的厚度 - 一般 " "。當(dāng)厚度要求超過(guò)"時(shí)，激光切割、電解拋光的開(kāi)口由于其優(yōu)良的孔壁