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通孔回流组装技术 讲座 第一部分 PIP技术概述 第二部分 元器件考虑 第三部分 可制造性设计 第四部分 锡膏印刷 第五部分 自动插装 第六部分 回流焊接 第七部分 质量考虑与故障模式 内容大纲 PIP概述 第一部分 使用PIP的场合与原因 几种插件焊接工艺的弱点 PIP的工艺原理 PIP工艺流程 PIP工艺的强弱点和挑战 PIP的质量元素与要点 查尔斯 杜卡斯CharlesDucas1925 印墨 保罗 艾斯勒PaulEisler1943 蚀刻 1936开始初版 接线时代 高密度多层板 SMT 1960s 自动波峰焊 1970s 焊接组装技术历程 保罗 艾斯勒 3次加热处理 但THD越来越少时波峰焊接工艺的效益很低 技术弱点 管理 质量和效益都不理想 工艺工序多 波峰工艺的相对弱点 工艺能力较回流技术差 工艺相对回流技术较不稳定 波峰工艺还需要多一道胶水工艺 包括胶水应用和固化 工艺较难控制 dpmo较高 需要较多较常调整 dpmo的变化较大 混装工艺一般成本较高 直接加工费用已经高 还有返修和调整修补费 其他替代工艺 由于波峰焊接存在弱点 业界开发其他替代工艺 包括 盖板Pallet辅助波峰工艺 选择性波峰工艺 免去胶水工艺 使用双面回流 通孔回流工艺 手工焊接或机械手焊接 其他定点焊接工艺 如激光等 压接技术 废除波峰焊接 简化工序 成本效益 减少热处理 选择性波峰 托盘 的相对弱点 托盘成本 托盘影响组装密度 托盘限制灵活性 不能随时更改 生产用 工艺调整和管理成本 托盘维护保养资源 清洗 检察 报废等 选择性波峰的相对弱点 额外的工艺和工序 知识管理 设备维护等资源 初期投资高 设备投资 需要编程和调制 局部加热 业界对热冲击的负面影响仍存怀疑 工艺速度慢 逐个焊点进行焊接 手工焊接的相对弱点 工艺相对回流技术较不稳定 技术和人工不稳定因素 dpmo的变化较大 工艺能力较回流技术差 手工Cpk往往不足1 0 dpmo较高 手工效率较低 手工在PIP技术中成本优势逐渐减少 只用在难以回流和插装的场合 或做为补焊辅助工艺 锡膏印刷 通孔填锡 插件 回流焊接 插件 锡膏印刷 SMD贴片 回流焊接 翻板 THD插件 手工插件 锡膏印刷 SMD贴片 THD插件 SMD贴片 回流焊接 B面组装 T面组装 另类做法 通孔回流组装步骤 基本做法 简单 但工艺不是最强 锡膏印刷 SMD贴片 回流焊接 翻板 THD插件 手工插件 锡膏印刷 SMD贴片 THD插件 SMD贴片 回流焊接 B面组装 T面组装 另类做法 通孔回流组装步骤 锡膏注射 良好的锡量控制做法 适用于低悬空 小间距插件 通孔回流技术的强点 单一焊接工艺和技术应用 使用工艺性较强的回流技术 较低成本 较波峰焊更高的组装密度 两面布局的灵活性 有些器件如BGA和FPT不能布在波峰一面 工序 设备 质量 通孔回流技术的挑战 THT器件未必适合回流工艺 对DFM要求高 工艺较一般SMT应用难 窗口小 焊点标准的更改和认证 Flux残留物较多 通孔回流技术的质量元素 两端透锡程度 焊点轮廓和表面状态 无周边污染 包括焊球 桥接等 足够的通孔填充程度 适当IMC的形成状态 无过量的空洞和气孔 3外观元素 3内部元素 锡膏印刷 通孔填锡 插件 回流焊接 插件 PIP技术对器件的要求 第二部分 器件引脚的要求 器件耐热性的要求 器件悬空的要求 