1.4 电子组装的焊接技术

焊接是电子组装的核心技术，其作用是将焊膏或焊料融化，使元器件与PCB牢固地连接在一起。焊接质量直接影响电子产品的性能和使用寿命。电子组装的焊接（Soldering）温度不超过450℃，国家标准称为“软钎焊”，以有别于温度较高的“硬钎焊”（Brazing）。至于温度更高（800℃以上）的，用于机械用途的则称为熔焊（Welding）。

1.4.1 软钎焊

钎焊是采用比焊件熔点低的金属材料作焊料，将焊件和焊料加热到高于焊料熔点、低于母材的熔化温度，利用液态焊料润湿母材、填充接头间隙，并与焊件表面相互扩撒、实现连接焊件的方法。钎焊在电子产品的生产中占据极为重要的地位。电工产品的导体连接、内引线和电子产品的内引线、电子元器件制造及印制电路板的组装工序中均采用钎焊技术。

在电子组装技术各种焊接方法中，无论手工焊、浸焊、波峰焊和再流焊，其焊接温度均低于450℃，均属于软钎焊范畴。根据电子装联技术中所使用的焊料不同分为有铅焊接和无铅焊接。使用的传统有铅焊料Sn-Pb共晶和近共晶合金的熔点在179～189℃。目前应用较普遍的无铅焊料Sn-Ag-Cu合金的熔点在216～221℃。因此，电子组装技术中使用的合金焊料为软钎焊料。

1.钎缝的金相组织和连接可靠性

电子组装技术中的焊接就是通过熔融焊料在母材表面经过润湿、毛细作用、扩散、溶解、冶金结合形成金属间合金层，又称钎缝或焊缝，从而实现两个被焊接金属之间电气与机械连接的焊接技术。例如，QFP器件Sn-Pb焊接后的钎缝如图1-16所示，器件引脚和PCB焊盘上的金属是Cu，焊料的成分是Sn-Pb。

钎缝的金相组织主要由固溶体、共晶体和金属间化合物的混合物组成，是很不均匀的。固溶体钎缝组织具有良好的强度和塑性，有利于焊点性能。共晶体钎缝组织，一方面是焊料本身含有大量的共晶体组织，另一方面焊料与固体母材能形成共晶体。金属间化合物钎缝组织，冷凝时会在界面析出金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）。Sn系焊料与Cu焊接生成的界面合金层的扫描电子显微镜（SEM）照片如图1-17所示。Sn-Pb合金焊接时，当温度达到210～230℃时，Sn向Cu表面扩散，而Pb不扩散。初期生成的Sn-Cu合金为Cu₆Sn₅（η相）。其中Cu的质量分数约为40%。随着温度升高和时间延长，Cu原子渗透（溶解）到Cu₆Sn₅中，局部结构转变为Cu₃Sn（ε相），Cu含量由40%增加到66%。当温度继续升高和时间进一步延长，Sn-Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料的一侧留下Pb形成富Pb层。Cu₆Sn₅和富Pb层间的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲击，就会在焊接结合层发生裂纹。

Sn-Pb焊料与Cu焊接形成的金属间化合物主要是Cu₆Sn₅和Cu₃Sn。从扩散过程中可以看出，焊接工艺温度越高，时间越长，化合物层会增厚，如果化合物层形成过多的Cu₃Sn，将大大降低焊点强度。Cu₆Sn₅和Cu₃Sn两种金属间化合物的比较见表1-5。

钎缝中的金属间化合物不能太厚，因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟裂造成失效，降低焊点可靠性。金属间化合物的厚度与抗拉强度的关系如图1-18所示。

金属间化合物的厚度与焊接温度和时间成正比。所以要控制焊接时间和焊接峰值温度，保证金属间化合物的厚度。金属间化合物厚度为0.5μm时，抗拉强度最佳；0.5～4μm时，抗拉强度可以接受；小于0.5μm时，由于金属间合金层太薄，几乎没有强度；大于4μm时，由于金属间合金层太厚，使焊接连接区域失去弹性，由于金属间结合层的结构疏松、发脆，也会使强度小。考虑到许多组装板需要经过双面再流焊，有的焊点甚至还要经过多次焊接，因此无论再流焊还是波峰焊，都不建议采用过高的温度进行焊接，同时要控制液相时间不要过长，避免金属间化合物过厚，影响焊点强度。理想的IMC厚度控制在0.5～2.5μm，考虑到多次焊接等因素，通常Sn-Pb焊料与母材Cu焊接的最佳IMC厚度控制在1.2～3.5μm。

