军用PCBA通孔插装元器件“禁止双面焊”

一、引言

“禁限用工艺”起因于国家有关部门为加快产品技术进步，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》。

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

在产品研制生产中，违反国家法规、严重污染环境、危害生产安全、不能保证产品质量，应淘汰或采用其他工艺方法替代的工艺。

（2）什么是限用工艺

在产品研制生产中，产品质量保证难度大或对环境保护有影响，但采取措施后，在一定条件下可以满足产品质量或使用要求的工艺。

从保证产品质量、环境和技术安全的角度出发应予以禁止，但就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，但长期必须或逐步淘汰的工艺。

（3）禁限用工艺并非航天专利

“禁限用工艺”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”……“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，对于规范电子产品的设计和工艺，提高产品质量无疑是有益的。

二、提出“禁止双面焊”的必要性

1.PCBA禁止双面焊的规定

为提高焊接可靠性，QJ 3012和QJ 3117规定：印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊，焊料从印制电路板的一侧连续流到另一侧，禁止双面焊。双面焊往往会掩盖金属化孔本身质量问题，造成孔内夹渣、气泡、虚焊等缺陷，对多层印制电路板影响尤为严重。

①焊接要求：焊料在多层PCBA金属化孔中的渗透应不小于孔深度的100%，如图1所示。

图1　焊接要求

②用单面焊接实施上述目标，焊接面的焊接质量要求如图2所示；此时PCBA元器件面的焊盘上焊锡铺展率达90%以上，引脚和孔壁呈现360°的润湿，严禁双面焊，如图3和图4所示。

图2　焊接面的焊接质量要求

图3　元器件面焊接优良

图4　元器件面可接受焊接270°

③波峰焊时允许元器件面金属化孔内壁、PCBA焊盘及通孔内焊料有不超过25%板厚的焊料凹缩，如图5所示。

图5　波峰焊时金属化孔焊接合格的垂直填充

通孔插装元器件的焊接质量判据分别如图6至图9所示。

图6　良好焊点，0°＜θ≤30°

良好焊点：可焊区（焊盘和引脚）被润湿的焊锡覆盖，且焊锡表层内的引脚轮廓可辨认；无空洞或表面瑕疵；引脚和焊盘润湿良好；引脚固定；引脚周围焊锡100%填充。

图7　合格焊点，30°＜θ≤40°

图8　可接受焊点，40°＜θ≤55°

图9 通孔插装元器件金属化孔焊接引线和孔壁焊接面可接受焊接：270°，3/4

然而，通孔尺寸设计不当；PCB加工工艺控制不当，设备精度失控或通孔电镀不佳；元器件及PCB焊盘可焊性极差，如存在氧化、污染、焊端材料特性与焊料及助焊剂不匹配；助焊剂漏喷；波峰焊工艺参数设置不合理，如预热不足或过度、带速过快、波峰高度不足，以及波峰焊时支撑部位挡住焊接部位；等等。由于上述原因造成焊料未能完全润湿元器件引脚、PCB通孔及元器件面焊盘，金属化孔透锡率不符合要求，如图10所示。

图10　金属化孔透锡率不符合要求案例

2.“禁止双面焊”的来源

QJ 3012和QJ 3117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”。QJ 3012和QJ 3117相续于1998年和1999年制定，而在这两个标准出台之前，1995年航空部已经制定了HB 7262.2《航空产品电装工艺电子元器件的焊接》工艺规范。HB 7262.2《航空产品电装工艺电子元器件的焊接》工艺规范规定如下。

①金属化孔双面印制电路板的焊接应符合图11所示的要求；采用单面焊接，使焊料在孔内充分润湿，并流向另一侧。

图11　金属化孔双面印制电路板焊接

②多层印制电路板的焊接应符合图12所示的要求。严禁双面焊接以防金属化孔内焊接不良。

图12　多层印制电路板的焊接

③为防止产生虚焊，严禁在印制电路板焊盘、金属化孔可焊性不符合QJ 201A及元器件引线可焊性不符合SJ 10669的情况下违章焊接。

④HB 7262.2与QJ 3012和QJ 3117中规定了“印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊，焊料从印制电路板的一侧连续流到另一侧，禁止双面焊”，那么这些标准中规定的“焊料从一侧连续流到另一侧”中“一侧”和“另一侧”是什么含义呢？在不违背“禁止双面焊”的原则下是否允许焊料从元器件面流向焊接面呢？或者说只要保证焊接质量和避免对元器件的不良影响，不管从哪边进行单面焊接都是允许的呢？

QJ 165B—2014在第5.5.4.2.2条有明确规定：“焊料只能从焊接面通过金属化孔流向元器件面，焊料应100%润湿金属化孔，并覆盖焊接面的整个焊盘。”

⑤业界提出：“在保证一次透锡的情况下，使用尖形烙铁头对透过的焊锡进行重熔修复”，实际上这里所指的“对透过的焊锡进行重熔修复”就是“双面焊”的代名词。对焊点进行“重熔修复”，在工艺上属于返工返修，应按QJ 2940A进行。

这里需要明确：任何意义上的“重熔”都不利于焊接可靠性的提高；重熔会导致IMC厚度的增长，甚至达到50μm，焊点变脆，焊接强度下降，振动条件下存在严重的可靠性隐患；重熔IMC需要更高的温度，否则是不能去除IMC的。通孔出口处镀铜层最薄，重熔后焊盘易从此处断裂；随着Z轴的热膨胀，铜层发生形变，由于铅锡焊点的阻碍，焊盘发生脱离。PCB因玻璃纤维与环氧树脂因有水汽，受热后分层；多次焊接，焊盘易起翘，与基材分离。

3.“双面焊”的危害

①双面印制电路板，尤其是多层印制电路板要求单面焊接，禁止双面焊接的原因是为了防止金属化孔内出现焊接不良现象，如图13至图10-16所示。