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1、1再论实施军用再论实施军用 PCBA“禁止双面焊”的必要性与可行性“禁止双面焊”的必要性与可行性陈正浩一陈正浩一.引言引言2009 年 4 月，笔者应北京中际赛威文化有限公司的邀请作了关于“电子装联禁（限用工艺与装联缺陷分析”专题讲座以来，关注者甚多，也引发了一些争议。二二.什么是禁限用工艺？什么是禁限用工艺？对于严重影响产品质量和可靠性的设计和工艺、 影响环境保护和职业健康安全的设计和工艺，包括：易造成产品质量常见病、多发病的工艺，导致产品合格率低的工艺，导致产品质量不稳定又难以控制、难以检测的工艺等；特别是严重影响产品可制造性的设计，我们用禁（限）用工艺来表示。1.什么是禁用工艺？什么是禁
2、用工艺？禁用工艺规定为： “违反国家法律法规、严重污染环境、危害安全生产需要明令禁止的或明确淘汰的工艺，以及严重影响产品质量，易造成引起质量常见病、多发病的工艺；致使产品工艺质量不稳定又难以控制的工艺； 技术要求不明确又难以检测的工艺； 目前仍在使用但必须明令禁止的工艺；已有先进、成熟的工艺可以取代落后的老工艺” 。2.什么是限用工艺？什么是限用工艺？限用工艺“特指对于从保证产品质量、环境和技术安全的角度出发应予以禁止的，但近期实际使用情况而言， 尚无成熟替代工艺， 在一定期限内采取规定控制手段的前提下还可使用，但长远必须逐步淘汰的工艺” 。3.禁限用工艺并非航天专利禁限用工艺并非航天专利“禁
3、、限用工艺”各行各业都有。建筑行业有建筑行业的“禁、限用工艺” ，食品行业有食品行业的“禁、限用工艺” ，机械行业有机械行业的“禁、限用工艺” ，林林总总。“禁、限用工艺”这个名词起因于国家有关部门对加快产品技术进步，淘汰落后的生产能力，促进生产工艺装备和产品的升级换代而发布的淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录 。 “禁、限用工艺”这个名词不是航天的专利，也不是由航天部门首先提出来的。在电子装联领域，对于实施“禁、限用工艺”的必要性和可行性，长期以来得不到应有的重视。虽然很多标准内都以“不” 、 “不能” 、 “不应” 、 “不允许” 、 “应按”等词表述，但或许认识不足，或者由于内容分散，或
4、许由于宣贯不力，并未引起工艺师尤其是电路设计师的高度重视，航天部门给予强调，提出“禁、限用工艺”来规范设计和工艺，对于规范电子产2品的设计和工艺，提高产品质量无疑是有益的。三三.“禁止双面焊”的提出及必要性“禁止双面焊”的提出及必要性1.“禁止双面焊”的提出QJ3012 和和 QJ3117 中规定： “印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊，焊料从印制板的一侧连续流到另一侧，禁止双面焊” 。中规定： “印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊，焊料从印制板的一侧连续流到另一侧，禁止双面焊” 。QJ3012 和 QJ3117 相继于 1998 年和 1999 年制定，而在这两个标准出台之前，1995 年航
5、空部已经制定了航空产品电装工艺电子元器件的焊接工艺规范。航空产品电装工艺电子元器件的焊接工艺规范规定：1）金属化孔双面印制板的焊接应符合图 1 的要求；采用单面焊接，使焊料在孔内充分润湿，并流向另一侧。2）多层印制板的焊接应符合图 2 的要求。严禁两面焊接以防金属化孔内出现焊接不良。图 1图 22.“禁止双面焊”的必要性双面印制板，尤其是多层印制板要求单面焊接，禁止两面焊接的原因是显而易见的， 就是为了防止金属化孔内出现焊接不良。图 3多层板插装金属化孔、中继孔孔壁隐患的金相分析照片焊料在多层 PCB 金属化孔中渗透不良的焊点缺陷，将有可能存在内层连接盘与元器件引线接触不良的隐患。以 75%的
