【干货】托盘在混装电路板波峰焊接的应用
随着表面贴装技术工艺的日趋成熟，对波峰焊托盘在混装电路板组装的应用要求也越来越高，托盘的使用也带来一些工艺问题，通过对托盘的选材及其应用的介绍，力求从托盘加工制作、PCB 设计要求等方面提出解决方案，做出量化管理和控制，以提高波峰焊接质量，推进波峰托盘在电子产品组装焊接应用。
随着表面贴装技术工艺的日趋成熟，对波峰焊托盘在混装电路板组装的应用要求也越来越高，托盘的使用也带来一些工艺问题，通过对托盘的选材及其应用的介绍，力求从托盘加工制作、PCB 设计要求等方面提出解决方案，做出量化管理和控制，以提高波峰焊接质量，推进波峰托盘在电子产品组装焊接应用。
技术应用
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1问题的提出
近年来由于 SMT 及其组装工艺和企业制造成本、生产效率成本的需要，对托盘应用要求越来越高，主要体现在：
1.1 组装工艺需要：线路板上贴片元件用得越来越多，但有些大电解电容、连接件却因材料成本及焊接强度不够，仍然需要一些通孔元件。双面多层板元器件越来越密集，小封装（0402、0201）和小间距（PITCH<0.63mm）贴片IC日益增多，采用点（印）胶+波峰焊工艺,难于满足焊接质量要求。对于此两类板子，选择性焊接似乎是最好的解决办法，但不是每家公司都充裕的资金来购买选择性焊接设备，或者是这种类型的线路板数量太少，专门购买选择性焊接设备昂贵不划算，或即使买了选择性波峰焊设备因其生产效率低瓶颈乃未得到有效解决，而通过托盘对一些底部元器件进行焊接保护，可以用波峰焊设备实现对产品的选择性焊接，生产速度快，适应高产能需求。
1.2 成本工艺需要：线路板在组装制程中需要工艺夹持边，有些器件因结构需要伸出板外，需要更宽的PCB工艺边，而目前双面多层板PCB板材寸土寸金，省工艺边托盘的采用可以减少甚至完全去除辅助工艺边，以达到节省材料成本的作用。此外，无铅焊接要求焊接温度更高。线路板在焊接过程中更容易弯曲，托盘能在焊接过程中对线路板提供最大的保护并防止弯板。
1.3 生产效率需要：如何让同样设备获取更高更多产能，是老板们关注的课题之一。在电子行业尤其是自主研发或 ODM 家电行业，尤其是平板电视等到家电产品，一台整机需要多块不同功能的部件板，要做到 JIT 生产制，则一条整机组装线就必需配置多条插件线及其对应的波峰焊机和基板线，采用波峰焊托盘工艺，不但能实现同类小板多联过板，而且能实现不同功能板多拼过板，以提高并发挥联装生产线的生产效率。
然而，也正是波峰托盘的广泛应用，承载PCB的托盘由于托盘厚度及其遮蔽效应的影响也会带来的工艺难题，如托盘选型不当，加工不妥，又没有PCB设计师的支持和相应波峰焊工艺参数匹配，在波峰焊接中容易出现诸如连焊（桥接）、漏焊（空焊）锡珠和通孔上锡爬升等焊接质量问题，因此，做好波峰托盘相关管制对焊接及其应用，至关重要。本文将就这几方面提出解决方案，力求给出数据量化，工艺工程师参考，以期减少波峰焊接缺陷，推进托盘在波峰焊接技术应用
2波峰焊托盘简介
2.1 托盘（治具）功能：波峰焊托盘是一种承载保护 PCB 及其元件的工装治具，除了传统的防止 PCB变形，辅助支撑和定位的作用，还具有改善工艺，保护元件，提升品质，提高生产效率的功能。一般托盘由图 1 的几个要件构成。
