電子SMT專業(yè)實(shí)訓(xùn)：通孔器件引腳與過(guò)孔間距對(duì)焊點(diǎn)透錫的影響分析
SMT技術(shù)：對(duì)通孔元器件焊點(diǎn)焊料在焊盤孔內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，將不同引腳直徑的電感線圈焊接至孔徑為1mm連接大面積覆銅層的通孔焊盤，通過(guò)顯微剖切試驗(yàn)觀察其焊點(diǎn)的透錫效果，分析得出焊盤孔與器件引腳之間間隙對(duì)多層大面積覆銅層印制板通孔元器件焊點(diǎn)的透錫影響。
1、引言
隨著電子產(chǎn)品向小型化、便攜化和高性能方向發(fā)展，印制電路板制造也向多層化、功能化和集成化方向飛速發(fā)展，印制電路板的層數(shù)越來(lái)越高。多層印制板層數(shù)4～16層不等，其中依據(jù)印制板設(shè)計(jì)規(guī)范存在多層大面積覆銅層(電源層和地層：25mm×25mm)。雖然現(xiàn)在部分高密度組裝印制板上的元器件以表面安裝器件為主，但是像接插件、電感線圈和雙列直插集成電路等封裝的通孔元器件，依然是表貼元器件所無(wú)法取代的。當(dāng)這些通孔元器件的引腳焊接至連接大面積覆銅層的通孔焊盤時(shí)，焊點(diǎn)的形態(tài)、外觀很難滿足要求，其中主要是焊點(diǎn)滲錫不良現(xiàn)象。美國(guó)民用標(biāo)準(zhǔn)IPC-A-610D中將少于75%焊料填充的通孔焊點(diǎn)視為不合格焊點(diǎn)，此類不合格焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度不足，還會(huì)造成助焊劑殘留、孔內(nèi)焊料體與鍍銅層交界面應(yīng)力集中等缺陷，在后續(xù)力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境等試驗(yàn)條件下可能導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。
通過(guò)對(duì)過(guò)錫量不足的通孔焊點(diǎn)進(jìn)行分析，有些是因?yàn)樵骷_表面氧化，阻礙了液態(tài)焊錫的流動(dòng)性而造成的，而大部分透錫不良是由于印制板通孔焊盤的設(shè)計(jì)工藝性達(dá)不到要求引起的。例如：a.連接大面積覆銅層的焊盤在滿足電氣連接的前提下未作出隔離的蝕刻區(qū)域或連接多個(gè)大面積覆銅層，當(dāng)使用電烙鐵對(duì)這類焊盤上的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接操作時(shí)，烙鐵頭的熱量迅速地流向了大面積敷銅層，熱量不足以保持熔融態(tài)的焊料從焊接面流向元件面;b.元器件引腳與焊盤孔間距過(guò)大，減弱了熔融的液態(tài)焊料在爬升過(guò)程中的毛細(xì)作用，造成焊料流動(dòng)性差，通孔焊盤透錫不良等。如圖1所示。
圖1、透錫不良焊點(diǎn)及環(huán)境試驗(yàn)后裂紋照片
2、通孔焊點(diǎn)透錫原理
釬焊是采用比母材熔化溫度低的填充材料(釬料)，加熱溫度低于母材固相線而高于釬料液相線，借助于釬料熔化填滿母材間隙，然后冷卻形成接頭的一種焊接技術(shù)。
通孔元器件手工焊接過(guò)程中，元器件焊盤和引腳通過(guò)助焊劑去除氧化層后，經(jīng)過(guò)電烙鐵對(duì)焊錫、焊盤及元器件引腳加熱后，融化的焊料依靠對(duì)通孔焊盤的潤(rùn)濕作用和毛細(xì)現(xiàn)象沿焊盤孔爬升，形成焊點(diǎn)。
熔融態(tài)焊錫的爬升高度由式(1)表示：
h=2(σsg-σsl)/ρga(1)
式中：h——焊料填充高度;σsg——固氣界面張力;σsl——固液界面張力;ρ——熔融態(tài)焊料密度;g——重力加速度;a——焊盤孔的直徑。
熔融態(tài)焊錫的動(dòng)態(tài)爬升速度由式(2)表示：
V=dy/dt=aσlcosθ/4ηy(2)
式中：h——焊料填充高度;σsg——固氣界面張力;σsl——固液界面張力;ρ——熔融態(tài)焊料密度;g——重力加速度;a——焊盤孔的直徑。
由式(1)中可以看出：當(dāng)元器件引腳與焊盤孔壁的間隙越小時(shí)，液態(tài)焊料的毛細(xì)作用越強(qiáng)，通孔焊盤內(nèi)焊料的填充高度就越高，焊點(diǎn)的透錫效果就越好。
從式(2)中可以得出：液面的接觸角θ越小，熔融態(tài)焊料流向印制板元器件面的速度越快;降低焊料的粘度可以有效地降低液面的接觸角。熔融態(tài)焊料的粘度隨著加熱溫度的升高而下降，所以提高焊接溫度可以加快液態(tài)焊料的爬升速度。
通過(guò)以上對(duì)焊料在金屬化孔內(nèi)爬升的物理過(guò)程分析，可以得出下列關(guān)鍵因素影響通孔器件焊點(diǎn)的透錫性：
a.焊接工藝參數(shù)的設(shè)定。印制電路板的預(yù)熱溫度、通孔焊點(diǎn)的焊接溫度與時(shí)間等主要工藝參數(shù)影響通孔焊點(diǎn)的透錫性。