2.无铅焊接

（1）无铅焊接机理

无铅焊接过程、原理与Sn-Pb焊接基本是一样的，主要区别是由于合金成分和助焊剂成分改变了，因此焊接温度、生成的金属间结合层及其结合层的结构、强度、可靠性也不同了。无铅焊接中焊料主要是Sn-Ag共晶合金、Sn-Ag-Cu三元合金、Sn-Cu系合金、Sn-Zn系合金、Sn-Bi系合金、Sn-In系合金和Sn-Sb系合金。

目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn-Ag-Cu与Cu焊接的金属间化合物的主要成分还是Cu₆Sn₅和Cu₃Sn。当然也不能忽视次要元素也会产生一定的作用。Sn-Ag-Cu与Cu焊接钎缝组织如图1-19所示。

（2）Sn-Ag-Cu中Sn与次要元素的冶金反应

在Sn、Ag、Cu三种元素之间有三种可能的二元共晶反应。

①Ag与Sn在221℃形成Sn基质相位的共晶结构和ε金属间的化合相位（Ag₃Sn）。

②Cu与Sn在227℃形成Sn基质相位的共晶结构和η金属间的化合相位（Cu₆Sn₅）。

③Ag与Cu在779℃形成富Agα相和富Cuα相共晶合金。

但在Sn-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发现779℃相位转变。对这个现象，理论界认为在温度动力学上解释为更适于Ag或Cu与Sn反应，生成Ag₃Sn和Cu₆Sn₅。从以上分析中可以看出，Sn-Ag-Cu系统中液态时的成分为βSn+Cu₆Sn₅+Ag₃Sn，Sn-Ag-Cu与Cu焊接界面的钎缝组织还是Cu₆Sn₅和Cu₃Sn。Sn-Ag-Cu与Cu焊接的焊点中只是多了一个成分Ag₃Sn，而Ag₃Sn是稳定的化合物，能够改善合金的机械性能。因此Sn-Ag-Cu与Cu焊接的连接可靠性是可以的。

（3）Sn系焊料与Ni/Au焊接

Sn系焊料与Ni/Au焊接后的钎缝组织扫描电子显微镜（SEM）照片如图1-20所示。在Ni焊盘这一侧，Ni与焊料之间的金属间化合物主要是Ni₃Sn₄，在焊料一侧主要是AuSn₄。Ni-Sn化合物比较稳定，Ni-Sn界面反应层与Sn-Cu反应层相比，反应速度稍慢一些，IMC的厚度也相对薄得多，因此Ni-Sn合金的连接强度较好；但是Au能与焊料中的Sn形成Au-Sn的共价化合物AuSn₄。AuSn₄不是所需要的结合层。

（4）Sn系焊料与42号合金（Fe-42Ni）焊接

与Cu相比，Sn系合金与Fe-42Ni的界面反应速度比较慢。主要反应如下：

①Fe-42Ni中的Ni向Sn中溶解，凝固时结晶生成板状的Ni₃Sn₄。

②剩余的Fe和残留的Ni在界面发生反应生成（Fe，Ni）Sn₂，大多形成FeSn₂。

③42号合金与Sn系合金一般能形成良好的界面，但加入Bi会发生界面偏析，因此连接强度明显降低。

Sn与42号合金在250℃时界面反应成长状况的SEM照片如图1-21（a）所示。从照片中可明显看出，钎缝组织是两层结构，42号合金一侧主要是由FeSn₂和残留的Ni构成，而另外一侧凹凸剧烈的、具有小晶面的结晶层是Fe扩散到Sn液体中生长起来的FeSn₂，其中几乎没有Ni固溶。也就是说，原来的界面变成了两个反应层的界面，融入Sn中的Ni在凝固时结晶生成板状的Ni₃Sn₄。图1-21（b）显示最弱的部位是两个反应层的界面，合金容易在此处发生失效。