器件可焊性的要求 您将认识到 器件插装的要求 注意 多数器件不是为PIP工艺而设 常见问题 引脚结构不适合PIP技术 器件封装本体的耐热性不足 器件封装和引脚不适合自动插件 器件底部悬空不足 器件封装是阻碍使用PIP技术的一个主要问题 手工焊接 临时调整热和锡量 波峰焊接 预先设置热 临时调整锡量 PIP焊接 预先设置热和锡量 最灵活 最不灵活 因此PIP技术对引脚结构尺寸等控制必须严谨 未必填满 需要在插件入口印刷 插件时带动锡膏渗透通孔 插件方向 必须关注 引脚截面和脚尖形状 引脚长度 多数器件不是为PIP工艺而设 器件引脚要求 方便插装 只需少量锡膏 不干扰锡膏 结构和尺寸要求 容易传热润湿 材料要求 不适合PIP的引脚 三种不同截面引脚 基准 多36 锡量需求 多62 锡量需求 引脚截面形状 所需要锡量 通孔内径 三种不同截面引脚 引脚尖端结构 PIP的通孔设计要求和引脚之间的间隙要小 所以引脚尖端的锥形对插件十分重要 尖脚确保插装容易以及不推锡 不良设计 器件引脚长度 刚伸出引脚长度 理想 太长的引脚长度 不推荐 引脚长度是PIP关键因素之一 引脚长度考虑 引脚太长会把锡膏推出太远无法润湿回位 额外的长度也占用了锡量 润湿外层 推荐延伸长度在1 1 5mm范围 建议垂直度变化 0 25mm 偏离中线 供应商多以1 6和2 4mm板厚为依据 不同长度引脚需要不同DFM考虑 锡膏量和润湿性 短引脚的使用 有商家推荐使用不伸出的短引脚 强处 锡膏用量少 一次印刷可以处理 弱点 质量检验较困难 容易有Flux残留物覆盖 不利于测试探针的使用 引脚不能太短 必须占通孔的80 以上 引脚的长度 从 0 5mm 1 0mm为佳 可以长至2 0mm 建议不超过1 5mm 尖脚 良好润湿力 长度窗口 1 5 0 5mm 2 0mm 一般供应商已1 6和2 4mmPCB厚度为依据 所以约1 2 3 5mmPCB都可以选择到适当的 引脚长度建议 自家成型器件引脚长度 需要凸出焊点时 1 2mm 无需凸出焊点时 0 5 0mm 采购标准器件引脚长度 需要凸出焊点时 1 5mm 无需凸出焊点时 1 0 0mm 失败的引脚案例 间隙太大 锡膏量需求多 引脚太长 无法收锡 高热量 器件耐热性问题 波峰焊只在底部接触热3秒 但 Polyimide聚酰亚胺 Polysulfone聚砜 Thermoplasticpolyester PET 热塑性聚酯 Phenolic酚醛树脂 耐热性不足的常用塑料 Polyphthalamide PPA 聚邻苯二甲 LiquidCrystalPolymer LCP 液晶聚合物 PolyphenyleneSulfide PPS 聚苯硫醚 PolyethyleneCyclohexyleneTerephthalate PCT 聚对苯二甲酸环己 足够耐热性的工业塑料 典型器件耐热规格 使用标准 可焊性 耐热性 耐热性 IPC JEDEC 020D 是防潮标准 UL 94 是防燃 阻燃标准 适合插座的耐热标准是什么 标准的问题 IEC 60749 20 耐热性的评估保证 您可以有三个层次 1 索取和查询材料资料 2 使用更相关测试标准 3 内部测试 用户可能要自己认证 工艺规范 保险做法 器件耐热性是标准DFM工作 耐热性 最高温度 时间 整体承受热量 热冲击承受度 升 降温 SMT有高度的自动化能力 所以转PIP技术后的插件也希望能自动贴装 适当的外形结构 拾取和识别 适当的重量 拾取和贴片 