波峰焊接用1.27mm间距插件之DFM探索与实践

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• Source: 北京SMT专业委员会
• Date: 2016-12-26
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参考文章: 波峰焊接及DFM试验报告          清华-伟创立SMT实验室
北京佰瑞德科技有限公司                   北京电通纬创电子技术有限公司
         蔡三強  李博                                       马志荣
前言
去年应某司要求, 有幸与清华-伟创立SMT实验室王老师，曹工, 陈工一起. 对采用波峰焊接的细间距部品用焊盘之LAYOUT, 从DFM的观点出发, 做了一些探索, 收效甚佳. 其中细间距部品包括PITCH=0.5mm [以下写作P=0.5]的 QFP100,  P=1.27的40P排针,   1005[0402] 的CHIP. 本文 DFM探索部分内容主要针对其中的40P排针的：焊盘设计思路, 试验说明, 结果解析与初步结论做介绍. 实践部分则是介绍电通伟创公司在量产情况下对P=1.27的2*50的插座在PCB无DFM对应时的对策与有效性.
                                  DFM探索

• 设计思路

1. LAYOUT的特点.
    布局是定义部品引脚与焊接方向的关系, 使成排引脚先后而不是同时经过焊料波.
图一是试验板焊接起始面. [本文与焊接相关的图示其焊接方向均为右至左]。右图是实物照片，其右上角的九个位置[G1,G2,G3,H1,H2,H3,I1,I2,I3] 是本文介绍重点. 左图是PCB设计文件的截图.
 
                               图一
 
2. 焊盘形式的考量
形状方面主要借鉴几家品牌公司的设计案例, 交错及非对称的焊盘源于飞利浦, 三洋及先锋. 菱形焊盘则始见于松下, 且千住有详细的论述说明其特点. 而拖锡焊盘[或称窃锡焊盘,  DUMY,  THIEF等]的有无及相对于焊接方向的位置则是另一关键所在, 但由于其几何图形及尺寸种类繁多,估且推定图形与尺寸对焊接效果弱相关.在排针试验中仅选取了一种形式. 图二是排针焊盘的PCB设计文件放大图, 其中的文字标注仅是理论值.
 
                              图二
3. 间隙的考量
我们推定相邻焊盘的间隙大小是影响连焊的主要原因之一. 在P=1.27时, 为保证焊盘环宽不至过小, 仅对间隙值在0.1与0.2mm之间做比较. 理论上这将导致菱形的长轴出现尺寸差异[如G3应比H1与I3稍长]. 但这仅是设计思路. 由于受PCB制板厂制程能力的限制, 成品板的实测焊盘间隙菱形间均为0.184mm, 其余均为0.152mm左右. 与设计值[0.1与0.2mm]有一定的差异。图3是焊盘间隙放大图. 注意其间无阻焊绿油.
 
试验用排针引脚截面为0.45*0.45mm, 理论对角尺寸约0.64mm. 金属化孔壁厚约0.02mm, 此时的引脚与孔的间隙T因P=1.27而不能滿足通常最小为0.2mm的惯例. 但在实际插入时手感尚好. T值的大小在金属化孔时会对连焊起作用. 可大致解释为, 在焊点脱离焊料波后的瞬间, 表面张力不但趋使焊料在水平方向空旷处运动, 还会驱使焊料向上运动, 这将使焊接起始面焊盘上的焊料趋于减少, 因而减少连焊. 推定垂直填充的高度在小范围内与T值大小正相关.出于此种考虑, 钻孔底孔直径取0.762与0.8mm两种,  [ 两种孔径所对应的孔内焊料量之理论比约为1:1.2].  希望能观察到差异.
4. 部品的考量
引脚探出焊接起始面的高度对焊接效果的影响巨大且又最易被忽视. 本次试验取0.5与1.2mm两个尺寸. 另一重要因素是STAND OFF, 即部品本体距板面高度. 这个间隙足够将有利排气而提升垂直填充. 试验用排针此值为0.6mm. 值得一提的是, 在通孔回流工艺中, 部品的这两个参数选取也是成功的关键所在.
5. 助焊剂的考量
试验中采用的助焊剂分别有KESTER959,  IF2005M,  IF2005C,  RA405,  RJ5118五种. 其中一款对SMT与THT以往的较果并不好, 但因某些原因而不能替代. 另有一款一直仅用于THT相关产品.
工艺手法上的KNOW-HOW是要用手工仅在需要处添加额外的助焊剂, 品牌公司多会在量产时于生产线苐一工位釆用此法. 以便低成本地保证产品的清洁度和直通率.

