无铅选择性波峰焊对散热困难的PCB板指导方针-电子网

摘要

无铅选择性波峰焊对散热困难的PCB板指导方针,由于无铅合金在电子组装业中运用越来越广，因此，电子组装业投入大量精力为无铅合金研发DFM指导方针。然而，波峰焊仍面临着诸多挑战，因为它是一个复杂的工艺，其中有许多相互关联的因素。波峰焊面临的挑战之一是要为较厚的PCB板寻找良好的引脚通孔管，特别是能够把较厚的PCB电源/接地引脚连接到多个平面层的引脚通孔管。选择性波峰焊工艺中一个重要因素是PTH引脚周围治具口径的尺寸。据观察，与较小的治具口径相比，较大的治具口径能提供更好的管装填充，但此结论还需进一步研究，以便为更多散热困难的产品设计*合适的治具口径。使用推荐的治具口径可以指导DFM设计，防止元件进入电路板焊接面上PTH的引脚区。

本文介绍使用各种尺寸的选择性治具口径研究较厚的散热困难的实验载体所得的结果。实验载体厚度为3.05mm(0.120”)，具有20个铜层，包括10个平面层，并填充不同的PTH元件类型。其它的设计参数包括Pin脚到铜孔的距离，连接到每个Pin脚的平面层数量。实验设计**个阶段是优化波峰焊工艺参数，**阶段是保持优化的工艺参数不变，只改变治具口径大小。*后讨论不同尺寸的治具口径和其它设计因素相互作用的结果。

介绍

在产品生命周期早期，可制造性设计（DFM）在提高产品可制造性，产量和成本利润方面起着重要作用。设计定案前，通过考虑DFM对制造的影响，可以解决设计和制造的矛盾，并以有成本效益的方式做出**决策。一旦确定设计，要想做出改变就非常困难，实施起来的花费也会很昂贵。组装技术和产品设计需求在不断变化，因此DFM指导方针要不断发展才能满足不断变化的要求。在波峰焊工艺中，含铅焊料向无铅焊料的转变，使之有必要对DFM指导方针做出重新评估。

波峰焊是一道复杂的工艺，涉及许多变量，设计因素和它们之间的相互作用。早期工作记录了从有铅焊接到无铅焊接转变所经历的一系列挑战。增加PCB厚度和热质量也会增加挑战。除了对众多Pin脚通孔（PTH）元件进行面板双面设计外，选择性波峰焊也经常用来连接PTH元件。选择性波峰焊工艺利用与产品配套的治具保护电路板底部的SMT元件，并在治具上留有小孔，使PTH元件Pin脚能够接触到焊料。为治具小孔设计DFM指导方针的目的是得到可接受的组装结果，而无需过度限制设计设计。

本文重点研究选择性波峰焊治具孔径的尺寸对PTH铜孔透锡性及包含大量平面层的较厚测试载体的影响。选出的测试载体代表运用在无铅选择性波峰焊上现实但具挑战性的产品设计。本文研究治具孔径对各种类型元件的影响及孔径尺寸和其他设计特点的相互作用。测试载体上加载着锡-银-铜（SAC）焊料和锡铅焊料，这样可以更好理解转换无铅焊料对较厚且散热困难的电路板的影响。

测试载体

使用的测试载体是一个280mmx404mm（11”×16”）的电路板，厚度为3.00mm（0.120”），共20层，代表高度复杂，散热困难的产品，比如服务器，工业和电信产品等。测试载体选用的PTH元件是安装在通讯板上的常见元件（表1)。根据研究需要，修改现有测试载体，载体板上留出大量空隙。组装电路板如图1所示。电路板共10个平面层，其中8层含铜量为1oz，2层含铜量为2oz。板子堆叠情况如图2所示。

图1 测试载体和元件

图2 板子堆叠表1 元件组装

组装元件中，连接Pin脚的接地层数量不同，其目的在于模仿产品的典型性连接。图3和表2显示接地连接详情。另外图3也显示了电路板传送方向。

图3 元件设计

表2 元件接地连接数量

先前的实验显示Pin脚对铜孔上孔间隙的影响，孔间隙降低铜孔透锡性，并降低合格率。每个元件的孔洞大小和孔间隙所对应的Pin脚如表3所示。

表3 Pin脚和铜孔间隙

检测策略

组装完成后，使用X射线检测机检测铜孔透锡率。根据IPC-A-610E电子组件可接受范围要求检测合格/不合格率。对于信号Pin脚来说，铜孔透锡率不能低于75％。本次研究使用两个X-射线程序。使用10个slice 程序，10％的分辨率测量铜孔透锡率（图4）。40％接地Pin脚测量是由10个slice程序提供。独立的slice程序，只有铜孔深度的75％，测量信号Pin脚不合格数。

