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电子组装技术之THT(通孔组装技术)

来源: 作者: 时间:2010-06-01 点击:

一、概述    

    电子组装技术(electronic assembly techonology)又称为电子装联技术,定义为:根据成熟的电路原理图,对各种电子元件、电子器件、机电元件、机电器件以及基板进行合理设计、互连、安装、调试,使其成为适用的、可生产的电子产品(小到集成电路,大到雷达、通信设备和超级巨型计算机)的技术。
    电子组装技术是一门电路、工艺、结构、元件、器件、材料紧密结合的多学科交叉的工程技术,涉及集成电路技术、厚薄膜混合微电子技术、PCB技术、表面贴装技术、电子电路技术、CAD/CAT/CAM技术、互连技术、热控制技术、封装技术、测量技术、微电子学、物理学、化学、金属学、电子学、机械学、计算机学、材料科学、陶瓷及硅酸盐学等领域。
    印制电路技术从20世纪60年代才开始得到广泛的应用。由分立元器件组装而成的电子电路,要求在电路板上的连接线并不太多,而且早期的集成电路也很少带有16根以上的引线,因此,主要采用通孔组装技术(THT)完成电路板卡的制造。THT指将引线插入PCB上的通孔,在板的背面进行焊接的技术,它完全可以适应这种需要。随着微电子和计算机技术的发展,电路的复杂性增加,THT已经不能适应这些要求了。比如某型号的集成电路要求在电路板上的连线数目大于l00,由于THT所规定的引线中心距离仅为2.54mm(o.1in),已经远远不能满足如此大数目引线的组装要求。
    表面组装技术(SMT)正是为克服THT的局限而发展起来的。SMT不同于THT,表面组装元器件直接被焊在电路板的表面。初看这种差别好像没有什么意义,但这种改变随后显示出一系列的优点,直至现在,从元器件四周引线发展到元器件的整个下元器件表面的高密度I/O组装(如球栅阵列封装),都得益于这种组装方式的改变。
与等效的通孔组装件相比,表面组装件体积小,重量轻。仅以常规的表面组装件为例,‘其尺寸可减小到通孔组装件的25%一90%。


二、通孔插装技术(THT)

   什么是“通孔插入安装技术”(Through Hole Technology(简称:THT )呢?它是指将元器件引出脚插入印制电路板相应的安装孔,然后与印制电路板面的电路焊盘焊接固定,我们称这种 
装联技术为“通孔插入安装技术”。
   随着“表面安装”方式的广泛应用,似乎有人认为,这种传统的装联方式是夕阳技术,实际上这是一种偏面的看法。 优越性:投资少、工艺相对简单、基板材料及印制线路工艺成本低,适应范围广等。适用性:不苛求体积小型化的产品。当前的表面安装组件大多属于两种装联方式混合采用的组件。因此学习并掌握这种传统的装联方式是非常必要的                              手工插件
   元器件的通孔插入方法有手工插件和机械自动插件两种,随着装联水平的提高,在大批量稳定生产的企业,普遍采用了机械自动插件的方式,但即使采用机械自动插件后,仍有一部份异形元器件(如集成电路、电位器、插座等)需要手工插件,尤其在小批量多品种的产品装联中,采用机械自动插件会占用大量的转换和调机时间,因此手工插件还是一种很主要的元器件插装方法。其流程为:元器件预成型--搪锡--插件。                                                                                                                        (1)预成型方法:元器件成型方法:手工、机动两种方式。 
   ①手工成型:最简易的手工成型工具是成型捧宽度决定成型跨距高度决定引线长度;                                                                                    ②机动成型:有半自动与全自动成型两种。 为适应元器件不同的引出方式,成型机又分轴向元件成型机和径向元件成型机。
   (2)搪锡
   ①什么是“搪 锡”?即在装联之前对元器件的引线进行重新浸锡处理,通常称为“搪锡”。为什么要搪锡?元器件存放时间较长,表面有氧化层,导致可焊性不良。搪锡处理虽然解决了可焊性问题,但若不按一定的规范操作,有可能带来很多副作用,如:元器件过热损坏;残留焊剂的腐蚀;元器件引线的机械损伤等。所以,对搪锡操作的严格控制是非常必要的。                  ②搪锡操作步骤及要领
   · 浸沾助焊剂:
   浸入深度—元器件引线根部离助焊剂平面2~3mm。
   · 浸锡:
   锡槽温度—在260℃~270℃,停留时间—2~3秒,浸入深度—元器件引线根部离锡平面2~5mm。特别注意:元器件引线从锡槽内提起的动作要缓慢。
   · 清洗:从锡槽内取出后应立即浸入酒精内。