2.2 治具材料：为了最大程度地延长托盘的使用寿命，托盘的制作材料必须能承受高温及恶劣的工艺条件，特别是适应无铅焊接的要求。主材一般具有尺寸稳定性高，良好的抗热冲击能力，在多次使用后仍能保持平整，耐腐蚀（助焊剂和清洗剂）和不吸潮等特点。常用的材料合成石，环氧树脂板，电木板等。电子产品的无铅组装焊接由于高温焊接需要，通常选用合成石和环氧树脂板FR4，极少数采用电木板材料。合成石是一种经过特别处理过的玻璃纤维化合物，是石油的附属产品。具有耐热高、不变形，不易加工特点，但加工精度高，价格较高，一般可重复过板 1-2 万次无问题，适用大批量生产。进口的环氧树脂板FR4，相对合成石，较易变形，无静电防护，但较好加工，耐热性能足够，设计得好，也能过板近万次，但价格较低相对较低，也适用批量生产，因此性价比较高，建议电子产品组装行业推荐使用。
2.3 用途分类：主要可分为两大类，一类是防焊托盘，以提升制程工艺质量为目的。其用于波峰焊接面采用锡膏回流工艺，过波峰焊接时保护贴片元件，避免焊点二次熔化；另一类是拼板托盘，以提高生产效率为目的，其用于同类拼板或不同 PCB 同时过波峰焊接，再一类是辅助托盘，以其他组装工艺需求为目的。其用于板上元件辅助定位以及不规则 PCB 过板焊接。各种用途的托盘图示见参见表一。
各类波峰焊托盘均兼有缓解PCB受热变形作用，对PCBTOP面的工艺边无特殊要求，节省PCB材料成本。如因工艺需要，将三种功能用途合一的波峰焊万用综合托盘，更是锦
上添花，一举两得。
3波峰焊托盘工艺制程及工艺参数建议
3.1 工艺流程：SMT 半成品→检查→装载托盘手插通孔件→波峰焊接→取板及托盘返回→执锡→装配→功能检查测试→部件板包装。制程中 SMT/AI 完成 PCBA 半成品后，在手插器件装板治具工序须检查清理治具残渣等异物，才能实施插件和过波峰焊。
3.2 波峰焊工艺参数：由于采用载具过波峰焊，在PCB吸热及助焊剂涂敷范围等方面与普通PCB过板相比，工艺参数略有差别。首先波峰焊接开窗范围比托盘面积小，助焊剂喷雾范围可根据有效需求面积适当调小，以节省助焊剂使用量；其次由于大部分托盘都比较厚，吸热大，波峰焊预热温度和波峰高度可适当提高些，以缓解热量损失，增强通孔爬升能力：
3.3 托盘的管理与维护：托盘有使用寿命与其设计结构焊接温度重复间隔时间使用焊焊剂清洗剂类型以及日常管理都有很大关系。制程中托盘应注意轻拿轻放，竖立有序存放，并做好防震运输措施。专人管理，定期检验，维护、清洗和标识。建议使用中性清洗剂，如肥皂水，有条件的可用超声波机器清洗，如发现不良的应及时送修或报废。
4波峰焊托盘的设计加工和制作流程
4.1 设计加工控制要点：
4.1.1 托盘材质和厚度：治具材料和厚度的正确选用可防止治具变形和延长使用寿命。参照产品工艺和生产周期选择托盘的材质合成石（以合成石和环氧树脂板居多），拼板类托盘厚度主要评估强度，通常 4-5mm。防焊功能的托盘则要根据 PCB 板厚及其在治具的定位深度+BOTTOM 面的贴片元件高度+防焊遮蔽厚度和余量来选择，一般在 5-8mm 为宜。
4.1.2 托盘外形通常呈有 R 角矩形，推荐四周有 5mm 宽的轨道边四角均用倒角以利传输顺畅传动夹持边板上四周防护条确定元件压扣的设计；尽量均匀分布，受力均衡（参见图 1）。