图4 X-射线检测程序：10个slices

为了验证X射线检测机检测结果，提供了3个参考指标的截面图和铜孔透锡率。下图5.6.7所示是截面对比图和X-射线检测结果。此结果证实了之前X-射线检测结果，说明X-射线检测PTH铜孔透锡性方法是毋庸置疑的。

图5 X-射线程序验证C20元件

图6 X-射线程序验证D5元件

图7 X-射线程序验证H4元件

实验细节
无铅

在具有不同治具口径的测试载体组装前，工艺参数通过独立的实验程序确定。表4所示的是DOE变量和常数因子。使用具有10个slice程序的X-射线分析其结果。结果表明，长时间接触和较高预热温度可以达到*佳铜孔透锡率。然后将实验结果运用在所有电路板组装的主试验中。

图4 无铅工艺优化

在主要的无铅实验中运用八个不同的治具。对于每个治具来说，从孔壁到*近的PTHpad距离都不一样。所有治具厚度为8mm（0.315”）。不同尺寸的治具口径都有一个相对应的SMT元件，这样元件就不会进入PTHpad中。额外的距离为治具壁接触和密封PCB表面提供空间，并降低板子放在治具上时，对SMT元件的损坏。图8所示的是口径为2.54 mm (0.100”)的治具和相应的SMT元件。

图8 2.54mm (0.100”) 治具口径

无铅实验中使用的8个不同尺寸的治具口径和相应的元件，如图表5所示。对8个治具设计的每一个设计重复组装5次。

表5.无铅实验中治具口径尺寸

此外，3个电路板和一个完全开放的波峰焊治具一同被组装。对于更复杂的拥有先进SMT包装的产品来说，使用完全开放的波峰焊治具显然不是一个现实的生产选择。实验中的电路板是为了在理想的治具孔径条件下提供一个基准。

SnPb

在具有不同治具口径的测试载体组装前，工艺参数通过独立的实验程序确定。表6所示的是DOE变量和常数因子。使用具有10个slice程序的X-射线分析其结果。结果表明，长时间接触和较高预热温度可以达到*佳铜孔透锡率。然后将实验结果运用在所有电路板组装的主试验中。

表6 SnPb工艺优化

在主要的SnPb实验中运用四个不同的治具。对于每个治具来说，从孔壁到*近的PTHpad距离都不一样。所有治具厚度为8mm（0.315”），和在无铅实验中用的厚度相同。SnPb实验中使用的4个不同尺寸的治具口径和相应的元件，如图表7所示。对4个治具设计的每一个设计重复组装3次.

表7. SnPb实验中治具口径尺寸

结果与分析
DIMM连接器的分析：无铅焊料

运用一般线性模型分析DIMM连接器，涉及两个因素，治具口径尺寸和元件参考标志。每个参考标志都认为是独立的，因为每个标志都有一套不同的属性，包括连接接地Pin脚的接地层数，波峰焊方向，板前端装载的位置。运用铜孔透锡不合格率分析实验结果，透锡率低于40％，认为接地Pin脚不合格，透锡率低于75％，认为信号Pin脚不合格。该模型的方差分析结果如图9所示。假定值小于0.05表明该因素统计结果可信度在95％。统计结果表明，治具口径和元件属性都对铜孔透锡不合格率有明显影响。

图9 方差分析结果

分析结果（图10）表明，不同的治具口径对铜孔透锡不合格率的影响有明显差异。*小的治具口径为1.27mm（0.050”），目前为止，此口径下的铜孔透锡不合格率*高。随着口径尺寸不断增加，铜孔透锡不合格率在一直减少，直到*大治具口径增加到7.62mm(0.300”)为止。在*大治具口径中(7.62 mm 到 10.16 mm)，铜孔透锡不合格率几乎没有差别。

主部件效果图（图10）显示，在DIMM中，D1不合格率*低。这归因于在当前元件位置上良好的因素组合：与波峰焊方向垂直，每个接地Pin脚所连接的平面层*少（只有四个平面层）。这些因素被证明有利于提高铜孔透锡合格率。D1和D4显示的不合格率差别小，但意义重大。DIMM中，D1和D4都与波峰焊方向垂直，能��同时接触到波峰。因此，它们之间的差异在于连接接地层数量：D1连接四个平面层，D4连接六个平面层。实验结果与之间的测试一致。

