1、 混混混混合合合合技技技技术术术术贴贴贴贴装装装装与与与与回回回回流流流流的的的的模模模模板板板板设设设设计计计计 By William E. Coleman, Denis Jean and By William E. Coleman, Denis Jean and Julie BradburyJulie Bradbury 本文回顾用于在通孔焊盘本文回顾用于在通孔焊盘/ /开口的周围和内面印刷锡开口的周围和内面印刷锡 膏的模板设计要求膏的模板设计要求 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面实施允许通孔元件
2、和表面贴装元件 (SMD)(SMD)两者同时两者同时 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。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孔来添印锡膏在通孔焊盘区域内的单一 厚度模板，使厚度模板，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
3、锡膏的厚模式模板，和用于在通孔焊盘区域内的印刷锡膏的厚模 板板(0.015“ 0.025“ (0.015“ 0.025“ 厚度厚度) )。厚模板是双印模板工。厚模板是双印模板工 艺中的第二块模板。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
4、水平；和金属可焊性。量；锡膏活性水平；和金属可焊性。 背景背景 虽然从通孔元件到虽然从通孔元件到 SMDSMD 的转换已经是戏剧性的，但许的转换已经是戏剧性的，但许 多印刷电路板多印刷电路板(PCB)(PCB)还使用两种技术来组装。在大多还使用两种技术来组装。在大多 数电子数电子装配中，将有一些通孔元件在板上。在要求功装配中，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。把通孔率的应用中，连接器将继续以通孔形式存在。把通孔 元件和元件和 SMDSMD 一起贴装和回流焊接会带来很大的利益。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
5、供足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量。对通孔引脚形式和整个 PCBPCB 设计必须作特殊的考设计必须作特殊的考 虑。最近由虑。最近由 GervascioGervascio 和和 Whitmore et alWhitmore et al 发表的发表的 论文已探讨了对通孔回流焊接的脚论文已探讨了对通孔回流焊接的脚 - -浸浸- -膏的工艺。膏的工艺。 通孔元件选择通孔元件
6、选择 元件材料。元件经常落入元件材料。元件经常落入 “ “不兼容不兼容” ”的范畴，因为它们的范畴，因为它们 是设计用于波峰焊接是设计用于波峰焊接 的的 - - 元件身体的温度典型的比元件身体的温度典型的比 回流焊接工艺低回流焊接工艺低 5050 100 100 C C。 以下是对回流焊接工艺的可接受和不可接受的材料一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：列表： 可接受材料：可接受材料： Diallyl Phthalate; Diallyl Phthalate; Fluorinated Ethylene Propylene (FEP); Fluorinated Ethylene
7、 Propylene (FEP); Neoprene; Nylon 6/6; Perfluoroalkoxy Neoprene; Nylon 6/6; Perfluoroalkoxy (PFA) resin; Phenolic; Polyamide(PFA) resin; Phenolic; Polyamide- -imide; imide; Polyarylsulfone; Polyester ; Thermoset; Polyarylsulfone; Polyester ; Thermoset; PolyetherimidPolyetherimide; Polyethylene e; Po
8、lyethylene Terephthalate; Polyimide; Polysulfone; Terephthalate; Polyimide; Polysulfone; Polytetrafluoroethylene (PFTE); Polytetrafluoroethylene (PFTE); Silicone; Polyphenylene Sulfide (PPS); Silicone; Polyphenylene Sulfide (PPS); Liquid Crystal Polymer (LCP); Liquid Crystal Polymer (LCP); Polyether
9、etherketone.Polyetheretherketone. 不可接受材料：不可接受材料： Acrylonitrile Butadiene Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS); Acetal polymer; Acrylic; Styrene (ABS); Acetal polymer; Acrylic; CellulCellulose Acetate Butyrate (CAB); ose Acetate Butyrate (CAB); Polybutylene Teraphthalate (PBT); Polybutylene Teraphth
10、alate (PBT); Polybutylene; Polycarbonate; Polybutylene; Polycarbonate; Polyethylene; Polyphenylene Oxide; Polyethylene; Polyphenylene Oxide; Polypropylene; Polystyrene; Polyvinyl Polypropylene; Polystyrene; Polyvinyl Chloride (PVC); Polyethylene Chloride (PVC); Polyethylene Tedrephthalate (PET).Tedr
