密脚与通孔元件的锡膏印刷
By Ray P. Prasad
本文介绍：在混合装配(mixed-assembly)电路板上的密间距(fine-pitch)和通孔(through-hole)元件的锡膏印刷。
密间距锡膏印刷
当印刷密间距时，重要的是控制模板开孔的光洁度与尺寸，意味着应该考虑激光切割的模板。密间距也要求不同的锡膏(solder
paste)。
锡膏印刷质量是很重要的，因为它是许多印刷电路装配(PCA)缺陷的原因。当使用密间距时，问题是复合的，造成相邻引脚之间的锡桥。
锡桥不是密间距印刷的唯一常见缺陷。锡膏沉积不够引起焊锡不足或者完全开路。在大部分公司，密间距印刷是大约一半缺陷的原因。
为了避免印刷问题，有人使用双台阶(dual-step)模板(密脚用0.005"~0.006"、其它元件用0.007"~0.008")。模板材料，通常不锈钢，在分布密间距元件焊盘的区域向下腐蚀到低厚度。台阶式模板要求橡胶的刮板(squeegee)来使锡膏通过模板孔。这是在特定的位置沉积适量锡膏的一个好方法(密脚：0.005"~0.006"厚的锡膏、标准表面贴装元件：0.007"
~ 0.008"厚的锡膏)。
一个更新的方法是使用金属刮板，密间距与其它元件都沉积同样的锡膏厚度。可是，这可能会出现密脚焊盘上锡膏太厚或者标准表面贴装焊盘上锡膏太少。重要的是良好的过程控制和模板设计。如果可以做到这一点，那么使用金属刮板的时候就可得到较好的、连续的结果。
当使用密间距时，工艺的复杂性增加了。要求相当的工艺看法与控制来达到连续的良好的锡膏印刷。
通孔元件的通孔锡膏(paste-in-hole)工艺
虽然工业走向更密间距和球栅阵列(BGA)，但还必须处理混合装配中的通孔元件。锡膏印刷通常不用于焊接通孔元件，但是还有应该考虑它的情况。例如，在顶面有很少的通孔元件的双面SMT板(两面都有有源元件，诸如PLCC)的混合装配中，对通孔元件使用印刷锡膏可能是合算的。这个工艺通常叫做通孔锡膏工艺
- 它避免了手工焊接或者波峰焊接(使用专门的夹具遮盖前面回流焊接的表面贴装元件)的额外步骤。引脚浸锡膏(pin-in-paste)、侵入式回流焊接(intrusive
reflow soldering)和通孔回流焊(ROT, reflow of through-hole)是这个工艺的其它名字。
当使用传统的方法焊接混合表面贴片装配时，先印刷锡膏和回流焊接表面贴装元件，接着是波峰焊接通孔元件工艺。可是，当使用通孔锡膏工艺时，表面贴装和通孔元件都是在回流焊接工序内焊接。在传统的波峰焊接工艺中，通孔焊接点的焊锡来源是锡波；可是，通孔锡膏工艺的来源是锡膏。
通孔锡膏工艺是较新的，但是一些领先的公司已经使用多时了。当使用该工艺时，首先应该确定通孔元件是否能够经受回流温度而不退化。还应该确定元件是否为潮湿敏感性的
- 如果是，则焊接之前必须烘焙。否则，在回流焊接期间它们将“爆裂(popcorn)”或者开裂。
如果电路板的第二面有可回流焊接的表面贴装元件，那么回流焊接通孔元件不会节省任何工艺步骤。在这种情况下，通孔元件的最常使用的方法是波峰焊接而不是回流焊接。
工业已经成功地使用通孔锡膏工艺或其变化工艺来焊接通孔元件。所有方法中的基本概念反复考虑的就是印刷所需要的锡膏量，它是由电镀通孔的体积减去通孔中引脚占去的体积来决定的。这是非常简单并且为大部分人所理解的。问题是在焊接温度下半数的锡膏消失在空气中，因为焊锡占90%重的锡膏只有50%体积的金属焊锡。更应该知道的是，引脚直径与通孔之间的适当比率可使得锡膏通过毛细管作用进入通孔内。需要通孔与引脚之间间隙的适当数量来达到焊锡填充。
IPC-610对通孔焊接点的可接受标准是底部圆角的存在和在板的厚度上至少充满75%的通孔。在大多数装配中，FR-4绝缘层电路板的典型厚度为0.062"。在这些约束下，引脚浸锡膏(pin-in-paste)工艺开发的主要技术挑战是，在具有高密度引脚元件的通孔里面和周围印刷足够的锡膏，使得在底面形成可接受的焊接点，满足IPC-610的要求。在通孔锡膏(paste-in-hole)工艺中满足顶面圆脚要求很少是个问题，因为锡膏是从顶部印刷的。
引脚与通孔之间的最小间隙决定需要满足圆角要求的锡膏量。这个最小间隙定义为，最小的通孔直径减去最大的引脚直径。最小间隙越小，需要用来填充通孔的锡量越少，但是更难把元件插入板内。
当使用密间距、多排通孔元件时，可能需要各种模板开口宽度与长度，以得到可接受的焊接点。可是，相同零件各焊接点的圆角尺寸将有点不同。
为了达到所希望的焊锡圆角体积，锡膏也可印刷在板的顶面和底面。一项最近的研究是使用内置式刮板通过直接压力将锡膏印刷在板上的印刷机。在这个方法中，没有使用传统的刮板。这个锡膏印刷方法可以在通孔中充满锡膏。
通孔印刷的关键是提供足够的锡膏量。有许多方法可以做到这一点，最常见和所希望的就是套印(overprint)。可是，这要求在设计阶段计划这个工艺，和允许足够的包装间的间隔。如果没有做到这一点，就不可能套印，因为其它元件焊盘挡道了。但是甚至有足够的包装之间的空隔，还可能造成印刷足够的锡膏困难，如果有多排引脚，诸如密间距通孔连接器。
对于那些在一面印刷足够的锡膏困难的情况，锡膏也可以在另一面印刷。另一个方法是使用台阶式模板，可以向上或向下台阶，以接纳同一块板上通孔和密间距元件的不同需要。
向上的台阶模板在通孔零件的一小部分内比模板其它部分更厚。向下的台阶模板一般用于大多数具有0.050"间距表面贴装元件和一些密间距元件的电路板。
不管使用哪一种方法，关键是要有足够的锡膏量。
Ray P. Prasad, is an SMT Editorial Advisory Board member,
author of the text book Surface Mount Technology: Principles and
Practice. He is also founder of the Ray Prasad Consultancy Group
which specializes in helping companies establish strong internal
SMT infrastructure. Contact him at P.O. Box 219179, Portland,
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(A 12/29/2000)
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