图10 治具口径和DIMM元件属性对铜孔图11 治具口径和DIMM元件相互作用
不合格率的影响

图12 DIMM设计和电路板传送方向

目前，D5在DIMM中的铜孔透锡不合格率*高。它与波峰焊方向平行，位于板子前端，也是在DIMM中**个接触波峰焊的。D5和D6比较结果显示，从前一个元件到后一个相邻元件的热传递是有利影响。D5和D6都与波峰焊平行，每个接地Pin脚连接的平面层都相同（六层）。两者**区别是板子上位置不同，也就是接触波峰焊顺序不同。

实验中一项有趣的观察是比较D4和D6实验结果，它们连接的平面层数量相同（六层）。与平行于波峰焊方向的D6相比，垂直于波峰焊方向的D4表现出明显的优势。然而，这两组测试所显示出的铜孔透锡不合格率没有太大差别。因为通过焊料流到D5（**个接触波峰焊）铜孔，热量转移到内部平面层，D6可以在此过程中大大受益。从D5的热量转移使D6大大受益，足以抵消其平行于波峰焊方向所带来的不利影响.

从图11和13可以看出，增加治具口径可以减少元件间差异。使用较大的治具口径虽然不能完全消除由于方向，平面层数量和在板子上的位置给D5带来的不利影响，但这种影响可以大大较少。使用*大的治具口径，D1和D4之间不合格率的差别就变得微乎其微。由此证明，在一定程度上，额外增加的接地层数所带来的不利影响可以通过使用较大治具口径来抵消。
图13 DIMM在不同治具口径间的不合格率（无铅）

图14显示治具口径，元件和连接类型（信号或接地）之间相互关系。图中可以看出，接地Pin脚对治具口径非常敏感，口径越大，铜孔透锡合格率越高。而对于信号Pin脚来说，治具口径对铜孔透锡合格率没有影响，即使非常小的治具口径也能达到很高的合格率。

图14 无铅实验中，治具口径，元件和DIMM连接器接地Pin脚之间相互关系

DIMM连接器分析：无铅焊料及治具口径

对于装有治具的电路板来说，装有开放式治具的电路板状况*佳。但对多数产品设计来说，使用开放式治具一般不可行。图15显示的是DPMO 10.16mm(0.400”)的DIMM连接器治具口径和开放式治具。与图11显示的趋势一致，DIMMD5显示使用开放式治具，不合格率明显降低。尽管其它DIMM也显示不合格率有所下降，但较大治具孔和开放式治具对不合格率影响的差别不大。这些结果显示，使用开放式治具可以减轻由于D5装在板的前端，并与波峰焊方向平行而对其带来的负面影响。通过研究DIMM上D5的结果，发现治具口径越大，不合格率越低。DIMM上具优越条件的D1和D4，其治具口径的大小对合格率几乎没有影响。

即使使用开放式治具，DIMM作为一个小组，其不合格率仍相对较高。因此，应当对其它方面做出改善来达到可接受的组装产率。在DIMM实例中，由于Pin脚间距离很近，增加Pin脚和铜孔的比例常常受限。然而，可以考虑通过减少平面层的数量并确保和波峰焊方向一致来进行改善。

图15 无铅实验中，DIMM DPMO开放式治具和10.16mm (400 mils)治具

DIMM连接器分析：SnPb焊料

图16所示的是配有4个治具口径的4个DIMM连接器中每个Pin脚铜孔透锡率。据观察，通常情况下，四个元件无论备有哪种治具口径，铜孔透锡性和dispersion都是相似的。图17显示，使用较大治具口径，不合格率会下降。然而，不同治具口径之间不合格率却没有太大差别。同时，图17表明四个DIMM元件间不合格数量也没有太大差别。这些实验结果与使用无铅焊料实验结果有很大差别。此结果与之前的研究相一致：在波峰焊中，与SnPb焊料相比，无铅焊料对设计变量更敏感。为了在无铅焊接中达到满意的组装结果，必须更加重视产品设计。