（5）无铅焊料合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成化合物

各种合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成的化合物见表1-6，从界面反应和钎缝组织可以看出，不同的焊料合金，甚至同一种焊料合金与不同的金属焊接时的界面反应和钎缝组织都不一样，它们的可靠性也不一样。

由于电子元器件的品种非常多，特别是元器件焊接端的镀层很复杂，可能会存在某些元器件焊接端与焊料的失配现象，造成可靠性问题。因此一定要仔细选择并管理元器件。

3.典型的钎焊焊接技术

电子组装的钎焊有很多，典型的钎焊技术有再流焊、波峰焊、选择性波峰焊、手工焊、浸焊、机器人焊等。

1.4.2 再流焊

1.再流焊流程

再流焊也称为回流焊，其流程如图1-22所示。再流焊工艺是将焊膏通过模板的开孔印刷到PCB焊盘，再用贴装机贴装元器件，从再流焊炉入口到出口大约5～6min完成干燥、预热、熔化、冷却凝固全部焊接过程，形成焊点。

印刷焊膏使用印刷机，模板一般是激光切割的钢网，元器件贴装使用贴装机，再流焊使用再流焊炉。再流焊炉种类很多，按照再流焊加热区域，可分为对PCB整体加热和对PCB局部加热两大类。对PCB整体加热的有箱式、流水式再流焊炉，具体有红外炉、热风炉、红外热风炉、气相焊炉、真空炉等。目前应用最广的是热风炉。对PCB局部加热的方式有热丝流、热气流、激光、感应、聚焦红外等。PCB局部加热设备主要用于返修和个别元器件的特殊焊接。

2.再流焊原理

再流焊是通过重新熔化预先分配到PCB焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊接端与PCB焊盘之间的机械与电气连接的软钎焊技术。再流焊的工艺目的就是获得良好的焊点。

焊接过程中，沿再流焊炉长度方向的温度随时间的变化而变化。从再流焊炉的入口到出口方向，温度随时间变化的曲线称为温度曲线。图1-23是Sn-Ag-Cu无铅焊膏再流焊温度曲线及温区的划分示意图。再流焊炉从PCB进入到出口，可以分为升温区、预热区、助焊剂浸润区、回流区（液相区）和冷却区，回流区的顶部是峰值温度的区域，元器件的耐热温度就是指的这个区域。以焊接理论为指导，由再流焊温度曲线分析再流焊的原理如下：

①当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件焊接端和引脚，焊膏软化、塌落、覆盖焊盘，将焊盘、元器件焊接端与氧气隔离。

②PCB进入预热区时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件。

③在助焊剂浸润区，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元件焊端，并清洗氧化层。

④当PCB进入焊接区，即回流区（液相区）时，温度迅速上升使焊膏熔化，液态焊锡润湿PCB的焊盘、元件焊接端，同时发生扩散、溶解、冶金结合，漫流或回流混合形成焊点。

⑤PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了再流焊。

1.4.3 波峰焊

波峰焊主要用于传统的通孔插装印制电路板组装工艺，以及表面贴装与通孔插装元器件的混装工艺。适合波峰焊的表面贴装元器件有矩形和圆柱形片式元器件、SOT、较小的SOP和QFP等器件。

尽管再流焊与波峰焊相比较具有很多优点，但波峰焊仍然是当前、甚至将来很长时间必须采用的焊接工艺。考虑加工成本，许多低价的消费电子产品仍然需要使用低价的通孔插装元器件和纸基或酚醛树脂的单面板，因此波峰焊仍然富有生命力。

1.波峰焊流程

PTH元器件波峰焊的流程如图1-24（a）所示：元器件手动或自动插装到PCB→从PCB底部喷涂助焊剂→经过融熔的焊锡→在表面张力和润湿力的相互作用下，借助毛细管作用焊锡填充到PCB通孔形成焊点。表面贴装元器件波峰焊焊接的流程如图1-24（b）所示：通过设备点涂红胶在焊盘之间的位置→贴装机贴装元器件→固化使得元器件固定在印制电路板上→翻转电路板，通过波峰焊机，在印制电路板的底部涂覆助焊剂，通过波峰焊形成焊点。

波峰焊机的种类很多，按照泵的形式可分为机械泵和电磁泵波峰焊机。机械泵波峰焊机又分为单波峰焊机和双波峰焊机。单波峰焊机适用于纯通孔插装元器件组装板的波峰焊工艺；对于SMC/SMD与THC混装板，一般采用双波峰焊机或电磁泵波峰焊机。波峰焊机及工作原理示意图如图1-25所示。