适当的包装 自动供料 严格的尺寸公差 插件精确 插件自动化的要求 稍后更多分享 厚度0 12 0 2mm 开口大 插件的间距和悬空必须支持工艺要求 器件焊端的间距和悬空高度 悬空不足可能造成 焊球 通孔透锡困难 桥接 器件悬空问题 好供应商有考虑到悬空要求 应保留最少0 4mm或钢网厚度 0 15mm 安全保守计算 悬空高度 焊盘外的延伸锡膏量 0 5mm悬空足够支持一般的钢网 器件插座 坐垫的使用 器件引脚间距 由于需要较大空间印刷锡膏或放置固态焊料 PIP器件不适合使用多排 多脚和小间距的设计 间距 2 0mm 排数 2 不满足以上条件需要小心进行DFM评估 一般要求更大间距和悬空高度 建议 锡膏熔化 熔锡润湿 焊点形成 良好的回流填充有赖于焊端的可焊性 PIP技术的工艺设计考虑 第三部分 DFM工作范围 PCB镀层考虑 PIP器件孔径 铜环设计 留空区设计 您将认识到 测试点设计 器件的评估选择 PCB材料选择和厚度决定 PCB通孔和铜环的设计 钢网厚度和开口等的设计 PIP的DFM作业最少包括 OSP 润湿性中等 不适合无法足够填充锡膏的厚板 NiAu 润湿性好 孔径尺寸控制好 但需要较长加热 HASL 润湿性良好 但孔径变化大 一般不推荐使用在PIP技术上 ImSn 润湿性良好 孔径控制好 适合PIP ImAg 性能类似ImSn但成本较高 内径 大 小 锡膏需求量少 容易插件 上限 下限 插件质量保证 锡膏工艺质量保证 有些厂家要求0 1mm 常见的参考例子 下限 上限 插件 物料精度要求高 必须使用Preform 锡膏印刷工艺要求高 PCB通孔中心位置精度 A PCB通孔孔径精度 B 引脚中心位置精度 C 引脚直径精度 D 自动插件定位精度 E 最终内径 引脚直径 A2 B2 C2 D2 E2 考虑参数 制造与组合公差考虑 电性要求 电流容量 PCB制造要求 供应商能力 机械力要求 用户决定 一般供应商指定 0 125 0 25mm环宽要求 考虑因素 手工 波峰工艺希望大 PIP角度越小越好 为了避免印后锡膏受到不良干扰 设计时必须指定Keep out区 优选 所有引线 开孔 丝印标签都避开 可接受 所有引线 开孔都有绿油覆盖 通镀孔 锡膏 PCB 绿油有不同的表面张力 已知白墨表面张力都太小 通接孔 堵孔可能造成回收和焊球问题 未堵孔会造成吸锡问题 PIP技术大锡量要求容易造成印刷上绿油 标签和通接孔 钢网设计是DFM作业之一 必须配合器件 PCB和印刷工艺的考虑 锡膏印刷一讲中更多分享 有些供应商已经帮助用户研发DFM规则 可以直接认证引用 PIP技术对锡膏印刷的要求 第四部分 锡膏印刷工艺的挑战 增加锡膏量的做法 传统单次印刷的问题和强化 各种印刷方法的选择 真空辅助和密封刮刀技术 可能需要的工艺调制 二次印刷和双面印刷工艺 PIP印刷对锡膏特性的要求 点锡膏技术的应用 锡膏印刷的挑战 通孔焊点比起表贴焊点有多倍的锡量需求 锡膏中只有近一半的体积是金属 锡膏印刷的首要挑战 如何在同一PCB上印出大不同的锡膏量 一次透锡印刷工艺 普通和封闭式刮刀 阶梯式钢网技术 扩大钢网开口技术 综合技术 阶梯 扩大 预成型焊料技术 点锡膏技术或点锡辅助技术 二次印刷技术 增加锡膏量的工艺做法 往上优选 锡膏量的计算 通孔的内径 焊端铜环的外径 引脚的直径 引脚的长度 焊点外观 饱满度质量标准 锡膏的金属含量 计算锡膏量时 用户需要知道或先决定以下 重要的DFM工作 PCB厚度 1 2mm 