单机板穿孔再流焊接技术

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1穿孔再流焊接的提起
  近些年来，在电路板装联工艺中，穿孔再流焊在彩色电视机用的电子调谐器（俗称高频头）的生产中越来越流行。由于电子调谐器采用了SMD和通孔插件（THD）的混合装配方式，在电子调谐器的早期生产中采用了波峰焊技术。其工艺流程如下：
——涂胶——贴片——胶固化——插件——波峰焊——
这是SMT中常用的产品采用混合安装方式的工艺流程，由于这种工艺流程的加工成本低，加工过程简单灵活可靠，所以直到现在，还为部分安装密度较低的电子调谐器装配加工所采用。
随着电子调谐器的功能增加、体积减少，产品的元件装配密度越来越大、所用IC的引脚间距越来越小，用传统的波峰焊工艺已不能满足新型电子调谐器的装配的要求。能否不用传统的波峰焊接工艺来实现高密度的电子调谐器及类似电子产品的装配被提到了议事日程。
2几种解决方案
2.1 双面混装板工艺
  在前些年，SMT学术界（特别是欧洲的学术界）普遍认为象初期的电子调谐器这样的用单面电路板安装的产品是不能运用再流焊工艺流程的。原因是：由于有插件的存在，在进行插件焊接时焊接面在产品下方，那么，在加工过程中（包括在焊接过程中），SMD会不会从板面上掉下来呢？因为未熔化的焊膏其粘接力是有限的，就是熔化的焊膏，能不能拉住SMD，使其不向下脱离电路板呢？如果一定要采用两次再流焊技术，也必须采用两种不同熔点的焊膏，即第一次用高温焊膏焊SMD，第二次用低温焊膏焊插件。但这也存在一个问题，即第二次焊接用的焊膏怎么涂布到已有SMD的板面上呢？显然，对大规模流水作业，考虑到生产效率和组装质量，采用焊膏单点逐个涂布是不可想象的。在这种情况下，飞利浦公司最先推出的解决方案是采用双面孔金属化板。其产品安装工艺流程为：
  涂胶     贴片     胶固化     翻板     印焊膏     贴片   
再流焊     翻板     插件     波峰焊
  这个方案很好地解决了上述矛盾，也为一些安装密度相当大，单面板已无法将所有的元件安排下的产品装配所采用；其缺点是，提高了产品的加工成本（主要是采用了双面孔金属化板），对于一般的电子调谐器这样的产品，这是否得当呢？而且，如果在通孔插件的焊接面上也有高密度的SMD或细间距的IC又怎么办？人们还在寻找新的出路。
2.2 阶梯印刷法工艺
  针对采用双面板成本高和不能彻底解决在通孔插件的焊接面上也存在高密度的SMD或细间距的IC的问题，有人对单面混装电路板使用再流焊工艺提出了一种方案，这个方案的要点是焊膏用阶梯印刷法（针对通孔插件所需焊膏较多的情况，对印刷模板上插件焊盘使用的部分进行加厚处理或通过阶梯模板进行第二次印刷），将焊膏印在电路板上，其工艺流程如下：
      焊膏印刷     贴片     翻板     插件     再流焊   
这个方案看似简单，但在大规模生产中是不具有实用价值的，原因在于：
a.      印制板翻板之后，SMD在印制板的下方，未熔化的焊膏粘接力很差，在生产线的流水过程中，特别是当生产线较长的情况下，不可避免的会出现掉落现象；
b.      由于通孔插件所用焊膏量远大于SMD所用的焊膏量，用阶梯印刷法能否同时完全满足SMD和通孔插件对焊膏的用量？
c.      在高密度安装时，阶梯印刷法的网板能否实现？
