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混合技术贴装与回流的模板设计
By
William E. Coleman, Denis Jean and Julie Bradbury
本文回顾用于在通孔焊盘/开口的周围和内面印刷锡膏的模板设计要求
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°
~ 100°C。
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; 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： Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS); Acetal
polymer; Acrylic; Cellulose 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。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方程式如下：
最后孔径 = 名义引脚直径 + (A² + B² + C² + D² + E²)½
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。
REFERENCES 参考书
1. T. Gervascio, "Developing the Paste-in-hole
Process," Proceedings of Surface Mount International 1994, p.
333.
2. D. Manessia, M. Whitmore, J.H. Adriance and G.R. Westby, "Evaluation
Study of Proflow System for Stencil Printing of Thick Boards (0.125")
in the Alternative Assembly and Reflow Technology (AART) or Pin-in-paste
Process," Proceedings of the Technical Program, NEPCON West '99,
p. 416.
WILLIAM E. COLEMAN may be contacted at Photo
Stencil, 4725 Centennial Blvd., Colorado Springs, CO 80919; (719)
535-8528; Fax: (719) 535-8557; E-mail: bcoleman@photostencil.com.
DENIS JEAN may be contacted at 3Com, Mount Prospect, IL. JULIE
BRADBURY may be contacted at Qualcomm, 5775 Morehouse Drive, San
Diego, CA 92121; (858) 587-1121; Fax: (858) 658-2100.
(Aaron Ho 08/22/2000)
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