11、ephthalate (PET). 引脚类型：直脚比较锁脚引脚类型：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 保持元件的位保持元件的位置。在闯入式回流焊接中，这种力量没置。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插件力量必须小于贴装设备的 Z Z 轴力量；理想的，插轴力量；理想的，插 件力应该趋于零。插件振动应该保持到最小，以
12、防止件力应该趋于零。插件振动应该保持到最小，以防止 较小的较小的 SMDSMD 位移。元件选择必须考虑到机器限制位移。元件选择必须考虑到机器限制 ( (贴贴 装精度，贴装力量，视觉能力和送料机构装精度，贴装力量，视觉能力和送料机构 ) )和人机工和人机工 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。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 引脚长度不应该超过引脚长度不应该超过 PCBPCB 厚度的厚度的 0.050“0.050“。当引脚插。当引脚插 入，一些锡膏被顶出孔，留在引脚上。如果
13、引脚太入，一些锡膏被顶出孔，留在引脚上。如果引脚太 长，在长，在回流焊接过程中锡膏将不能流回焊盘，减少了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。最后的焊接圆角体积。 PCBPCB 设计事项设计事项 通孔尺寸。在分析元件通孔尺寸的设计中，几个因素通孔尺寸。在分析元件通孔尺寸的设计中，几个因素 起作用：起作用： 贴装精度公差贴装精度公差(A)(A) PCBPCB 通孔位置公差通孔位置公差(B)(B) PCBPCB 通孔尺寸公差通孔尺寸公差(C)(C) 零件引脚位置公差零件引脚位置公差(D)(D) 引脚直径公差引脚直径公差(E)(E) 经验显示，最坏情况的分析不总是必须的。假设
14、这些经验显示，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因素设正常和独立地分布的，每个因素的自然公差限 ( ( 3 sigma)3 sigma)与它们各自的规格限定相符合，或在其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：开平方根。决定元件通孔尺寸的方程式如下： 最后孔径最后孔径 = = 名义引脚直径名义引脚直径 + (A+ (A + B+ B + C+ C + + D D + E+ E ) ) 在最后通孔中成功插件的概率可从在
15、最后通孔中成功插件的概率可从 Z Z 表估算，因为在表估算，因为在 正态分布中，自然公差限为：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。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，最后通孔尺寸，PCBPCB 制造公差和最小要求环。最小环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。这是需要用来使电是从通孔边缘到焊盘外径的铜材。这是需要用来使电 镀
16、容易和机械锚定已镀通孔的一层铜的最小量的函镀容易和机械锚定已镀通孔的一层铜的最小量的函 数数。下面给出对于任何最后通孔尺寸的最小焊盘直。下面给出对于任何最后通孔尺寸的最小焊盘直 径：径： 最小焊盘直径最小焊盘直径 = = 最后通孔直径最后通孔直径 + 2 x (+ 2 x (最小环最小环) + ) + PCBPCB 制造公差制造公差 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。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，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
17、印。如果有暴露的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 有暴露的金属有暴露的金属( (除焊盘外除焊盘外) )，其它孔和图例油墨。图例，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，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。形成锡珠。 锡膏添印的考虑锡膏添印的考虑 成功的锡膏添印成功的锡膏添印是锡膏流变学、阻焊和通孔元件支起是锡膏流变学、阻焊和通孔元件支起 高度的函数
18、。高表面能量的阻焊将比低表面能量的阻高度的函数。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)(e.g., HASL vs. OSP)、引脚抛光和较高熔湿强、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。力最大。
19、所要求的元件支起高度是超出元件焊盘的锡膏量的函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成球形。元件支起高度必须大于 2 x (2 x (在任何给定在任何给定 方向印刷超出元件焊盘量方向印刷超出元件焊盘量 x 3)/4n1/3x 3)/4n1/3。容纳材料。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
20、重新安排的地方，或许有必要减少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。添印尺寸和用台阶式模板来补偿锡膏不足。 电器测试考虑电器测试考虑 这个过程将影响电器在线测试这个过程将影响电器在线测试(ICT)(ICT)。当使用闯入式。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。良的探针接触。 另一
21、个可能影响另一个可能影响 ICTICT 的因素是，没堵塞的通路孔引起的因素是，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的真空降低。对测试的目的，非测试通路孔可以用阻 焊焊遮盖。遮盖。 模板设计模板设计 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量的方程式如图一中所示。有三种通常用于给通孔递
