电路板插孔锡膏回焊
一般电路板厂家在对电路板进行混合(焊接)技术(Mixed Technology)之组装;亦即所谓的SMT锡膏回焊,再加上通孔波焊等两种製程的前后参与。此等做法一向行之有年,即使进入无铅焊接之世代仍可依法炮製无甚新鲜。问题是无铅焊接的热量大增,即使正反面两次回焊,已逼得板材与零组件岌岌可危,若再多加上一道波焊的肆虐,其情况当然就更为不妙了。何况除了大型低阶产品外,幸孔零件已愈来愈少,是故波焊的生存价值确有检讨的馀地。
目前仍需用到插孔波焊的零件以连接器(Connector),或功率较大或插拔式元件等为主,但数量却愈来愈少。此等讲究结构力的焊点仍以插孔焊接为主,因其抗拉强度平均是SMT的10倍。早在多年前某些业者为了节省波焊设备与管理的负担,曾试行过一种“锡膏进孔”式,以热风回焊代替波焊的做法号完成引脚插孔与填锡的焊接。此法特称为Pin in Hole (PIH) 或Pin in Paste (PIP),目前在手机电路板组装中又开始流行,对未设置波焊机之业者而言,成本上似乎还算合理。
图1、此为电路板锡膏插孔焊接示意图
一、事先淮备
(1)耐热性的差异
将原先插脚之波焊改成锡膏入孔回焊时,最首要关切的重点是零件本体,是否能够耐得住无铅Reflow强大热量的考验而不致受伤。须知波焊时底面零件脚虽受到270℃约4秒钟的强热煎熬,但隔著PCB又远离锡波的零件本体,即使通过前后两道锡波时却始终未超过160℃,至于预热中的顶板面也只有120℃而已。不过回焊的做法却大异其趣,不但零件本体必须直接置身于220℃熔点以上,遭受热气流的折磨,且其TA L (融锡历时)更长达60秒以上。故知採用PIH的零组件其耐热性已与波焊者完全不同,必须要达一般SMD的基本要求才行。
(2)填锡量的考虑
电路板制作过程中锡膏重量比的组成是金属占88-90% ,其馀10-12%为有机辅料。但体积比却是各占一半,以致完成癒合凝结成焊点后,其体积将至少萎缩一半,因而在设计孔径时即应考虑其塡锡量的要求。一般经验法则是孔径要比起圆脚直径所大出的尺寸不宜超过10mi1〈即单边5mi1)。若为方脚时,其对角线所测的厚度与孔径相比时,两者相差値不宜超过5mil 。唯其如此回焊后孔内的塡锡高度,才较容易达到著名规范J-STD-001D表6-5中明文指出起码塡锡量75%的规格。
图2、左图之填锡量尚可,右图只剩下半孔沾锡别显然未达孔长75%的规格。
(3)钢板的开口。
为了要在插脚孔内妥备填锡量起见,刮刀所印出的锡膏体积必须要够多才行,因而同一片钢板对此种PIH的印膏,必须要採用扩大印刷Over Print的做法,亦即钢板要更厚且开口要比孔环更大,其印膏量才勉强够用。事实钢板增厚对其他小垫而言并不容易实行,反倒是对超出环面所扩印的锡膏,其实并不需要担心向外流失,因其癒合中强大的内聚力会将外围的锡量拉回中心来,因而无须去担忧焊后的短路问题。
图3、此二图均为PIH切片的暗视画面,左图之锡量不足应与印膏量欠缺,
以及孔径脚径之差距太大有关,通常二者差距以10mil以下为宜。
还有一种简单的做法,就是无需增加钢板的厚度,只要去回印刷两次锡膏,再加扩印的帮助亦可达到孔中填锡量的要求。至于先印一次薄膏后印二次厚膏的两片钢板重合印刷法,则于成本与施工上都很不适合,但对密集组装全无馀地,扩印者却颇为有利。不过要注意的是锡膏用量增加后,助焊剂的残渣也跟著变多’难免会对目检带来烦恼。
图4、可採同一片钢板来回刮印两次,以增加孔中锡膏的印入量。
图5、左图压低刮刀的攻角(由60°到45°〉将可增多入孔之印膏量,
右图说明剪脚不可太长,以免捅出锡膏而减少填锡并带来其他麻烦。
二、现场施工
(1)盖孔覆环法
此为早期的做法,是利用钢板开口将PTH孔口及环面全部予以覆盖锡膏,且刻意压低刮刀的攻角或刮印两次,可使锡膏之进孔量增多。然后将末端呈圆形或锥形的引脚,刺穿锡膏伸入孔中之后再去进行回焊。此法的缺点是锡膏经常会被太长的引脚所挤出或脱落,带来不少麻烦。最好是剪脚长度只要比板厚稍微多出50mil即可,如此将可得到良好的焊点。
(2)孔环单递或雨侧扩印法
刻意採扩大开口的钢板进行超多量锡膏的扩印 (Over P rint),使插脚回焊后能够达到填锡量的规范要求(75%),目前以孔环两侧的双边印膏法较为盛行。由于孔口并未盖满’因而不致发生引脚捅出锡膏的麻烦,但此种扩印术还要看板面的馀地是否够用’以做为施工的取捨。
图6、左上即为追加锡量的各种焊锡预料,左下为锡量饱满的PIH切片图。
右上为印膏上所另贴追加的预料,右下为未加预料前的昼面。
(3)追加预料法
即使採双边或单侧扩印的方式,也很难将插脚孔填锡到达规范之所需,于是只好在扩印的锡膏表面,再追加补贴一小块事先成型的焊锡预料商品(Preform),而此种预料是从扁平焊料所衝切出来的各种薄片,完全不含任何有机物,因而体积非常实在,焊后效果很好(最新商品亦有已附带助焊剂之预料)。不过却因市场有限而价格非常昂贵(单一小片竟索价新台币2元之多),而且自动贴放的动作也还要另伤脑筋。事实上此等棘手问题,只要人工够便宜手艺也够好时,烙铁手焊法仍是最佳的选择。
图7、此为双面SMT流程中加入PIH的说明,也就是当顶面完成回焊后,
即在顶面先行插脚弯脚,然后翻面在底面完成印膏与贴件,
并另于插焊处专门注射锡膏,最后才将PIH与底面贴件同时完成回焊。
(4)引脚出口局部挤膏法(Dispense)
当板子正面完成回焊后,即将各插装件之引脚插入孔内,并打弯所穿出的脚尾,当其翻板执行反面的锡膏刷之同时,再利用机械手臂定点挤膏脚尾,进炉后即可完成底面的插贴两种回焊。
三、冷门再度炒热
手机板电路板与其他手执型电子机器的多层板类,双面均需过炉回焊上各式贴装元件,但某些需要强度更好的少数焊接位置(例如充电插座等),则仍以通孔插焊为宜。对于如此之少数需求当然不可能大动干戈再去另做波焊’于是锡膏入孔的PIH or PIP做法,最近又大行其道矣。下左图即为手机板OSP处理之通孔,与两侧刻意加大之孔环设计,另图则为其第二板面锡膏回焊后的画面。
图8、左为手机电路板需多次插拔之充电接点,其焊点强度当然要比SMT更好才行,
于是即採用PIH方式进行锡膏入孔的插焊法。为了孔内填充锡量起见,
乃刻意利用馀地加大孔环面积以便容纳更多的印膏,使于熔合时能够拉回孔中。