图16 SnPb实验中， DIMM连接器铜孔透锡性结果图17 治具口径和DIMM连接器对铜孔透锡率的影响

电容分析：无铅焊料

图18所示，在实验所研究的尺寸范围内，治具口径越大，不合格率越低。主部件参考标志效果图强调电容参考标志平均不合格率差别较大。如图19所示，从治具口径和参考标志相互关系可以看出，只有部分电容器会随着治具口径的增加而受益，受益的程度也会根据元件的位置有所不同。

图18 电容器，治具口径和元件对铜孔透锡合格率的影响图19 电容器和治具口径相互关系

图20 电容器设计和电路板传送方向

6.5mm的电解电容（E-caps）有10个平面层和接地Pin脚（C3和C7）相连，在研究范围内增加治具口径，对合格率没有影响。12.5mm的电解电容有6个或4个平面层和接地Pin脚（C19和C20）相连，在研究范围内，增加治具口径，合格率有显著提高。gold 电解电容有4个或6个平面层和接地Pin脚（G1和G2）相连，使用研究范围内的治具口径，不合格率为零。gold 电解电容的G1和G2都使用*小的治具口径，两者合格率没有区别，都能达到*佳结果：G1（连接4个平面层）为3.81mm (0.150”), G2 （连接6个平面层）7.62 mm (0.300”)。

*近调查显示，接地数量越多，Pin脚和铜孔之间距离越小，铜孔透锡性就越差。据观察，对PTH电解电容来说，要想在无铅条件下提高铜孔透锡性，就要加大Pin脚和铜孔之间的距离。

目前的实验结果证实了平面层数量对无铅波峰焊较厚的PCB板有重要影响。如果设计要求允许，减少平面层数量可以提高PTH电解电容无铅波峰焊产量。对于数量中等的平面层（四到六层），增加治具口径尺寸可以提高组装产量。对于数量较多的平面层（十层），只增加治具口径尺寸，产量没有显著提高。

电容器分析：无铅焊料和开放式治具

图21显示电解电容C19，C20，C3，C7每块电路板不合格率。Gold电解电容的G1和G2使用实验中*大治具口径，不合格率为零，因此，即使G1和G2使用开放式治具，也不会有额外提高。使用开放式治具，C19和C20不合格率降到零。这说明，如果治具口径比实验中使用的治具口径大，可以在降低不合格率方面增加额外优势。此结果支持图19所示的曲线图。相比之下，使用开放式治具，C3和C7不合格率仍然较高。这说明，尽管增加治具口径大小可以为这些零件提供一些改善，但为了达到满意的结果，还需在其它方面做出进一步改善，例如扩大Pin脚到铜孔距离，减少平面层数量等。

图21 载有10.16mm治具口径和开放式无铅治具电路板C19, C20, C3，C7不合格率

电容器分析：SnPb焊料

电容器SnPb组装主效果分析（图22）表明，治具之间存在明显差异，尺寸为3.81mm (0.150”) 和 5.08 mm (0.200”)的治具口径产生的不合格率*低。从主效果分析图上可以看出，只有C3和C7存在不合格率。无铅实验结果表明，接地平面层（10层）越多，Pin脚和铜孔距离越小，元件上的不合格率越高。

和无铅组装不同，C3和C7受益于较大的治具口径，如图23所示。实验中，其它电容器即使使用*小的治具口径（1.27mm）不合格率也能为零。此结果与已证实的实验结果一致：无铅波峰焊比SnPb波峰焊面临更多挑战，需要更严格的DFM指导方针以达到满意的装配收益。

图22 PTH电容器治具口径和元件对铜孔透锡率的影响图23 治具口径和PTH电容器相互关系

PCI连接器分析：无铅焊料

PCI连接器P2使用六个不同尺寸的铜孔（见图24）。如图3所示，该元件与波峰焊方向平行。

图24 PCI (P2) 连接器 FHS

图25显示治具口径和P2铜孔尺寸的相互关系。FHS越小，与治具口径尺寸的相互作用越强。比如尺寸为0.58 mm (0.023”), 0.71 mm (0.028”) 和0.84 mm (0.033”)的FHS。同时，图25显示尺寸范围在1.17 mm 到 3.81 mm (0.050” 到 0.150”)的治具口径表现出非常高的DPMO水平。范围在1.09 mm (0.043”) 到 1.22 mm (0.048”) 之间较大的FHS，DPMO水平相同，此时治具口径对它们没有影响。

为了更好说明较大治具口径的FHS差异，图26所示的是尺寸为5.08 mm (0.200”)以上的治具口径表现出的DPMO水平。在这些条件下，中等范围的FHS（0.84 mm ，0.033”)表现出的DPMO水平*佳，其次是尺寸为0.97 mm (0.038”)的FHS。