d.      在高密度焊接时，邻近焊盘之间的互相隔离很困难，在焊膏同时熔化时，由于熔融焊膏存在的表面张力的影响，焊膏会向大焊盘方向（或向润湿性较好的部位）集中，这样就会产生大量的碑立现象。
2.3 单面混装板两次再流焊工艺
  日本松下公司在1997年在北京松下部品采用了单面板的电子调谐器的两次再流焊工艺。其工艺流程如下：
  印焊膏     贴片     再流焊     焊膏涂布     翻板     插件   再流焊     
这个工艺流程的特点是：突破了SMT学术界长期以来认为单面混装电路板不能采用再流焊工艺的观点；并用专用设备(在后面叙述)解决了焊膏的第二次涂布的难题。由于这种工艺流程对电子调谐器来说很实用，便很快在中国的电子调谐器行业中得到广泛应用。（至于第一次焊接及焊膏的涂布，是普通的工艺过程，在这里不再论述。）
  这种单面混装电路板的两次再流焊工艺的工作原理在见《电子产品两次再流焊的原理及分析》一文，该文发表在《`98西部SMT报告会的论文精选》中。该文要点是：利用熔化焊料的表面张力来保证在第二次焊接时，SMD不致从电路板上脱落；利用不同状态的焊料(这里将未熔化过的焊膏也作为焊料的一种形式)的熔化时间差来保证第二次焊接时,对第一次已焊好的器件的影响可以降低到为人们所能接受的程度；基于上述理论，可以在前后两次焊接中用同种熔化温度的焊膏，打破了象电子调谐器这类的产品在两次再流焊时必须用两种不同熔点的焊膏的理论。这是一种全新的理论，开始并不为大多数人所接受，欧洲的SMT学术界直到1998年下半年才有零星的关于单面混装电路板两次再流焊工艺的研究文章发表在一些刊物上。
由于这种工艺流程很好地解决了在通孔插件的焊接面上有高密度的SMD或细间距的IC的组装问题，所以在采用双面混装电路板的电子调谐器加工中也得到了运用。
3   对不耐高温元件在再流焊工艺中的措施
  由于电子调谐器朝多功能方面的发展，在电子调谐器上出现了不耐高温的元件（在原来的电子调谐器中加上原装在电视机中的中放单元等，即所谓的二合一、三合一电子调谐器，这种电子调谐器中安装有不耐高温的元件），如：铝电解电容、热塑型塑料封装的声表面滤波器等的耐温最高只有190℃（这是国外元件的水平，国内同类元件耐温还要低一些）， 是不能耐220～230℃的焊接温度的。在再流焊加波峰焊工艺中，这不是一个问题；但在两次再流焊工艺中，却会成为一个大问题。当然，在产品装配的最后阶段用手工补焊这些元件从理论上来说不是不可以的，但生产效率和产品加工质量都不会高。可不可以让这些元件在第二次再流焊时予以解决呢？答案是可以的。途径有两条：一是在第二次再流焊采用低熔点（如熔点在140℃～150℃以下的）焊膏，但这条路会增加焊膏品种的管理和加工成本；二是在设备上采取措施。现在市场上有两类设备可以运用，一是索尼公司的管式热风炉，另一个是采用的上下温区可以分别控温的强制式热风炉或强制式热风加远红外加热炉。管式热风炉的工作原理是，高温热风通过多个管式风道向产品需要焊接的部分加热，是一种只对需要焊接的部位进行局部加热的方式（目前的激光焊接设备只能对需要焊接的部位采取逐个加热的方式，而管式热风炉是对需要焊接的部位进行一次性整体加热）；上下温区可以分别调温的强制式热风炉或强制式热风加红外加热炉对产品上下加热的温度相差一定的程度，使在电路板上方的不耐高温的元件本体在焊接时处于较低的温度环境中，达到不损坏这些元件的目的。管式热风炉在中国电子调谐器行业运用较为广泛，而上下温区可以分别控温的强制式热风炉在其它行业中和一部分电子调谐器行业中得到运用。