4.1.3 托盘的镶嵌与保护制作：注意保持托盘中线路板的平整。如果在线路板和托盘之间有缝隙，焊料、焊剂就会侵入缝隙。PCB嵌入托盘后，建议略高于托盘上表面，以确保压扣弹力更有效(如厚度 1.6mm的PCB通常沉深 1.5mm)；托盘保护厚度大于 1mm，SMD元件保护间隙大于 0.5mm。（参见图 2）
4.1.4 托盘设计时应尽可能的加大开口，开口边缘坡度、及其导锡坡度 45-60°，以方便焊锡的流动，让更多的能量进到焊接区域。
4.1.5 只要不影响SMD“遮蔽厚度”和托盘机械强度，建议托盘加导锡槽，这些导锡槽将引导焊锡到托盘开口的位子，同时也引导焊锡回流至锡缸，大大改善了焊锡的流动性。 （参见图 3）
4.1.6 托盘拖锡片的添加与设计：有时带防焊载具波峰焊过板，因工艺布局较复杂，过板时易产生连焊，在托盘设计加工上，可参照 PCB窍锡焊盘的设计原理，在缺陷处相应托盘上尾部加入拖锡片，以消除连焊。
4.2 制作及验证流程：见图 4
5PCB 防焊设计支持
如采用防焊托盘式选择性波峰焊的，为方便托盘的设计加工，延长使用寿命，研发设计师需要对 PCB 做好选择焊设计支持，同时工艺技术人员要在工程验证（EVT）和设计验证（DVT）两阶段进行可制造性审核，并预生产（PVT）阶段得以验证。PCB防焊设计及审核要点主要是：
5.1 贴片元件类与通孔插件类都尽量同类靠近，相对集中，两类分开布放 PCB 较独立的区域（见图 3），避免屏蔽的贴片元件与通孔插件无规则分散布放，增加制作防焊治具的难度；
5.2 在通孔元件的引脚和沿边四周留有适当的空隙，待波峰焊的焊通孔插件与要遮蔽的贴片元件相邻焊盘外沿间距最小间距也为 4mm（推荐 5mm），以改善了焊锡的流动性。也利于选择焊接和治具制作；
5.3 避免在穿孔元件附近放置较大的元件，因为这会造成避免阴影效应和上锡困难
5.4 除连接器或大电解电容，焊点强度/电流有要求的元件外尽可能使用贴片元件；
5.5 PCB 波峰焊接面不宜布放厚度＞3.5mm 高外形贴片器件，以减少治具厚度，提高焊接质量，降低治具成本。
5.6 一旦制作治具,未经工艺允许,设计师不可更改插件区数据或在该区布放贴片器件,以提高治具利用率。（见图 5）
6波峰焊治具应用案例
为了提高生产效率，通过原本只有 300mm 的手插线改造成可调宽 350mm，结合波峰焊台波峰觜宽度 350mm，可同时生产两块及以上 PCB 板，一方面可提升波峰焊机的将近一倍的产能，另一方面，也可实现不同功能板同时生产，以适应产品多板组装需要。在实际应用中，须注意以下问题：
6.1 PCB 厚度一致，不同类板其波峰焊机工艺参数基本兼容；
6.2 PCB 基板、物料及 SMT 等产销安排统筹计划；
6.3 手插线工位及其工艺安排得当合理；
6.4 结合波峰焊托盘多年应用，除小板拼板生产外，建议采用一机双板过波峰焊，以缓解以上问题出现，也利于波峰焊后基板线的双边作业。
7结束语
混装电路板组装工艺的日趋成熟，利用防焊托盘式选择性波峰焊接工艺成为解决混装电路板工艺首选，同时波峰焊托盘必将在电子产品组装焊接工艺中发挥并得到广泛应用。只要工艺工程师们尽早介入可制造性审核（DFM），协助配合设计师做好 PCB 设计布局支持，并通过精心设计加工和制作托盘，辅于相应的波峰焊工艺，波峰焊接托盘在解决工艺问题中将更加得心应手，在未来的应用领域也将更加宽广。
文章来源:电子制造技术