图25 无铅实验中，FHS和P2治具口径的相互关系图26 无铅实验中，FHS和P2治具口径的相互关系

PCI连接器分析：无铅焊料和开放式治具

图27所示的是PCI连接器P2的DPMO水平。使用开放式治具，0.73 mm (0.028”)以上的FHS产生的不合格率为零。这说明，如果治具口径比实验中使用的治具口径大，可以在降低不合格率方面增加额外优势。

图27 使用开放式治具P2的DPMO水平

PCI连接器分析：SnPb焊料

装有SnPb焊料的PCI连接器分析如下图28所示。只有尺寸为0.71 mm (0.028”)和0.97 mm (0.038”)的FHS产生不合格率。不合格的Pin脚位于连接器末端。

图28 使用SnPb焊料P2的DPMO水平

接头，D型连接器，直流/直流转换器，电源接口分析：无铅焊料

如图29所示，接头连接器H2和H4不合格率差别很小。7.62 mm (0.300”)以上的治具口径不合格率降到可接受的水平。两个接头都与波峰焊垂直，并同时接触到波峰。两者间的差异在于连接接地层数量不同：H2连接四个平面层，H4连接六个平面层。对于此款接头类型，增加两个额外的接地层对合格率没有影响。

对于D型连接器J4来说，使用2.54 mm (0.100”)以上的治具口径可以达到*佳效果。对于连接四个接地层的直流/直流转换器PM1来说，5.08mm (0.200”) 以上的治具口径可以达到*佳效果。

图29 H2, H4, J1, J4, PM1不合格率

对于电源接口J1来说，通过增加治具口径的尺寸，可以降低不合格率。然而，即使使用*大的治具口径，不合格率仍非常高。造成如此高的不合格率可能是因为Pin脚和铜孔之间距离太小(0.13mm)，而且连接到接地Pin脚的平面层有十层。使用开放式治具，J1不合格率降到零。这说明，如果治具口径比实验中使用的治具口径大，可以在降低不合格率方面增加额外优势。

接头，D型连接器，直流/直流转换器，电源接口分析：SnPb焊料

对于接头连接器(H2 和 H4)，D型连接器(J4), 直流/直流转换器(PM1)和电源接口(J1)来说，��于不合格率很低，因此使用SnPb焊料几乎没有影响。

结论

实验结果证实了前面的结论：选择性波峰焊无铅焊料不及SnPb焊料可靠。在产品设计中，无铅焊料对变量更加敏感。因此，为了在较厚且散热困难的PCB上实现令人满意的结果，必须更加重视产品设计，例如，平面连接组件的方向，平面层数量，PTH铜孔尺寸和PTH Pin脚周围的SMT keepouts。

对于在较厚且复杂的电路板上使用无铅焊料治具口径的重要发现

一般来说，增加PTH Pin脚周围治具口径尺寸对降低不合格率很有帮助。通过增加治具口径所得的受益程度很大一方面依赖于其它条件。例如，依赖于元件类型，Pin脚和铜孔比例，元件方向和平面层数量。对多数元件来说，7.62 mm (0.300”)的治具口径能够取得满意的组装结果。同时，也要遵循DFM指南所列举的其它重要因素。例如，平面层数量，Pin脚和铜孔比例，热风焊盘的使用等。电容器可能需要更大的治具口径才能达到满意的结果。

如不遵循DFM指南所列举的其它重要因素，例如不遵循推荐的平面层数量及Pin脚和铜孔的比例，只增加治具口径尺寸，将不足以抵消负面影响并达到满意的结果。这对于散热困难的元件，如电容器影响特别明显。因此，要想通过加大治具口径达到*满意的效果，应当注重其它因素，如减少平面层数量等。

除治具口径外，一些有趣的实验结果：

至少在一定条件下，从前一个元件到后一个相邻元件的热传递对后一个元件是非常有利的。需要进一步实验，以便更好理解此现象并有效地应用在电路板设计中。对于使用较大治具口径的PCI连接器来说，使用研究范围内中等尺寸的铜孔能够达到*佳结果。出现这种情况的原因尚不明确，因此，需要进一步研究，以便更好理解为什么较大铜孔比中等铜孔产生的不合格率高。

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无铅选择性波峰焊对散热困难的PCB板指导方针

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