引脚直径 0 9mm 钢网厚度 0 15mm 成功例子 此例子能有双面焊点 工艺 一次印刷 无需阶梯设计 单次锡膏印刷的问题 单靠钢网开口设计常无法满足锡膏量要求 超量印刷 overprint 工艺较难设置 超量印刷 overprint 工艺较难稳定 一般不要求焊点大小稳定一致 使用密封式印刷头较好但成本高 对多方面因素以及配合的要求较高 双面焊点钢网开口 单面焊点钢网开口 0 15mm厚 钢网计算案例 PCB1 6mm 一次印刷的加强做法 阶梯式钢网技术 锡膏量 钢网开口面积 钢网厚度 钢网释放率 提供变化控制 最厚 次厚 最薄 阶梯式钢网的问题 布局留空限制 刮刀和钢网磨损 残留锡膏影响工艺 钢网成本较高 只适合塑料刮刀 表面张力较金属类大 阶梯钢网技术存在一些弱点 阶梯钢网不是最优选方案 通过刮刀设置和印刷参数的设置 一次印刷的加强做法 挤压超量印刷 有业界试验报告能通过印刷工艺填充45 85 成本低的做法 但工艺不容易设置而且不稳定 钢网设计 超量印刷的案例 此器件锡膏控制配合以下设计以及超量印刷可以做到 中间信号线85 90 填充 四角接地线90 100 填充 底部无外露焊点 超量印刷在单次印刷工艺中是个技术重点 锡膏深度 0 54 0 6X 通孔直径 mm 有试验研究得出的规律 1 6mm后PCB需要1 77mm或更大直径才能印满通孔 挤压印刷的锡量预测 许多变数 用户需要自身研发制定 一次印刷 扩大钢网开口 一次印刷 挤压超量印刷 一次印刷 阶梯式钢网 二次单面印刷 扩大钢网开口 二次双面印刷 一次印刷 预成型焊料 二次单面双钢网印刷 一次印刷 点锡工艺 成本较高 工艺较难和不稳定 需要额外设备 其他选择 锡膏印刷工艺选择 电源模块二次组装案例 相当大印刷面积还需要加固态锡 一次印刷的加强做法 挤压超量印刷 2 封闭压力式刮刀 1 真空辅助 挤压印刷除了通过工艺设置和锡膏选择外 还有两种通过工具的方法提高能力 真空协助工艺 减少真空造成污染风险的设计 适当的真空设置能协助提高锡膏印刷量 密封式印刷头技术 更好更大的下压力控制 受锡膏特性的限制小 总体效益需要评估 印刷效果 印刷面 PCB底面 密封式印刷头技术 印刷工艺可能需要的调整 较慢的刮刀速度 较多填充时间 但周期增长 刮刀压力增加 建议使用塑料刮刀 使用较小刮刀角度 如45 擦网频率增加 能填较多锡膏 尤其低硬度材料 可以利用真空协助 需要小心设计 二次单面印刷工艺 1 单钢网技术 首次常规印刷 次回低压力印刷 双印刷技术可以确保更多锡膏量和渗透力 2 双钢网技术 第一类 首次通孔印刷 开口小注重通孔内填锡 次回常规印刷 开口正常注重全面填锡 3 双钢网技术 第二类 首次常规印刷 次回罩式阶梯钢网印刷 增加通孔的填锡 第一次印刷 第二次印刷 第一次印刷 第二次印刷 第一类 第二类 双钢网单面印刷 印刷钢网 双面印刷工艺 单面印刷的问题 钢网开口太大造成焊球等问题 挤压透锡印刷不稳定 双面印刷可以解决以上问题 钢网较容易污染 双面印刷的表现 有较高的锡量控制能力 双钢网 双面印刷的弱点 需要多一台印刷机 如果使用单次回流工艺有高效益 保留排气的设计 最少一面 双面锡膏印刷的要点 钢网开口形状 双面印刷容易封住空气而造成气爆 建议保留排气口 锡膏印刷 锡膏印刷 高速贴片 高精度与异型贴片 手工插件 双面印刷的工艺路线 适合单次回流工艺或单面组装板 常规印刷 二次印刷 一般SMD 预成型焊料 PIP插件 常规与PIP焊接 