6、渗透深度计算，焊点可能存在下面不可靠的结果：厚度为 2mm 的四至八层印制电路板：金属化孔中将可能有 2 层中的内层连接盘与元器3件引线不能直接通过焊料连接。见图 4a。厚度为 2.2mm 的十层以上印制电路板：金属化孔中将可能有 3 层中的内层连接盘与元器件引线不能直接通过焊料连接。见图 4b。图 4图 5插装元器件的金属化孔透锡率差案例3.有人提出这样的问题： “难道就因几个孔不达透锡率要求而报废” ？“或重做 PCB 或废弃元器件”？！并认为处于“消防队员”角色的工艺，一般来讲只能采取“不得已”的做法，只能在航天产品的焊接操作中，往往不得已还是要对不到 75%的（甚至还低）透锡率焊接孔进
7、行补焊或另一面焊接（特别是 PCB 上的连接器插座）”。那么我们有必要反问，那几块印制板值几个钱？难道为了区区几个钱就可以拿我们战士的生命开玩笑吗？如果多层印制板孔内出现焊接不良， 焊接出现隐性故障， 还要不要我们宇宙飞船的宇航员和歼击机的飞行员回到祖国的怀抱？四四.“禁止双面焊”可以做到“禁止双面焊”可以做到有人认为：“这个规定是对的，但在实际操作中这个“禁止”条项是永远完全做不到的”！其实实施“禁止双面焊”并不困难，印制电路板金属化孔透锡率达到 100%是可以做到的。要实施包括“禁止双面焊”需要采取二个步骤：1.构建 PCBA 的 DFM 应用平台1）结合产品进行 DFM 宣贯， 电路可制
8、造性设计形成企业标准；42）对电路设计人员进行电路可制造性设计培训；3）引进 PCBA 的 DFM/DFA 分析软件；4）完成 DFM/DFA 分析软件的二次开发，结合产品应用，用 PCBA 的 DFM/DFA 分析软件取代人工审核；5）成立由电路设计师和电装工艺师组成的 PCB 专业设计组，确保可制造性设计的实施。2.建立的对电装操作人员长效培训机制，实施“高级电子装联技术”的系统培训。3.实践的验证实施“禁止双面焊”确实并不困难。中电科技集团华东电子工程研究所做得比较好；2008 年秋，笔者在中国电子科技集团公司举办的培训中， 华东电子工程研究所的电装工艺人员明确表态 “禁止双面焊” 可以
9、做到。西南电子技术研究所也做得较好， 西南电子技术研究所电装车间的电装师傅认为 “禁止双面焊”可以做到。2010 年 9 月我作为中国电子科技集团公司航天产品专项质量检查专家组的一名成员，陪同集团公司张冬辰副总经理和质量安全部仲里主任对西南电子设备研究所进行 “航天产品专项质量检查” ，其中江南电子通信研究所质量部主任孙勇任设计专家组组长，中电科航空电子有限公司质量部杜培光部长任管理专家组组长， 笔者任工艺专家组组长； 西南电子设备研究所所毛嘉艺所长等 12 位西南电子设备研究所领导接待了我们。西南电子设备研究所工艺室主任及电装工艺师都明确答复：该所的 PCBA 一般都是单面焊。同时我们也了解
10、到中国空间技术研究院及航天八院也都做到了禁止双面焊。华东电子工程研究所， 西南电子技术研究所、 西南电子设备研究所及中国空间技术研究院及航天八院的经验表明： “禁止双面焊”在实际操作中是可以做到的！五五.影响通孔插装元件金属化孔透锡率的主要因素剖析影响通孔插装元件金属化孔透锡率的主要因素剖析“禁止双面焊”问题的实质实际上就是如何提高通孔插装元器件金属化孔透锡率?印制电路板金属化孔透锡率是衡量电子产品印制电路板焊接质量的一项硬指标， 国内外对于不同使用场合电子产品印制电路板的金属化孔透锡率的标准是不一致的。美国 MIL 军标和我国航天标准对印制电路板金属化孔透锡率的标准是 100%；通孔插装元件
11、金属化孔透锡率不是一个简单的安装焊接问题，它牵涉到以下三个要素：a）元器件引线直径与金属化孔孔径的匹配；b）材料及元器件引线的可焊性；c）焊接工艺参数的正确设置。51.元器件引线直径与金属化孔孔径不匹配：例如，元器件引线直径过大，堵住了焊料的正常流动，这种情况在 IC 插座的插针、钽电容器引线与金属化的配合中经常出现。2.材料及元器件引线的可焊性差：例如，镀金插座的引脚是镀金的，按工艺要求插座引脚首先应作镀锡处理， 但实际操作中整机部往往把镀金插座直接送电装工段电装， 镀金引脚的焊锡的引流性差，金属化孔透锡率很难达到要求。又如，我们常用的晶振，其引线材料的可焊性差，不但金属化孔透锡率很难达到要
