電子SMT專業(yè)實(shí)訓(xùn)：通孔元件焊料填充不足原因及改善方案
THT部分引腳通孔焊料填充總是不能滿足要求，令人焦灼!根本原因?檢查方法?改善方案? 本文通過案例分析，為您答疑解惑!
盡管SMT表面貼裝元件已在電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，并占絕對多數(shù)，但還是有部分高可靠性產(chǎn)品，大功率器件，有受力要求的元件如連接器等采用通孔組裝方式。這類元件主要采用波峰焊接或手工焊接工藝來實(shí)現(xiàn)組裝。大家在生產(chǎn)過程中碰到最多、最頭疼的問題應(yīng)該就是通孔內(nèi)的焊料垂直填充不能達(dá)到IPC標(biāo)準(zhǔn)或客戶要求。特別是厚度較大的PCB或連接大塊銅箔的接地引腳等。本文通過兩個案例分析，對波峰焊接和手工焊接過程中，這種通孔填充不足的問題進(jìn)行分析并給出解決方案。
IPC610F關(guān)于關(guān)于通孔內(nèi)焊料填充高度要求
1失效案例
案例1
PCB厚度3.5mm，波峰焊后元件接地引腳通孔焊料填充只有PCB板厚度的30%(下圖)，不良率100%。
案例2
手工焊接，兩個接地引腳連接大塊散熱銅(左圖)，焊料上錫高度只有PCB板厚度的40%，不滿足IPC-A-610F標(biāo)準(zhǔn)，不良率100%。
2.原因分析及改善：
原因分析
從上面的魚骨圖分析，并結(jié)合前面的兩個案例，初步確認(rèn)影響通孔焊料填充的可能因素包括以下幾個方面：
1、采用托盤波峰焊接，如果通孔引腳與托盤孔壁之間空間狹窄，其將會影響錫的流動性，經(jīng)過波峰時，會產(chǎn)生陰影效應(yīng)，焊料可能越過而沒有接觸引腳或通孔，另外托盤也可能吸收部分熱量從而導(dǎo)致焊接區(qū)和焊腳預(yù)熱不足，這將會影響焊錫的毛細(xì)現(xiàn)象而導(dǎo)致潤濕不良和填充不足;
2、連接接地層或散熱層的引腳，散熱快，導(dǎo)致熱量不足，不利于焊料的潤濕填充;
3、PCB板厚度比較大，熱量不足，焊料在孔內(nèi)潤濕爬升困難;
4、板厚度大時，助焊劑穿透覆蓋不足，可能降低焊料潤濕性。
改善方案及效果
通過上面的分析，制定以下改善方案并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，檢查試驗(yàn)效果。
案例一改善方案：
1、加大波峰焊托盤開口尺寸，如下圖，在待焊引腳周圍留出盡可能多的空間。
2、提高預(yù)熱溫度，將預(yù)熱溫度設(shè)置平均提高10--15°C，見下表：
改善效果：
通過以上兩項(xiàng)改善措施，通孔上錫高度得到改善，達(dá)到PCB厚度60%以上(見改善后圖)，滿足IPC二級產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(50%PCB厚度)。
2 .案例二改善方案：
由于這是手工焊接，采用輔助加熱，在焊接前將PCB整體預(yù)熱溫度設(shè)置由200°C調(diào)整到240°C，烙鐵溫度設(shè)置也由410°C調(diào)高為420°C，更換大一號的烙鐵頭，參數(shù)設(shè)置見下表：
改善效果：
孔內(nèi)焊料垂直填充高度大于板厚60%，滿足IPC610F二級產(chǎn)品要求(50%PCB厚度)。
3歸納總結(jié)
根據(jù)這些案例分析及改善效果來看，前面的分析基本得到確認(rèn)。所以，對于接地腳或厚板通孔焊料填充不足的問題，我們應(yīng)該從PCB設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等方面提前考慮，做好預(yù)防措施，后面的工作就順心順意了：
1、通孔孔徑設(shè)計(jì)
