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电子SMT专业实训：通孔元件焊料填充不足原因及改善方案

THT部分引脚通孔焊料填充总是不能满足要求，令人焦灼!根本原因?检查方法?改善方案? 本文通过案例分析，为您答疑解惑!

尽管SMT表面贴装元件已在电子产品中得到广泛应用，并占绝对多数，但还是有部分高可靠性产品，大功率器件，有受力要求的元件如连接器等采用通孔组装方式。这类元件主要采用波峰焊接或手工焊接工艺来实现组装。大家在生产过程中碰到最多、最头疼的问题应该就是通孔内的焊料垂直填充不能达到IPC标准或客户要求。特别是厚度较大的PCB或连接大块铜箔的接地引脚等。本文通过两个案例分析，对波峰焊接和手工焊接过程中，这种通孔填充不足的问题进行分析并给出解决方案。

IPC610F关于关于通孔内焊料填充高度要求

1失效案例

案例1

PCB厚度3.5mm，波峰焊后元件接地引脚通孔焊料填充只有PCB板厚度的30%(下图)，不良率100%。

案例2

手工焊接，两个接地引脚连接大块散热铜(左图)，焊料上锡高度只有PCB板厚度的40%，不满足IPC-A-610F标准，不良率100%。

2.原因分析及改善：

原因分析

从上面的鱼骨图分析，并结合前面的两个案例，初步确认影响通孔焊料填充的可能因素包括以下几个方面：

1、采用托盘波峰焊接，如果通孔引脚与托盘孔壁之间空间狭窄，其将会影响锡的流动性，经过波峰时，会产生阴影效应，焊料可能越过而没有接触引脚或通孔，另外托盘也可能吸收部分热量从而导致焊接区和焊脚预热不足，这将会影响焊锡的毛细现象而导致润湿不良和填充不足;

2、连接接地层或散热层的引脚，散热快，导致热量不足，不利于焊料的润湿填充;

3、PCB板厚度比较大，热量不足，焊料在孔内润湿爬升困难;

4、板厚度大时，助焊剂穿透覆盖不足，可能降低焊料润湿性。

改善方案及效果

通过上面的分析，制定以下改善方案并进行相关的试验，检查试验效果。

案例一改善方案：

1、加大波峰焊托盘开口尺寸，如下图，在待焊引脚周围留出尽可能多的空间。

2、提高预热温度，将预热温度设置平均提高10--15°C，见下表：

改善效果：

通过以上两项改善措施，通孔上锡高度得到改善，达到PCB厚度60%以上(见改善后图)，满足IPC二级产品标准(50%PCB厚度)。

2 .案例二改善方案：

由于这是手工焊接，采用辅助加热，在焊接前将PCB整体预热温度设置由200°C调整到240°C，烙铁温度设置也由410°C调高为420°C，更换大一号的烙铁头，参数设置见下表：

改善效果：

孔内焊料垂直填充高度大于板厚60%，满足IPC610F二级产品要求(50%PCB厚度)。

3归纳总结

根据这些案例分析及改善效果来看，前面的分析基本得到确认。所以，对于接地脚或厚板通孔焊料填充不足的问题，我们应该从PCB设计、夹具设计、工艺参数设计等方面提前考虑，做好预防措施，后面的工作就顺心顺意了：

1、通孔孔径设计

主要考虑通孔与引脚直径之间的间隙，太大或太小的间隙都不利于焊料在通孔内的填充，当然这个间隙也与PCB厚度有关系，PCB厚度越大，这个间隙也就相应增加，大家可以参照下面表格内的相互关系。这个间隙的保持对厚板来说是相当重要的一个参数。既有利于元件插装，也有利于焊料在孔内的填充。

-如果引脚尺寸较大(直径大于0.75mm)，尽管PCB厚度小于2mm，通孔直径也要参照厚板尺寸计算，例如，引脚直径1.0mm，尽管PCB厚度小于2mm，通孔直径应为2mm(1mm+1mm);

-如果引脚不是圆形而是方形，以较小的宽度尺寸为计算基准，例如，引脚尺寸为0.5mmX1.0mm，PCB厚度为1.6mm，通孔直径应为1.4mm，而且孔径至少比引脚端面对角线大0.18mm。

2、托盘设计

-托盘开孔尺寸大小设计应考虑焊料垂直爬升距离(托盘底面到PCB底面之间距离)，其实这个开孔尺寸越大越好，大的开孔尺寸有利于焊料与元件引脚和通孔接触润湿。但因为板上元件密度大，没有足够的空间，这就需要保持一个最小开孔尺寸，这个尺寸要大于或等于焊料垂直爬升距离(如下图)。

-如果托盘需要大的避空而担心强度不足，可以考虑采用钛合金替代部分原材料(如下图)，在保证有足够的避空情况下而不失强度、寿命要求。

3、对于板厚比较大的PCB(2mm以上)，在分析通孔上锡问题时需要考虑助焊剂在孔内的覆盖，可以通过下面左图方法进行检测。通过热敏纸上的助焊剂分布可以确认助焊剂是否完全覆盖通孔内壁(右图)，如果助焊剂覆盖不充分，孔内上锡高度也会大受影响。

4、厚度比较大的PCB或个别连接大块铜箔的引脚波峰上锡不良，预热是一个关键点。足够的热量是保证焊料充分流动、填充的必要条件，如果通孔内壁热量不足，焊料在孔内的流动性变差，填充高度自然就很难达到了。PCB厚度大，自然需要更多的热量，这个容易理解。同样，如果引脚与大块铜箔连接，尽管PCB厚度尺寸不大，但由于金属热量传递快，当焊料流经大块铜层时，热量迅速流失，流动性变差，填充润湿性下降，就会出现通孔填充不足问题。所以，遇到较厚的PCB或连接大块铜时，就要确保PCB元件面预热温度达到松香水的建议值(如>110C°)。

5、对于手工焊接，如果碰到厚板或接地脚焊接时，可以采用辅助加热方式，事先对需要焊接的PCB进行预热处理，板上预热温度达到120—130°C为宜。

6、为了很好地监控元件及PCB各区域的温度，可以采用下图所示放置热电偶(TC、Thermocouple)，监控焊接温度和时间，也监控非焊接区域的温度和时间。这样既可以确定焊接区温度达到预先的设计，也不用担心PCB或元件出现热损伤问题。

⑴TC1用于监控波峰接触驻留时间;

⑵TC2用于测试并监控PCB元件面低热容区域温度(无PTH元件);

⑶TC3用于测试并监控PCB焊接面低热容区域温度(无PTH元件);

⑷TC4用于测试并监控目标元件焊接面安装孔环温度;

⑸TC5用于测试并监控目标元件元件面安装孔环温度;

⑹TC6测试并监控元件封装本体温度。