12、求，而且容易造成虚焊。再如，对 IC 的引脚是不进行预处理的，IC 的引脚在空气中暴露时间过长，表面氧化严重，金属化孔透锡率也很难达到要求。3.元器件引线根部的漆层未去除干净或元器件安装贴板安装， 元器件引线根部的漆层堵住了焊料的流动，使金属化孔透锡率差；这种情况在独石电容的焊接中经常出现。4.印制板焊盘的可焊性差：印制板生产检验合格后必须用聚乙烯塑料薄膜包装，严禁用手触摸， 并且包装开封后一周内必须装配完成。 但实际情况是检验合格的印制板大部分是未经包装由设计师用手触摸交到电装工段的， 从印制板生产检验合格到电装完成很难在一周内装配完成，生产过程中在没有经过任何保护的情况下，在空气中暴露保存
13、；如此势必造成印制板焊盘及印制板金属化孔严重氧化，降低了印制板金属化孔的可焊性。5.印制板金属化孔的镀覆质量差，印制板金属化孔的镀覆质量并不能达到相关标准：1）金属化孔镀铜层平均厚度为 25um30um，最薄处不小于 20um。2）金属化孔铜镀层不应有超过以下规定的任何空洞：（1）一个金属化孔的镀层空洞应不多于 1 个；（2）空洞的长度不应超过金属化孔孔壁总高的 5%。（3）空洞的长度不应超过金属化孔孔壁总高的 5%。3）孔壁缺陷：金属化孔壁不应有超过以下规定的任何缺陷：（1）结瘤、镀层空洞以及玻璃钎维伸出而使孔径或孔壁铜层厚度减少时，其值不得小于规定的最小值；（2）镀层及涂层应无裂纹。4）金
14、属化孔可焊性：按航天标准“印制电路板试验方法”的规定试验后，焊料应润湿到孔顶周围的焊盘（连接盘）上，必须完全润湿孔壁，不允许有不润湿或露基底金属的现象。 不完全填满孔是可接受的，但焊料相对于孔壁的接触角应小于 90。板厚与孔径比大于 5 的印制板，金属化孔的可焊性由供需双方商定。但实际情况是， 印制板金属化孔的镀覆质量缺乏有效的检测手段； 用视频检测仪对部分6印制板金属化孔的镀覆质量进行检测， 金属化孔内镀层空洞及空洞的长度均没有达标， 金属化孔内镀层结瘤多，镀层及涂层出现裂纹等。6.焊接温度偏低：手工焊接温度偏低或焊接时间的太短，波峰焊预热温度偏低及预热时间不足，波峰焊焊接温度偏低及传动速度
15、过快，会造成金属化孔未焊透。对于手工焊接温度偏低或焊接时间的太短，大部分发生在经验不足的操作人员以及落后的装配工具上。上述这些问题，有些是技术问题，有些是设备问题，有些则是管理上的问题，其中主要是元器件引线直径与金属化孔孔径的匹配问题， 只要做到上述三个方面， 克服目前在印制板设计、加工、装配中存在的问题，金属化孔透锡率合乎要求并不难做到。六六.如何提高印制电路板金属化孔透锡率？如何提高印制电路板金属化孔透锡率？要做到印制电路板金属化孔透锡率为 100%，实现“禁止双面焊”需要从以下五个方面着手：a）元器件引线直径与金属化孔孔径匹配；b）基体金属-印制电路板焊盘、金属化孔的可焊性；c）基体金属
16、-元器件引线、焊脚的可焊性；d）焊接温度与焊接时间；e）助焊剂的润湿作用。1.PCB 电路设计电路设计元器件引线直径必须与金属化孔孔径匹配， 采用手工焊接工艺时金属化孔孔径应比元器件引线直径大 0.2mm0.4mm，采用波峰焊接工艺时金属化孔孔径应比元器件引线直径大0.2mm0.3mm；这是提高印制电路板金属化孔透锡率的关键因素。为实现上述要求，设计人员对元器件引线直径的了解和掌握应如同对片式元器件引脚/焊端尺寸了解和掌握一样，像设计片式元器件焊盘一样来设计通孔插装元器件的金属化孔。一个 PCBA 设计人员如果不了解和掌握片式元器件引脚/焊端尺寸就无法正确设计片式元器件焊盘，则无法确保合格的焊接质量；而如果一个 PCBA 设计人员如果不了解和掌握通孔插装元器件引线的直径就无法正确设计通孔插装元器件的金属化孔， 则无法确保合格的焊接质量。这就是实施可制造性设计的目的。这就是实施可制造性设计的目的。如果说“实际中每一块 PCB 上元器件的引脚都不是一样粗细的（厂家不同，型号一样的器件引线粗细也有差异），这给设计者们提出了很高的要求，但是年轻的设计师们总也避免不了