   机械自动插件
   机械自动插件(简称:AI)是当代电子产品装联中较先进的自动化生产技术,其优越性表现为: 
   · 提高了生产效率; 
   · 提高插件正确性; 
   · 提高可靠性,机械自动插件设备具有将元器件引线剪断和弯曲固定的机构,这样使引线焊接后与焊点的接触面积明显增大(是直脚焊3倍)。
三、通孔回流焊接技术(THR)
   在传统的电子组装工艺中,对于安装有过孔插装元件(THD)印制板组件的焊接一般采用波峰焊接技术。但波峰焊接有许多不足之处:不适合高密度、细间距元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;印制板受到较大热冲击翘曲变形。因此波峰焊接在许多方面不能适应电子组装技术的发展。为了适应表面组装技术的发展,解决以上焊接难点的措施是采用通孔回流焊接技术(THR,Through-hole Reflow),又称为穿孔回流焊PIHR(Pin-in-Hole Reflow)。该技术原理是在印制板完成贴片后,使用一种安装有许多针管的特殊模板,调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐,使用刮刀将模板上的锡膏漏印到焊盘上,然后安装插装元件,最后插装元件与贴片元件同时通过回流焊完成焊接。从中可以看出穿孔回流焊相对于传统工艺的优越性:首先是减少了工序,省去了波峰焊这道工序,节省了费用,同时也减少了所需的工作人员,在效率上也得到了提高;其次回流焊相对于波峰焊,产生桥接的可能性要小的多,这样就提高了一次通过率。穿孔回流焊相对传统工艺在经济性、先进性上都有很大优势。
   通孔回流焊接生产工艺流程  
   生产工艺流程与SMT流程极其相似,即印刷焊膏一插入元件一回流焊接,无论对于单面混装板还是双面混装板,流程相同。 
   2.1 焊膏印刷
   2.1.1焊膏的选择
   通孔回流所用的焊膏黏度较低,流动性好,便于流入通孔内。一般在SMT工艺以后进行通孔回流,若SMT采用的焊膏合金成分为63Sn37Pb,那么为了保证通孔回流时SMT元件不会再次熔化而掉落,焊膏中焊锡合金的成分可采用熔点稍低的46Sn46Pb8Bi(178℃),焊料颗粒尺寸25μm以下<10%,25~50μm>89%,50μm以上<1%。
   2.1.2 基本原理
   在一定的压力及速度下,用塑胶刮刀将装在模板上的焊膏通过模板上的漏嘴漏印在线路板上相应位置。步骤为:送入线路板→线路板机械定位→印刷焊膏→送出线路板。
   2.1.3 焊膏印刷示意图(见图1) 
   (1)刮刀:采用钢材料,无特别的要求,刮刀与模板之间间距为0.1~0.3mm,角度为9°;
   (2)模板:厚度为3mm,模板主要由铝板及许多漏嘴组成;
   (3)漏嘴:漏嘴的作用是焊膏通过它漏到线路板上,漏嘴的数量与元件脚的数量一样,漏嘴的位置与元件脚的位置一样,以保证焊膏正好漏在需要焊接的元件位置,漏嘴下端与PCB之间间距为0.3mm,目的是保证焊膏可以容易地漏印在PCB上。漏嘴的尺寸可以选择,以满足不同焊锡量的要求;
   (4)印刷速度:可调节,印刷速度的快慢对印在PCB上焊膏的份量有较大的影响。
   2.1.4 工艺窗口
   在机器设置完成后,只有印刷速度可通过电子调节。要达到好的印刷品质,必须具备以下几点:
   (1)漏嘴的大小合适,太大引起焊膏过多而短路,太小引起焊膏过少而少锡;
   (2)模板平面度好,无变形;
   (3)各参数设置正确(机械设置):漏嘴下端与PCB之间间距为0.3mm,刮刀与模板之间间距为0.1~0.3mm,角度为9°。 
   2.2 插入元件
   采用人工的方法将电子元件插入线路板中,如电容、电阻、排插、开关等。元件在插入前线脚已经剪切,在焊接后无须再剪切线脚,而波峰焊是在焊接后才进行元件线脚剪切。
   2.3 回流焊接
   2.3.1 原理
   热风气流通过特制的模板上喷嘴,在一定的温度曲线下,将印刷在PCB上元件孔位处的焊膏熔化,然后冷却,形成焊点,将通孔元件焊接于线路板上。
   2.3.2 回流炉的结构
   共有4个温区:两个预热区,一个回流区,一个冷却区。只有下部才有加热区,而上方则没有加热区,不像SMT回流炉上下都有加热区。这样的设计可以尽量较少温度对元件本体的损坏。两个预热区和一个回流区的温度可以独立进行控制,冷却区则为风冷。回流区为最关键的温区,它需要特殊的回流模板。 
   2.3.3 点焊回流炉回流区工作示意图(见图2)
   模板:厚度为15mm,模板主要由耐高温金属板及许多喷嘴组成。
   喷嘴:喷嘴的作用是热风通过它吹到线路板焊膏上。喷嘴的数量与元件脚的数量相同,喷嘴的位置与元件脚的位置一样,以保证热风正好吹在需要焊接的元件位置,提供足够的热量。喷嘴上端与PCB之间间距为3mm,喷嘴的尺寸可以选择,以满足不同元件不同位置的热量需求。
   通孔回流焊接工艺的特点 
   对某些如SMT元件多而穿孔元件较少的产品,这种工艺流程可取代波峰焊。 
   3.1 与波峰焊相比的优点 
   (1)焊接质量好,不良比率PPM(百万分率的缺陷率)可低于20。
   (2)虚焊、连锡等缺陷少,返修率极低。
   (3)PCB布局的设计无须像波峰焊工艺那样特别考虑。
   (4)工艺流程简单,设备操作简单。
   (5)设备占地面积少,因其印刷机及回流炉都较小,故只需较小的面积。
   (6)无锡渣问题。
   (7)机器为全封闭式,干净,生产车间里无异味。
   (8)设备管理及保养简单。 (9)印刷工艺中采用了印刷模板,各焊接点及印刷的焊膏量可根据需要调节。
   (1O)在回流时,采用特别模板,各焊接点的温度可根据需要调节。
   3.2 与波峰焊相比的缺点:
   (1)此工艺由于采用了焊膏,焊料的价格成本相对波峰焊的锡条较高。
   (2)须订制特别的专用模板,价格较贵。而且每个产品需各自的一套印刷模板及回流焊模板。
   (3)回流炉可能会损坏不耐高温的元件。在选择元件时,特别注意塑胶元件,如电位器等可能由于高温而损坏。

 

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