波峰焊的焊点形成是一个非常复杂的过程，除和润湿、毛细管现象、扩撒、溶解、表面张力之间的互相作用有直接影响外，还与PCB的传送速度、传送角度、焊锡波的温度、黏度、锡波高度、焊锡波喷流的速度、PCB与焊锡波喷流相对运动时的速度比等有关。这些参数不是独立的，它们之间互相存在一定的制约关系。

2.影响波峰焊质量的因素

影响波峰焊质量的主要因素有设备、工艺材料、印制板质量、元器件端的氧化程度、PCB设计、工艺等。

①设备。设备对焊接质量的影响主要有：助焊剂涂覆系统的可控性，预热区和波峰锡炉温度控制系统的稳定性。波峰结构、波峰高度的稳定性和可调性，PCB传输系统的平稳性，波峰焊的配置。

②工艺材料。工艺材料主要是焊料合金、助焊剂、防氧化剂等。

③PCB设计及印制板加工质量。PCB焊盘、金属孔与阻焊膜质量、PCB的平整度、元器件的排布方向，以及插装孔的孔径和焊盘设计的是否合理，这些都是影响焊接质量的重要因素。另外，PCB受潮也会在焊接时产生氧化、焊料飞溅，造成气孔、漏焊、虚焊、焊球缺陷。

④元器件引脚和焊端的氧化程度。

⑤工艺控制。波峰焊工艺比较复杂，影响质量的因素多，操作过程中需要设置的工艺参数也比较多。设置合理的参数匹配，也是波峰焊工艺要掌握和控制的难点。

1.4.4 选择性波峰焊

选择性波峰焊是一种新型的焊接技术，与传统的波峰焊不同，选择性波峰焊是逐点焊接方式，针对局部焊点，波峰焊则是群焊方式。如果焊接面上有高密度贴片元器件或者细间距元器件时，传统波峰焊很难或根本无法处理，这时候选择焊的优势就体现出来了。与传统波峰焊相比，选择性波峰焊的速度虽慢，但其可生产性和高品质足以弥补其不足。选择性波峰焊的示意图如图1-26所示。

1.选择性波峰焊的独特优势

①PCB在固定位置，PCB焊接时没有运动，助焊剂槽和波峰焊锡喷嘴可以运动，所以灵活性大。

②PCB的清洁度大大提高，离子污染量大大降低。

由于是针对所需要焊接的点进行助焊剂的选择性喷涂，每个焊点的助焊剂量可单独编程控制，相邻区域不会被助焊剂污染，是免清洗工艺。

③对每块PCB的预热温度和时间可独立编程，PCB上表面的温度敏感元器件不会过热。

选择性波峰焊进行焊接时，每一个焊点的焊接参数都可以单独设置，足够的工艺调整空间把每个焊点的焊接条件（如助焊剂的喷涂量、焊接时间、焊接波峰高度、波峰高度）调至最佳，缺陷率由此降低。

使用选择性波峰焊进行焊接时，只有需要焊接的焊点才会接触到高温焊料。这样的焊接模式避免了整个PCB在高温的液态焊料中经过，大大降低了在焊接过程中PCB所承受的热冲击。双面混装电路板上焊接好的表面贴装元器件只要与通孔插装元器件引脚距离不近，就不会接触到高温焊料，也就不会出现二次熔化的情况。因此，不需要制作大量复杂的工装载具对表面元器件进行遮蔽。

PCB上已经焊接好的热敏元器件（如电容、LED等）在选择性波峰焊的工艺中不会接触到高温焊料。而在预热过程中，由于预热温度和预热时间都可以精确控制，因此也不会出现热敏元器件温度超出最高温度的情况。因此，热敏元器件不会在选择性波峰焊工艺中由于超高温而损坏。在传统波峰焊中，使用工装载具还会受到焊接阴影的影响而导致漏焊、少锡、透锡不良的情况。由于选择性波峰焊的工艺减少了工装载具的使用，因此也不用担心焊接阴影而影响焊接品质。