• 试验说明

表一为试验条件与结果对照表, 说明如下
1.  I1与I2两排位置间距因设计失误, 不能同时扦入排针, 至使I2位置呈大量未扦入状态.
2.  / 表示沒有排针扦入的状态.
3.  O表示排针焊接合格.  X表示排针连焊.  L表示引脚出板面0.5mm,  H表示引脚出板面1.2mm.  OL表示引脚出板面0.5mm的排针焊接合格.  XH表示引脚出板面1.2mm排针连焊. 余类推.
4.  焊盘形状以 一顺表示“1”焊盘, 交错表示“2”焊盘, 菱形表示“3”焊盘.如图4；
 
5.  1,2号板在佰瑞德公司用JT350焊机, 3到17号板在大唐电信用ELECTROVERT焊机, 均用1M/min链速,一次波都未使用, 全釆用有铅焊接工艺, 焊接中排针未出现连焊以外的不良。
6.   助焊剂规格隐去, 以A,B,C,D,E替代. [因某些助焊剂未能按要求滿足其预热条件]
 
                                  表一
 
三. 解析
1. 如表一，最左侧I3的表现最好, 无一例连焊, 我们认为主因有三, 一是菱形焊盘相邻处有较小的曲率半径, 表面张力在水平方向使液态焊料回缩能力更強. 二是T值较大时[孔径0.8mm时] 热容量较大,使垂直填充更充分以增加焊接终止面的焊料,同时减少焊接起始面的焊料使连焊减少. 此时助焊剂的穿透作用也被一起被強化. 三是当焊盘间隙在尽可能较大时, 预后一定会好, 在试验中孔径差异仅为0.038mm时就观察到明显的区别.
2. G3,H1与I3相比仅是T值稍小[孔径0.762mm], 同为菱形焊盘和0.184mm的间隙.仅可在滿足引脚探出板高度为0.5mm时才能消除连焊. 所以T值在可能时取上限为好. 一般有鉛时多为0.2至0.4mm, 无铅时上限可达0.6mm. 但这是以引脚尽可能细为前提.
3. 当引脚探出板高度为0.5mm时还有连焊发生，多为以下诱因。 焊接方向不正确[7,8号板], 助焊剂性能差[14,15号板], 助焊剂预热未滿足条件[10,11,12,13号板].
4. 助焊剂表现最好的为A, 对SMT与THT均好. 其次是B, 但其仅在THT时表现良好. 这二者在不额外追加助焊剂时都有好的结果.
5. 从整体不良看, 引脚探出板面高度的控制在工艺正常时，可有效减少连焊[如1,2,3,4,5,6,9,16,17号板].
6. 底孔孔径为0.762与0.8mm时, 在焊接终止面有可识别的垂直填充差异见图五c,d.
四. 初步结论
P=1.27插针,引脚截面对角长度0.65mm时,优化后的PCB焊盘设计组合为:
1. 对于金属化孔,底孔直径取0.8mm, 焊盘间隙取0.2mm ,焊盘形状取菱形[对于非金属化孔或单面板, 焊盘形状取非对称形如图4的2.]
  2. 插针走向要与焊接方向相同,拖锡焊盘位置一定要位于相对于焊接方向的后方.
  对部品则要求引脚探出板面高度在金属化孔时尽量取低[关注PCB厚度与引脚长度的选择]. STAND-OFF要大于零. 引脚截面的细化可导至焊盘间隙趋大, 在部品选型时要格外关注.
要与PCB厂家充分沟通制程能力对设计的影响, 使产品实际规格尽量滿足设计要求
 
1.27mm间距插座过波峰的量产实践
一.PCB设计与插座参数 [PCB末釆用DFM设计]
1.孔间距为1.27mm，焊盘间隙等尺寸如图6
2.器件引脚截面为矩形,长为0.3mm宽为0.2mm、孔直径0.63 mm，两者之间的关系如图7. 插座P=1.27, 2*50 Pin， stand off=0.8mm，插装后引脚露出PCB  0.4mm[ PCB厚1.6mm]. 如图8，图8-1是对其细部的尺寸标注。
          
                                    图8
二.波峰用治具
   1.治具初始试用
此产品计划生产批量为4000块，初期用其中20块板子按图9所设计的治具，作波峰焊接的试验。波峰焊接后插座焊点发生批量短路，缺陷主要集中在如图9所示位置.每个治具承载4块PCB.炉后每个治具上最少会出现2块不良品.不良率大于50%。 如此大的比例，给后工序造成严重的工时浪费。 因缺陷相对来讲位置固定，特选择下面的方案进行改进。
2.治具的局部改进
在插座最后离开焊料波的部位加上导流片（导流片到焊点的距离约等于相临两焊盘之间的距离，材质为铜，用粘合剂固定在合成石上），相当于在治具上给插座加上拖锡焊盘，如图10下两图中红色圏出的部分。                           
三. 效果
图11是再次抽20块板,采用改进后的治具过波峰后效果。合格率达到100%，此后对剩余的3960块产品进行批量生产，过完波峰后没有短路现象。合格率为100%.