无铅选择性波峰焊对散热困难的PCB板指导方针

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。
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最佳铜孔透锡率。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，从孔壁到最近的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
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最优决策。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。
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。
表7. SnPb实验中治具口径尺寸
外部PTH pad到治具壁的距离
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
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SM T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。
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(0.1 20”)，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。实验设计第一个阶段是优化波峰焊工艺参数，第二阶段是保持优化的工艺参数不变， 只改变治具口径大小。最后讨论不同尺寸的治具口径和其它设计因素的无铅实验中运用八个不同的治具。对于每个治具来说，从孔壁到最近的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。最小的治具口径为1.27mm（0.0 50”），目前为止，此口径下的铜孔透锡不合格率最高。随着口径尺寸不断增加，铜孔透锡不合格率在一直减少， 直到最大治具口径增加到7.62mm(0.300”)为止。在最大治具口径中(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不合格率最低。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脚所连接的平面层最少（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，能够同时接触到波峰。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。
实验细节
图7 X-射线程序验证H4元件
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最佳铜孔透锡率。然后
将实验结果运用在所有电路板组装的主试验中。
图1 测试载体和元件 表1 元件组装
图2 板子堆叠
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
电路板传送方向
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。
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10 治具口径和DIMM元件属性对铜孔不合 图11 治具口径和DIMM元件相互作用 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最高。它与波峰焊方向平行，位于板子前端，也是在DIMM中第一个接触 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）。两者唯一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（第一个接触波峰焊）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。使用最大的治具口径，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。
无铅选择性波峰焊对散热困难的PCB板指导方针
摘要
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最合适的治具口径。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。。
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最佳。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，DIMM D5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。