22、送锡膏的模板设计：非台阶式模板，台阶式模板和双送锡膏的模板设计：非台阶式模板，台阶式模板和双 印模板。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。消除锡桥或由于锡膏塌落引起的焊锡断源。 0.006“0.006“或更少或更少 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。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：下面因素中的一些将影响网格尺寸： 开口尺寸开口尺寸 模板厚度模板厚度 板的弯曲度板的弯曲度 刮板材料刮板材料 印刷机设定印刷机设
23、定 不采用台阶的添印不采用台阶的添印 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，示。使用这种模板的一个例子是，一个两排的连接器， 0.10“0.10“间距，间距，0.045“0.045“直径的通孔和直径的通孔和 0.035“0.035“的引脚直径，的引脚直径， 0.048“0.048“厚度的厚度的 PCBPCB，在，在 0.150“0.150“的通孔开口范围内没有其它的通孔开口范围内
24、没有其它 的元件和通路孔。一块的元件和通路孔。一块 0.085“0.085“宽，宽，0.170“0.170“长的开口，和长的开口，和 0.006“0.006“厚度的添印模板，可以达到足够的锡膏量，以形成厚度的添印模板，可以达到足够的锡膏量，以形成 在在 PCBPCB 的两面有焊接圆角的焊接点。的两面有焊接圆角的焊接点。 用台阶式添印用台阶式添印 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模板的
25、应用是，多引脚排的通孔元件 ( (三或更多三或更多) )或在或在 SMTSMT 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。板。这个模板类型的一个例子如图三所示。 K1K1 和和 K2K2 是不准是不准 入内距离。入内距离。K2K2 是通孔开口与台阶边缘之间的距离。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，作为一条设计指导原则，K2K2 可以小到可以小到 0.025“0.025“。K1K1 是台阶是台阶 边缘到台阶下降区域内最近的开口的距离。作为一条设计指边缘到台阶下降区域内最近的开口
26、的距离。作为一条设计指 导原则，导原则，K1K1 对每一个对每一个 0.001“0.001“的台阶下降厚度不应该小于的台阶下降厚度不应该小于 0.035“0.035“。例如，。例如，0.008“0.008“一个台阶下降到一个台阶下降到 0.006“0.006“，将要求，将要求 0.0700.070 的的 K K1 1 不准入内距离。也可能把台阶放在模板的接触不准入内距离。也可能把台阶放在模板的接触 面，而不是刮板面面，而不是刮板面( (图四图四) )。这种类型的台阶有时对使用金属。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，但有擦拭刀刮刀更有效。锡膏装载式印刷头没有
27、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。触面或刮刀面台阶。 台阶样式取决于台阶样式取决于 PCBPCB 样式。图五所示带有边缘连接器的样式。图五所示带有边缘连接器的 PCBPCB。PCBPCB 轮廓由点虚线表示。这种情况，台阶应该比所示轮廓由点虚线表示。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
28、在端点被支起。金属箔会很容易地往下偏，对接触面台会在端点被支起。金属箔会很容易地往下偏，对接触面台 阶，形成良好的和阶，形成良好的和 PCBPCB 之间的接触之间的接触。图六所示，通孔元件交。图六所示，通孔元件交 错在错在 SMTSMT 元件中间。这种情况，模板在一个很大的区域包括元件中间。这种情况，模板在一个很大的区域包括 板的区域，向下一个台阶到板的区域，向下一个台阶到 0.006“0.006“。还有，台阶比刮板长。还有，台阶比刮板长 度更大，如图所示。在通孔元件区域，模板向上台阶到度更大，如图所示。在通孔元件区域，模板向上台阶到 0.008“0.008“。向上台阶可以在刮板面或者接触面。
29、向上台阶可以在刮板面或者接触面。 点点 双印模板双印模板 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。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，一块标准的计中，一块标准的 SMTSMT 模板模板(0.006“(0.006“厚厚) )用来印刷用来印刷 SMDSMD 的焊的焊 锡块。当锡块。当 SMDSMD 锡膏还有粘性时，一块厚的模板用来印刷通孔锡膏还有粘性时，一块
30、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印刷。这个模板可以达到所要求的厚度 - - 一般一般 0.016“ 0.016“ 0.030“0.030“。当厚度要求超过。当厚度要求超过 0.020“0.020“时，激光切割、电解抛光时，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全面的印刷性能。这个模板的接触面的任何前面印刷有 SMDSMD 焊锡块的区
31、域，腐蚀至少焊锡块的区域，腐蚀至少 0.010“0.010“的深度。双印通孔模板的的深度。双印通孔模板的 截面如图七所示。截面如图七所示。 结论结论 许多许多 SMTSMT 装配工艺工程师已经成功将通孔装配从波峰焊接转装配工艺工程师已经成功将通孔装配从波峰焊接转 换换成回流焊接。这允许两类元件贴装在成回流焊接。这允许两类元件贴装在 PCBPCB 上，并使用单一上，并使用单一 的回流工艺进行焊接。当转换这个工艺的回流工艺进行焊接。当转换这个工艺 - - 以及无数的生意以及无数的生意 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、类型、引脚设计、引脚长度、PCBPCB 和模板设计的仔细选择将和模板设计的仔细选择将 确保成功。确保成功。