④选择性波峰焊全面提升焊接品质。因为采用具有润湿表面的焊锡喷嘴，当焊锡波与焊点分开时有良好的分离力，由于良好的分离很少桥接。

⑤多块PCB可同时工作。

⑥快速的喷嘴更换及维修。选择性波峰焊的设备维护便捷。

⑦新增功能，比如“风刀设计”（Solder Drainage Conditioning Knives），可以有效降低桥接缺陷的产生。

⑧选择焊和浸焊的根本性不同。浸焊是将PCB浸在锡缸中依靠焊料的表面张力自然爬升完成焊接。对于大热容量和多层PCB，浸焊是很难达到锡的爬升要求的。选择性波峰焊不同于浸焊，焊接喷嘴中冲出来的是动态的锡波，这个波的动态强度会直接影响到通孔内焊锡垂直爬升度。特别是无铅焊接，因为润湿性差，更需要动态强劲的锡波。另外，流动强劲的波峰上不容易残留氧化物，对提高焊接品质也会有帮助。

⑨选择性波峰焊节约人工费用和使用成本。选择性波峰焊的成本优势体现在以下几个方面：

● 较小的设备占地面积；

● 较小的能源消耗；

● 节省大量的助焊剂；

● 大幅度减少焊锡渣产生；

● 大幅度减少氮气使用量；

● 没有工装载具费用。

因此，选择性波峰焊的应用也越来越多。特别是高端电子制造领域，如通信、汽车、工业控制、医疗和军工电子行业。

正因为产品的高复杂、高密度及小型化，选择性波峰焊工艺也存在诸多问题，而合理的可制造性设计对选择性波峰焊有着非常重要的作用。例如，焊盘的形状和间距如果采用了合理的设计，就会大大降低短路缺陷的发生。

2.选择性波峰焊机

市场上目前应用最广的是德国ERSA公司的选择性波峰焊机，如图1-27（a）所示。ERSA公司在1995年发明了世界上第一台选择性波峰焊机。同时，ERSA公司也是世界上第一个发明电烙铁、波峰焊机的企业。

选择性波峰焊机同样由助焊剂单元、预热单元和焊接单元三个主要部分组成。通过预先编好的程序，机器可以针对性地对需要喷涂助焊剂的焊点进行喷涂和焊接。

对于ERSA选择性波峰焊机，锡炉焊接区域是单喷嘴（Single Nozzle），根据配置的喷嘴个数，有单点焊接方式、多点焊接方式和多点与单点组合三种方式。单点焊接方式就是一台选择性波峰焊设备内有一组助焊剂喷涂模块、一组移动喷嘴模块，利用可编程的移动焊料喷嘴选择性地焊接插装元器件引脚，如图1-27（b）所示，适用于焊点少，焊接面布局又非常复杂的PCBA。由于其焊接的效率低（平均3s/点），业界目前仅用于引线热容量比较大、总焊点数比较少（一般少于30个焊点）或不追求生产效率的PCB面焊接。多点焊接方式[见图1-27（c）]就是有多组（一般两组或4组）助焊剂喷涂模块和相同组数的喷嘴模块，可以同时焊接多块PCB，提高生产效率。

配置多个焊接喷嘴模块，相应的设备价格也会增加。根据应用的灵活性，目前单点选择性波峰焊应用较广，对于一些连接器，还可以通过拖焊来提高焊接的效率。

3.选择性波峰焊

对于单一的产品大批量的生产，单点选择性波峰焊效率低，这时候可以考虑固定多喷嘴（Multi Wave）的选择性波峰焊。固定喷嘴选择性波峰焊，是一种有多个固定的焊锡喷嘴的波峰焊技术。固定喷嘴多点选择性波峰焊如图1-28所示。基板由预热区进入焊接区域后，机器对基板进行定位便开始焊接。在焊接完几块基板或间隔一定的时间后，机器对焊锡波的高度进行自动测试并根据测试结果自动调整。焊接时的动作由程序中相应的参数控制，一次性焊接所有点。

固定喷嘴选择性波峰焊单元的设计与单点选择性波峰焊系统基本相同，区别在于焊锡槽。需要专门定制多个焊接喷嘴并集成，其位置和尺寸对应于印制板上需要形成焊点的位置。电磁泵通过不同的喷嘴把焊锡推出，保证了对焊点的连续加热。印制板浸入焊锡波内2～3s所有的焊点同时形成。