主要考慮通孔與引腳直徑之間的間隙，太大或太小的間隙都不利于焊料在通孔內(nèi)的填充，當(dāng)然這個間隙也與PCB厚度有關(guān)系，PCB厚度越大，這個間隙也就相應(yīng)增加，大家可以參照下面表格內(nèi)的相互關(guān)系。這個間隙的保持對厚板來說是相當(dāng)重要的一個參數(shù)。既有利于元件插裝，也有利于焊料在孔內(nèi)的填充。
-如果引腳尺寸較大(直徑大于0.75mm)，盡管PCB厚度小于2mm，通孔直徑也要參照厚板尺寸計(jì)算，例如，引腳直徑1.0mm，盡管PCB厚度小于2mm，通孔直徑應(yīng)為2mm(1mm+1mm);
-如果引腳不是圓形而是方形，以較小的寬度尺寸為計(jì)算基準(zhǔn)，例如，引腳尺寸為0.5mmX1.0mm，PCB厚度為1.6mm，通孔直徑應(yīng)為1.4mm，而且孔徑至少比引腳端面對角線大0.18mm。
2、托盤設(shè)計(jì)
-托盤開孔尺寸大小設(shè)計(jì)應(yīng)考慮焊料垂直爬升距離(托盤底面到PCB底面之間距離)，其實(shí)這個開孔尺寸越大越好，大的開孔尺寸有利于焊料與元件引腳和通孔接觸潤濕。但因?yàn)榘迳显芏却?，沒有足夠的空間，這就需要保持一個最小開孔尺寸，這個尺寸要大于或等于焊料垂直爬升距離(如下圖)。
-如果托盤需要大的避空而擔(dān)心強(qiáng)度不足，可以考慮采用鈦合金替代部分原材料(如下圖)，在保證有足夠的避空情況下而不失強(qiáng)度、壽命要求。
3、對于板厚比較大的PCB(2mm以上)，在分析通孔上錫問題時需要考慮助焊劑在孔內(nèi)的覆蓋，可以通過下面左圖方法進(jìn)行檢測。通過熱敏紙上的助焊劑分布可以確認(rèn)助焊劑是否完全覆蓋通孔內(nèi)壁(右圖)，如果助焊劑覆蓋不充分，孔內(nèi)上錫高度也會大受影響。
4、厚度比較大的PCB或個別連接大塊銅箔的引腳波峰上錫不良，預(yù)熱是一個關(guān)鍵點(diǎn)。足夠的熱量是保證焊料充分流動、填充的必要條件，如果通孔內(nèi)壁熱量不足，焊料在孔內(nèi)的流動性變差，填充高度自然就很難達(dá)到了。PCB厚度大，自然需要更多的熱量，這個容易理解。同樣，如果引腳與大塊銅箔連接，盡管PCB厚度尺寸不大，但由于金屬熱量傳遞快，當(dāng)焊料流經(jīng)大塊銅層時，熱量迅速流失，流動性變差，填充潤濕性下降，就會出現(xiàn)通孔填充不足問題。所以，遇到較厚的PCB或連接大塊銅時，就要確保PCB元件面預(yù)熱溫度達(dá)到松香水的建議值(如>110C°)。
5、對于手工焊接，如果碰到厚板或接地腳焊接時，可以采用輔助加熱方式，事先對需要焊接的PCB進(jìn)行預(yù)熱處理，板上預(yù)熱溫度達(dá)到120—130°C為宜。
6、為了很好地監(jiān)控元件及PCB各區(qū)域的溫度，可以采用下圖所示放置熱電偶(TC、Thermocouple)，監(jiān)控焊接溫度和時間，也監(jiān)控非焊接區(qū)域的溫度和時間。這樣既可以確定焊接區(qū)溫度達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)，也不用擔(dān)心PCB或元件出現(xiàn)熱損傷問題。
⑴TC1用于監(jiān)控波峰接觸駐留時間;
⑵TC2用于測試并監(jiān)控PCB元件面低熱容區(qū)域溫度(無PTH元件);
⑶TC3用于測試并監(jiān)控PCB焊接面低熱容區(qū)域溫度(無PTH元件);
⑷TC4用于測試并監(jiān)控目標(biāo)元件焊接面安裝孔環(huán)溫度;
⑸TC5用于測試并監(jiān)控目標(biāo)元件元件面安裝孔環(huán)溫度;
⑹TC6測試并監(jiān)控元件封裝本體溫度。
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