回流焊接 后备插件 翻板 贴片 底面贴片 印刷性更强 粘性和刮刀 钢网匹配 润湿性更强 润湿距离更远 PIP对所用锡膏有严格要求 回流内收力强 颗粒 氧化层与Flux能力 热坍塌特性小 不容易滴落 不容易自然挥发 保持粘性 受热容易挥发 少气孔 Flux配方与绿油兼容 表面张力大 金属含量高 锡膏印刷覆盖绿油面 一般锡膏和绿油制造商并未对此特性进行研究或给与保证 锡膏与PCB绿油的兼容性 后果 点锡技术 灵活性高 能快速调整锡量 能精确的控制锡量 较少独立使用 作为辅助工艺有良好效果 初期投资成本高 额外设备 工艺较印刷和预成型焊料强 未受到广泛接受 点锡设备技术 1 气压泵 控制气压 时间进行注射 2 机械泵 控制机械推动进行注射 螺旋泵 柱塞 正向位移 3 喷射泵 压电喷射 点锡 熔锡 润湿 形成焊点 有报告显示成功的点锡 激光焊接工艺 插件 固定 翻板 激光焊接 不难改为回流 锡膏印刷 锡膏注射 高速贴片 高精度与异型贴片 手工插件 良好的组合 值得评估效益的组合 常规印刷 调整锡膏量 一般SMD 预成型焊料 PIP插件 常规与PIP焊接 回流焊接 后备插件 以及其他用途 PIP技术钢网设计 第五部分 钢网的厚度考虑 钢网设计流程 超量印刷和钢网设计的配合 钢网开口形状的设计 您将认识到 钢网厚度考虑 在不使用辅助料 点锡或预成型焊料 的情况下 0 12mm钢网很难满足要求 使用0 15mm或以上 同时照顾小锡量需求点 减少开口面积 使用阶梯钢网 允许低脱锡率 transfereff 使用 丁 字开口 锡膏量的增加最好通过钢网厚度而非扩大开口 有需加入PIP技术的钢网应该整体重新设计 增加厚度后受影响的部分可以通过开小口补偿 必要时以多个小孔取代 改厚度前SMD开口 改厚度后SMD开口 钢网开口的设计和计算 确定焊点外形质量标准 计算锡量 根据锡膏金属含量计算锡膏体积 决定钢网厚度 计算钢网开口面积 决定钢网开口形状 计算开口尺寸 评估印刷和回流工艺性 和常规设计步骤没什么不同 挤压超量印刷的特别考虑 通孔底部 PIP不是非印至穿透不可 用户必须了解印刷透锡的能力 包括 锡膏型号 流变特性 刮刀和印刷参数 角度 压力 速度 锡厚 钢网材料 供应商 通孔孔径 非钢网控制部分 挤压超量印刷的特别考虑 所需锡膏量 钢网开口体积 印刷透孔锡量 工艺研发结果 质量要求计算 钢网设计 印刷锡量的计算 常见的业界参考建议 简单 未考虑突出焊点以及钢网转移率 印刷锡量的计算 当考虑加入凸出焊点时 有上下凸出焊点时加倍 原焊盘铜环 通孔 直接直径扩大 偏心椭圆形开口 适用于较小间距 适用于两排引脚 钢网开口形状 有用户建议 非最佳做法 钢网开口形状 根据可利用空间和回流时的收锡来考虑形状 需要预成型焊料 3排引脚或以上的一般必须使用预成型焊料 钢网开口形状 不影响强度下中间一排可以少些锡 或 允许少锡 锡膏印刷后 预成型焊料补锡 实际案例 3或4排引脚设计 需要较强的回流回收能力 钢网开口形状 方便手工插件开口 钢网开口形状 避免锡膏推出 长器件引脚场合 锡膏量少 适合薄PCB和无需填满焊点的场合 有试验结果 9mm长锡膏回流时还能回收 0 15mm厚度钢网 间距0 25mm开始盗锡 短路 0 2mm厚度钢网 间距0 4mm开始盗锡 短路 一些钢网开口设计经验 PCB 锡膏特性相关 自身认证为佳 PIP技术的自动插件要求 第六部分 插件自动化的关注点 元件拾取要求 元件识别与对中要求 插装力要求 