1.4.5 通孔插装再流焊

1.通孔插装再流焊工艺

通孔插装再流焊（Pin in Hole Reflow，PIHR）简称通孔再流焊，是把PTH元器件引脚插入填满焊膏的插装孔中，并使用再流焊的工艺方法，是标准SMT工艺的一部分。通孔再流焊工艺是焊膏通过模板印刷到PTH元器件的焊盘（也就是环形孔的周围焊盘），焊膏印刷工艺会把焊膏涂覆在焊盘上的同时把部分焊膏挤压到插装孔内。在再流焊过程中，焊膏熔化沿着孔流下的同时浸润引脚和孔形成焊点。通孔插装再流焊工艺如图1-29所示。

2.通孔插装再流焊的优点和应用

通孔插装再流焊虽已经得到广泛应用，但因为不像再流焊、波峰焊那么成熟，还应注意一定的应用技巧。

（1）通孔插装再流焊工艺的特点

①因为PTH元器件采用了通孔插装再流焊工艺，从而避免波峰焊、浸焊或者手工焊。

②对于双面都有PTH元器件的组装非常有用。

（2）通孔插装再流焊与波峰焊相比的优点

①通孔插装再流焊可以控制焊膏的量，从而保证焊点的填充。

②焊接质量好，DPPM可低于20。虚焊、连锡等缺陷少，返修率低。

③PCB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设备占地面积小。

⑥无锡渣的问题。

⑦再流焊机器为全封闭式，生产车间干净而且无异味。

⑧设备管理及保养简单。

（3）通孔插装再流焊工艺的应用

①对于印制电路板组件上大多数是SMT元器件，只有极个别的PTH元器件，这种情况PTH元器件组装可以采用通孔插装再流焊工艺，例如，计算机主板上的RS-232接口、网络接口等通孔插装元器件可以使用通孔插装再流焊工艺。

②不能用SMT元器件，而选用同等功能的PTH元器件时；选用的SMT元器件价格高，而采用相同功能的PTH元器件替代时；或者因使用通孔插装再流焊工艺，而可以去除波峰焊工艺时。

③双面SMT工艺而PTH元器件安装于第二面，或者PTH和SMT元器件在同一面采用一次再流焊工艺。

④PTH元器件本体部分必须能够承受再流焊温度的要求，如个别元器件不能满足且周围有足够空间，可以采用小治具罩住元器件以避免受热。选择、设计元器件和孔的大小应满足通孔插装再流焊的工艺。

⑤降低制造成本的最好方法是减少制造流程。尽可能地优化元器件选择以简化生产流程。比如一个印制电路板上只有1个PTH连接器，就要想办法将这个连接器替换为SMT封装。

图1-30所示为采用通孔插装再流焊的印制电路板组件，完全取消了波峰焊工艺的应用：在印制电路板通孔上印刷焊膏，元器件插入通孔后经过再流焊。

3.通孔插装再流焊的填充和焊膏量

通孔插装再流焊的工艺目标是再流焊后100%填充孔。IPC标准中通孔焊接的填充要求如图1-31所示。IPC-A-610标准规定二级和三级接收标准是大于75%的孔填充，一级没有要求。但是孔内填充达到75%是很难检测的，因为元器件装入后就很难从上面观察到焊锡的填充，借用X光检测也有很大的局限性。而采用通孔再流焊工艺，在电路板下表面看到焊锡就意味着焊锡已经贯穿整个孔形成焊点，达到全部填充。

通孔再流焊的工艺关键是保证足够量的焊膏涂覆在焊盘上用以填充，如果焊膏印刷钢网设计得合理，100%的孔填充是完全可以实现的。通孔再流焊的焊膏印刷和孔填充如图1-32所示，焊接后通过切片可以看出焊点已经达到100%孔填充。

通孔再流焊工艺的关键就是要精确控制印刷焊膏量。通孔再流焊工艺的焊膏计算方法是，首先根据理想固态金属焊点的结构计算出固态金属焊点的体积，然后再计算所需要印刷的焊膏体积。理想的固态金属焊点如图1-33所示。理想的固态金属焊点要求固态金属完全覆盖（润湿）焊接面（底面）和元器件面（顶面）的焊盘，形成半月形的焊点，同时要求固态金属100%填充插装孔。