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4   几种特殊的焊膏涂布设备
4.1 松下型焊膏涂布设备
松下型焊膏涂布设备是一种用带有与电路板上相应需要涂布焊膏位置的孔的金属板，当这块金属板在插入焊膏槽中后再提出时，在板上的孔内就带有一定量的焊膏，这时用相应的推杆将焊膏推落到电路板的相应位置（通孔插件焊盘）上，来达到焊膏涂布的目的。
这种设备的优点是对焊膏要求低。其缺点是，设备结构和运行动作复杂，且在产品品种更换时，设备的相应更换也很复杂，在国内只有北京松下部品公司在用。
4.2 索尼型焊膏涂布设备
这是一类在国内外广泛使用的设备，其工作原理和一般平面丝网印刷机极为相似，只是将平面印刷钢网改为一种安装有很多特殊针管的金属平板（我们称为模板），这些针管和电路板上相应需要涂布焊膏位置一致，这样刮刀（也有用滚轮的）推下的焊膏通过针管就落到电路板上相应位置上。这种设备是由日本索尼公司首先研制出来的，其后在欧洲的一些公司也相继研制出了类似设备。
这种设备的缺点是对焊膏要求较高，必须用粘度相对较低、金属粒度相对细而均匀的焊膏，且焊膏一旦上机后，由于焊膏是完全暴露在空气中，必须在很短的时间内用完（一般不超过8小时）。其优点是，设备结构和运行动作相对简单，且在产品品种更换时，只须更换一个相应的模板（但这个模板的加工也比较困难）就可以了。
4.3 凌华型焊膏涂布设备
这是某公司在1998年为自己研制的一种半自动焊膏涂布设备。其工作原理与市场上常见的针筒式焊膏涂布机相似。但这种针筒式焊膏涂布机只有一个出膏针管，而凌云型焊膏涂布设备由于装焊膏的是一个容积相对较大的料缸，其下部是一个安装有很多针管的下盖，这些针管和电路板上相应需要涂布焊膏位置一致，焊膏是靠压缩空气通过针管挤到电路板的相应位置上。
  同索尼型一样，凌华型焊膏涂布设备的缺点也是对焊膏要求较高，必须用粘度相对较低、金属粒度相对细而均匀的焊膏，但对焊膏的保鲜性比索尼型焊膏涂布设备好得多，我们曾将焊膏在设备中（常温）存放了两个星期，其工作性能不变，实际情况也证明，只要工作间隔时间不超过三天，设备中的焊料就不必更换（但必须根据情况进行补充），这一点是其它相应设备所不能相比拟的。另一优点是，设备结构和运行动作相对简单，且在产品品种更换时，只须更换一个相应的下盖（这比索尼型的模板要简单得多，国内有一般机械加工能力的工厂就可以加工）就行，设备的第三个优点是焊膏的涂布量可以通过压缩空气的压力和作用时间以及针管内径进行调节。
4.4 随着时间的推移，现在国际市场上还出现了其它形式的焊膏涂布设备，由于这类设备在中国还没有使用单位，这里不再作叙述。
5       焊膏的选择
根据上述的论述，电子产品使用两次再流焊工艺的焊膏选择不是象传统的观点那样严格，只要焊膏成形性好，常温下工作寿命长就可以了。一般来说，第一次焊接使用的焊膏可以用普通的熔点为183℃的焊膏，其粘度为150～400Pa.S就可以了，其粒度要求一般来说不严格（但对细间距的IC，焊膏粒度还是要细一些为好）；对索尼型和凌华型的焊膏涂布装置来说，第二次焊接使用的焊膏和第一次焊接使用的焊膏相比，其熔点可以相同，但对粒度和粘度都有较为严格的要求，即粒度应在200～300目之间，焊膏基本形状应为园球形，粘度应在150～200Pa.S左右（应根据涂布装置的状态进行调整），而对于松下型的焊膏涂布装置，则可以直接用第一次焊接使用的焊膏。根据实际经验，第二次焊接使用的焊膏可以在第一次焊接中使用，而没有必要去考虑熔点的高低，这样可以减轻管理力度。