您将认识到 有利于PIP的贴片机能力 在PIP插装技术中 我们关注两方面的课题 1 预成型焊料的自动贴片 2 THD的自动插装 前者相对容易处理 插件自动化 转通孔回流技术的插件应该尽量自动化插装 提高组装效率 减少对锡膏的干扰 注意 1 器件拾取条件 包括包装 2 器件识别定位条件 3 器件尺寸公差和PCB设计 4 器件插装力要求 5 器件插装速度控制 器件自动拾取条件 1 足够大和平坦的拾取面 2 适合自动供料的包装 3 体形和重量 4 公差尺寸 插装器件的对中识别 插件的设计未必考虑到贴片机的使用 是否有足够的光学反差 定位柱和引脚之间距离的保证 引脚垂直度 间距 的保证 适应自动插装的改良器件 能光学识别 许多THD需要较大的插装力 不适合表贴 PIP适应版 器件的插装力要求 贴片机的能力 要做到自动插件 您的贴片机必须具备能力 PIP技术 贴片 插件 仔细评估选择您的设备 贴片机的能力 基本功 性能要求 拾取异形器件 处理大和重器件 足够插装压力 器件重量 200gm 器件大小 50X50X55mm 贴片力度 50N 识别对中插件能力 例如 贴片机的能力例子 适合THD的光学识别技术 能识别变形引脚的技术 贴片机的能力例子 防止损害器件 PCB的功能 PIP技术的回流焊接 第六部分 PIP回流焊接的要点 升温的控制 上下温的平衡调制 冷焊的挑战 您将认识到 托盘的应用 PIP工艺的测温点 在传统热偶设置的基础上 加入 插件的底部焊点处 插件的顶部焊点处 封装本体 热敏感元件 插件元件周边较容易出现 冷点 要给予关注 除非有足够详细的工艺研发依据 升温速度等的控制 在加热时 Flux的表面张力下降 如果下降太快 会造成滴落现象 控制要素 锡膏集中量 升温速度 预热 挥发 浸泡温度 锡膏型号 炉子结构 上下炉温的调整控制 上下温度的平衡有助于确保良好的回流透锡和回收 矛盾要求 回流焊接工艺的挑战 有报告说插座和小器件温差 20 C TAL 56sec 工艺研发与NPI应该关注 回流焊接工艺的挑战 T 20 C 的原因 TAL 56sec 的原因 许多THD体型较大 引脚在底部 热容量较大以及造成对流条件不理想情况 通孔传热和润湿需要更长时间 加上器件本体热容量大和对流不良的问题 回流液化时间更长 带PIP工艺难度更高 托盘在PIP技术中有些适用的地方 加盖提高THD耐热能力 协助更好的手工插件作业 也同时提高 锡膏印刷和贴片的支撑能力 垫高避免器件底部压锡膏 托盘可以提供良好支撑并防止印刷机座台和支撑的污染 成本负担 增加热负担 良好的设计考虑可以减少热负担 使用热效率高的炉子也很重要 较适合大批量或高附加值生产 可能影响THD的焊接 PIP技术的故障模式 第七部分 PIP回流焊接的要点 升温的控制 上下温的平衡调制 冷焊的挑战 您将认识到 托盘的应用 PIP工艺的测温点 润湿覆盖 270 范围 润湿覆盖 330 范围 锡膏印刷边 无锡膏印刷边 根据J STD 001C和IPC 610D 锡膏印刷边 无锡膏印刷边 铜环上无需润湿 铜环润湿面积 75 锡在铜环上的覆盖程度 通孔充锡程度 最少75 为准 任何方向 一家供应商的研究和建议 1 5mm引脚用在1 6mm厚PCB上 通孔有90 填充透锡 足够可靠性 这做法提供较大的工艺窗口 包括 单次印刷 低坍塌相关风险 润湿性要求较宽松 短脚尺寸更准确有利于自动插件 短脚焊点 PIP锡量是预定的 受到锡膏印刷的限制 质量标准也因此不同 是否好焊点