由于不同焊料合金组分、引脚形状、再流特点等因素的变化，很难准确地计算焊接润湿角的形状和体积，因此可以采用较简易的近似方法来确定固态焊点的体积。

理想固态金属焊点的体积计算参考下面的公式：

焊点体积（V_j）=焊接面和元器件面润湿角固态金属体积（A₁+A₂）+通孔中固态金属体积（B）

式中，V_j为焊点（Joint）的体积；A₁=A₂，为焊点体积，即焊点所包含引脚部分的体积，如图1-33（b）所示（沿元器件引脚焊点爬升角为45°）；B为孔的体积，即焊点所包含引脚部分的体积（焊点所包含引脚部分的体积：如果元器件引脚的形状是圆形，焊点所包含的引脚部分就是圆柱；如果元器件引脚的形状是方形，焊点所包含的引脚部分就是立方体），如图1-33（c）所示。

当计算出焊点的固态金属体积后，再计算所需要的焊膏的体积，这是合金类型、流量密度和焊膏中金属质量分数的函数。由于常用的印刷焊膏中焊料合金约占总体积的48%～60%，我们可以计算为50%，另外的50%为助焊剂、溶剂和其他添加剂，它们在焊接温度下会挥发、消失在空气中，所以

理想的焊点焊膏需求量V=固态金属焊点的体积V_j×2

如果采用点涂焊膏工艺，焊料合金与助焊剂的体积比更低，焊膏的体积还需增加，大约为

理想的焊点焊膏体积=固态金属焊点体积的2.5倍

焊膏印刷量的多少取决于钢网开孔。已知需要的焊膏体积，再根据选好的钢网的厚度计算出应开孔面积。尽可能在引脚间互不干涉的情况下达到开孔面积。一般根据印制电路板的实际布局因地制宜，尽可能使得印刷在每个通孔的焊膏量一致。一些通孔再流焊印刷焊膏后的形状实例如图1-34所示。如果采用普通钢网印刷后不能满足焊膏量，也可以采用阶梯钢网，局部加厚。例如，采用的钢网厚度为0.12mm，对于需要通孔再流焊的元器件局部采用0.15mm，或者使用相同厚度的钢网，刮刀印刷两次。在元器件的引脚定位孔印刷焊膏时，钢网开孔适当保留孔的贯通，焊膏印刷在孔的周围呈梅花状，有助于插装PTH元器件，如图1-34（a）所示。

4.元器件的插装

用于通孔再流焊的元器件有两种插装方式，一种是采用特殊的吸嘴用贴装机贴装，另外一种就是手工插装。因为PCB厚度比较薄，在手工插装时会导致板子弯曲，影响其他已经贴装好的元器件，所以会使用辅助夹具，把印制电路板转移到夹具上插件防止PCB变弯，或者改造传送接驳输送台，增加气缸和顶针支撑PCB。在用手工插装时为了防止手碰到其他元器件，可以采用辅助的透明罩盖在印制电路板上方，留出插装的元器件孔辅助装配。手工插装PTH元器件的辅助夹具和透明罩如图1-35所示。

1.4.6 手工焊

在自动化程度越来越高的电子组装工艺中，传统手工焊技术由于具备成本低、灵活性强的优势，在一些行业仍在广泛使用，一般是以下原因。

①设备能力不足；

②SMT元器件不耐温，不能经过再流焊；

③电路板设计不合理，SMT元器件离板边太近；

④双面有PTH元器件；

⑤第二面元器件太重；

⑥第二面元器件太高不能用选择性波峰焊；

⑦非常少的SMT元器件，在第二面不值得使用整条自动生产线；

⑧产品出现缺陷需要返修。

手工焊的主要工具是电烙铁。电烙铁的种类很多，有直热式、感应式、恒温电烙铁、智能电烙铁、吸锡枪、热风焊台、电热夹等。手工焊应根据被焊元器件种类，选择电烙铁的功率和温度，根据焊点大小选择烙铁头的形状和尺寸。