b.金屬化孔與元件腳之間的間隙。過(guò)小的間隙會(huì)導(dǎo)致焊料難以穿透金屬化孔在元件面焊盤形成潤(rùn)濕，過(guò)大的間距不僅減弱了焊料在焊盤孔內(nèi)的毛細(xì)作用，還將使元件引腳與焊盤結(jié)合的機(jī)械強(qiáng)度變?nèi)酢?/span>
c.印制板的設(shè)計(jì)工藝性。印制板設(shè)計(jì)中，通孔焊盤與大面積覆銅層直接連接，當(dāng)使用電烙鐵對(duì)這類焊盤上的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接操作時(shí)，烙鐵頭的熱量迅速地流向了大面積敷銅層，熱量不足以保持熔融態(tài)的焊料從焊接面流向元件面，造成通孔焊點(diǎn)透錫不良。
當(dāng)通孔焊盤連接的大面積覆銅層層數(shù)、手工焊接溫度、焊接時(shí)間等其它影響因素全部限定并相同的情況下，本文只針對(duì)器件引腳與焊盤孔間距進(jìn)行分析研究，通過(guò)手工焊接試驗(yàn)、顯微剖切試驗(yàn)，觀察通孔焊點(diǎn)的透錫效果，從而得出最適合焊點(diǎn)透錫的間距要求。
3、試驗(yàn)方案和結(jié)果
3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
通過(guò)上述通孔焊點(diǎn)透錫原理分析得知：金屬化孔與元件腳之間的間隙影響通孔焊點(diǎn)焊料爬升。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，通孔元件焊盤孔的孔徑應(yīng)大于元器件引腳直徑0.2～0.4mm。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電路板為6層印制板，其中包括1～4層大面積覆銅層、TOP層和BOT層。板上放置了多個(gè)直徑為1mm的通孔焊盤，分別連接1～4層大面積覆銅層，覆銅層厚度均為30mm。通孔焊盤與各大面積覆銅層連接處作出隔離的蝕刻區(qū)域以降低焊接過(guò)程中熱量的流失，焊盤的連接盤環(huán)寬，導(dǎo)熱輻條長(zhǎng)度、寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)均相同。如圖2所示。
焊接對(duì)象選用了紫銅基體的銅線圈，熱導(dǎo)率為401 W(m·K)-1。銅線圈使用相同長(zhǎng)度的銅條繞至相同的圈數(shù)制作而成。將6種不同引腳直徑的銅線圈，統(tǒng)一使用330℃的焊接溫度手工焊接至試驗(yàn)電路板上的內(nèi)徑為1mm的通孔焊盤，間距從0.1～0.54mm不等，以觀察焊盤孔與引腳之間的間隙對(duì)焊料填充的影響。試驗(yàn)表如表1所示。
3.2試驗(yàn)結(jié)果
研究了元器件引腳與焊盤孔之間的間隙對(duì)焊點(diǎn)透錫的影響進(jìn)行，將多種不同引腳直徑的銅線圈焊接至同一尺寸焊盤(1mm)，此通孔焊盤分別與1～4層大面積覆銅層焊接。手工焊接試驗(yàn)后，對(duì)所有焊點(diǎn)進(jìn)行顯微剖切，以觀察不同間隙對(duì)焊料爬升的影響。試驗(yàn)后電路板外觀圖如圖3所示。
圖3、試驗(yàn)電路板焊接試驗(yàn)后外觀圖
試驗(yàn)電路板手工焊接試驗(yàn)完成后，對(duì)所有的焊點(diǎn)(包括不透錫的焊點(diǎn))進(jìn)行了顯微剖切試驗(yàn)，如圖4所示。由式(1)中得出，當(dāng)元器件引腳與焊盤孔壁的間隙越小時(shí)，液態(tài)焊料的毛細(xì)作用越強(qiáng)，通孔焊盤內(nèi)焊料的填充高度就越高。如圖4a、4b所示，當(dāng)焊盤孔與引腳的間距減小時(shí)，焊料的爬升效果也越好。但由于手工焊接時(shí)，元器件引腳無(wú)法保證非常垂直的插入焊盤孔，當(dāng)它們之間的間隙過(guò)小(≤0.1mm)時(shí)，輕微歪斜的元器件引腳反而阻塞了焊盤孔，影響了焊料的爬升。
綜上所述，通孔元器件引腳與焊盤孔之間的間距影響通孔焊點(diǎn)的透錫效果，在焊接溫度、連接大面積覆銅層層數(shù)、焊盤設(shè)計(jì)方式等因素全部相同的前提下，引腳與焊盤孔之間的間距越小，通孔焊點(diǎn)的透錫效果越好。建議通孔元器件焊盤(與大面積覆銅層相連)設(shè)計(jì)時(shí)，焊盤孔的直徑應(yīng)大于元器件引腳外徑0.2～0.3mm為最宜。
圖4、手工焊接大面積敷銅層通孔焊點(diǎn)顯微剖切圖片
4、結(jié)束語(yǔ)
研究所得出的結(jié)論，對(duì)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)連接大面覆銅層焊盤時(shí)提出了嚴(yán)格的設(shè)計(jì)工藝性要求。但影響連接大面積覆銅層焊點(diǎn)透錫效果的因素很多，例如：手工焊接溫度和焊接時(shí)間，大面積覆銅層的厚度;元器件引腳的材料，導(dǎo)熱輻條的寬度以及設(shè)計(jì)形式等等。使用輔助預(yù)熱的方法也可以很好地改善通孔焊點(diǎn)的透錫效果，這將是后續(xù)的研究?jī)?nèi)容。
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