应尽量避免采用手工焊，原因如下。

①这种工艺最大的缺点就是在焊接过程中很难控制焊接时间、焊接温度和焊接的一致性。这些因素都会增加焊接缺陷的产生和影响可靠性。

②手工焊对操作员的技能要求比较高，同时还要有良好工具和工艺步骤。一个经验不足的操作员可能会带来可靠性的问题。中国劳动力成本上升，劳动力相较机器设备的成本优势正在逐渐丧失。

③因为更小的引脚间距和更高的引脚数，手工焊表面贴装元器件有时比手工焊通孔插装元器件更具挑战性。

1.4.7 浸焊

浸焊是将导线、元器件引脚或插装好元器件的PCB浸在熔融的锡槽中，使导线、元器件引脚或焊点上锡的一种多点焊接方法。浸焊大量应用在导线上锡、元器件引脚上锡和插件工艺，与手工焊相比提高了生产效率。如插装元器件的引脚很长，没办法过普通的波峰焊，就会选择采用浸焊加剪脚。

（1）手工浸焊

手工浸焊是由人手持夹具夹住插装好的PCB进行浸焊，其操作过程如下：

①加热锡炉温度控制在250～280℃。

②在PCB上涂一层（或浸一层）助焊剂。

③用夹具夹住PCB浸入锡缸中，使焊锡表面与PCB接触，浸过PCB的锡厚度以PCB厚度的1/2～2/3为宜，浸焊的时间约3～5s。

④以PCB与焊锡表面成5°～10°的角度使PCB离开锡面，略微冷却后检查焊接质量。如有较多的焊点未焊好，可以重复浸焊一次；如只有个别不良焊点，可用手工补焊。

注意：要经常去除锡缸内锡渣，保持良好的焊接状态，避免因锡渣过多影响PCB的洁净度及引起清洗问题。

手工浸焊的特点：设备简单、投入少，但效率低，焊接质量与操作人员熟练程度有关，易出现漏焊，在焊接带有贴片元器件的PCB时较难取得良好的效果。

（2）机器浸焊

机器浸焊是用机器代替手工夹具夹住插装好的PCB进行浸焊。PCB先经过泡沫助焊剂槽被喷上助焊剂，加热器将助焊剂烘干，然后经过熔化的锡槽进行焊接，冷却凝固后再送到切头机剪去过长的引脚。

机器浸焊的过程如图1-36所示。用夹具夹住PCB的边缘，以与锡槽内的焊锡成30°～45°的倾角，且与锡液面平行浸入锡槽内，浸入深度为PCB厚度的1/2～2/3，浸焊时间为3～5s，然后PCB离开浸焊区域，完成焊接。

1.4.8 焊锡机器人

1.简介

焊锡机器人又名自动焊锡机，是一种能代替手工焊的设备，是由多个机械手、送锡丝装置、控制系统和烙铁系统组成的设备，应用于焊锡焊接工位，主要针对手工焊的工艺制程。主要代替简单且重复性强的手工焊的设备。当前主要为桌面式焊锡机器人、在线式焊锡机器人和SCARA式焊锡机器人，一般有单头、双头、双工位的。各种焊锡机器人如图1-37所示。

2.优点和缺点

焊锡机器人的最大优势为焊点产品焊点一致，品质稳定性好。同时针对很多产品，一人可操作多台设备，效率远远大于手工焊，具有提高效率和保证焊点稳定一致的优势。但是并非所有无法过波峰焊的产品都适合用焊锡机器人来焊接，对于一些定位比较困难或者焊锡工艺难以实现的产品，焊锡机器人的焊锡良率也不高。

3.与波峰焊的区别

针对手工焊工位的替代，当前市面上可选的自动设备包括选择性波峰焊和焊锡机器人。选择性波峰焊主要针对通孔插装元器件，选择性地设置焊接点来满足生产需要。选择性波峰焊的特点决定了其设备要求的精密度非常高，所以市面上真正稳定可靠的设备只有少数几家可供选择，且价格昂贵。焊锡机器人的工作方式与选择性波峰焊相反，针对通孔插装产品，元器件用工装固定，引脚向上，从上方进行焊接。工装固定元器件用于焊锡机器人如图1-38所示。

焊锡机器人已经成功应用于汽车电子、数码电子、LCD、印制电路板等生产行业，能提高生产的整体水平和自动化水平。另外，减少了人员的投入，也就是降低了企业的生产成本，设备也可以采用流水线作业模式一体化生产。