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如何讓通孔元件/傳統插件走回焊爐製程(Paste-in-Hole, PIH)
【通孔印錫膏（PIH，Paste-In-Hole）】製程就是把錫膏(Solder paste)直接印刷於PCB(Print Circuit Board，電路板)的電鍍通孔(PTH, Plating Through Hole)上面，然後再把傳統插件/通孔元件（DIP, Dual In Line Package / THD, Through-Hole Device）直接插入到已經印有錫膏的電鍍通孔中，這時電鍍通孔上的錫膏會有部分沾黏在插件零件的焊腳上，但大部分還是保留在PCB上，這些沾黏在焊腳以及PCB焊墊上的錫膏在經過回焊爐高溫加熱時會熔融，進而將零件焊接於電路板上，可以取代波峰焊接(Wave Soldering)或手焊(Hand Soldering)製程。
這種製程工法還有其他的名稱叫「引腳浸錫膏(pin-in-paste，PIP)」、「侵入式回流焊接 (Intrusive Reflow Soldering，IRS)」 和「通孔回流焊(Reflow Of Through-hole，ROT)」等。
這種工法的好處是可以免去人工焊接或波焊等不穩定的製程並進而節省焊接的作業工時(Labor)，同時也可以提昇焊接的品質，減少焊接短路(Solder short)或空焊(non-wetting)的機會。
但這種PIH工法卻有著下列的先天條件限制：
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傳統零件的耐熱能力必須符合回流焊的溫度要求。
一般的插件零件通常使用比回流焊零件耐溫較低的材料。因為PIH工法要求傳統零件與一般的SMT零件一起流過回流焊(reflow)爐，所以必須要符合reflow的耐溫需求。 無鉛的零件現在要求必須可以耐到260°C維持10sec。 -
零件最好有卷帶包裝(tape-on-reel)。
而且零件上端要有足夠的平面可以經由SMT的自動貼焊機(pick and place machine)的吸嘴來取放到電路板(PCB)上，如果不行的話，就要考慮加派一名作業員，人工手動擺放零件，這時就要衡量所需的工時與品質不穩，因為人工插件有可能會因作業不小心而碰觸到其他已經擺放定位的零件。 當然也可以考慮異形打件機。 -
零件本體(body)與PCB的焊墊要有架高(standoff)設計。
一般PIH製程都會將錫膏印刷得比焊墊的外框還要大，這是為了增加錫膏焊錫量以達到至少75%的通孔填充率要求，如果零件與焊墊之間沒有架高設計，就無法在鋼板上擴孔來增加錫膏印刷量，這會大大影響填孔率。其次，沒有零件架高設計，在回焊時熔融的錫膏會沿著零件與PCB之間的空隙游走，造成多餘的錫渣與錫珠，可能影響日後的電氣品質不良。
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傳統零件最好在第二面打件(如果有兩面SMT的時候)。
零件如果已經先在第一面打件了，第二面繼續打SMD的時候，錫膏有可能會倒流進入傳統零件，造成零件內部短路的可能，尤其是連接器(connector)的零件更要特別小心。
建議延伸閱讀：把SMD零件改成通孔回流焊(Paste-In-Hole)製程會有何差別及影響?
另外，焊錫量是這種工法的最大挑戰。IPC-610對通孔焊接點的可接受標準焊錫量填充率必須大於載板厚度的75％以上，某些要求50%就可以了。(請參考下圖，詳細規格請查詢 IPC-610 section 7.3.5) 
工作熊發現似乎不是每個人都可以輕易解讀IPC-A-610關於支撐通孔填孔率的要求(Supported Holes – Solder –Vertical Fill)。其實很多人都被垂直填孔率的圖片給誤導了，其實PIH製程的焊接終止面是在圖片電路板底方是不需要有錫的，與圖片剛好顛倒。在其表格7.4 Plated-Through Holes with Component Leads – Minimum Acceptable Solder Conditions中有說明（不同版本的IPC-A-610會出現在不同章節）
7.4表格B項說明：焊接終止面(destination)的引腳和孔壁的潤濕可接受為180°(2級)與270°(3級)。這裡就已經說明規定的是孔璧與引腳/焊腳的潤濕了，與焊接終止面的通孔是否填滿沒有關係
7.4表格C項說明：焊接終止面(destination)的焊墊區域被潤濕的焊料覆蓋的百分比為0。則表示焊接的中止面不需要有錫。
7.4表格D項說明：焊接起始面(source)的引腳和孔壁的潤濕可接受為270°(2級)與330°(3級)。
7.4表格E項說明：焊接起始面(source)的焊墊區域被潤濕的焊料覆蓋的百分比為75％。表示焊接的起始面至少需要有75％的焊錫覆蓋率。
至於錫膏量的計算，可以用通孔的最大直徑減去引腳的最小直徑先計算圓面積(πr2)，然後乘上電路板的厚度取得，要記得再x2，因為錫膏內的助焊劑佔掉了50%，也就是說經過reflow以後錫膏的體積只會剩下原來印刷錫膏的一半體積而已。K 是個經驗值，錫膏量除了與開孔面積及鋼板厚度有關，它還與鋼板開孔的形狀，鋼板開孔側面的表面粗糙度，刮刀的速度、壓力、材質與角度有關，通常無法達到百分百的下錫率。
所需錫膏量體積 ≧ π × [(通孔的最大直徑 /2)2－ 引腳的最小直徑/2)2] × 電路板的厚度 × 2 × K
請注意：這個計算式並沒有考慮足夠錫量時板子上下兩面會形成爬錫圓弧(fillets)的體積。
如果想了解更詳細的通孔錫量計算方法建議參考【一圖說明SMT通孔回流焊(PIH)製程的印刷焊錫量如何計算】一文。
那要如何增加通孔的焊錫量呢？下列幾個方法提供給您參考：
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在電路板的通孔(PTH)附近預留足夠的空間作 over print
跟 Layout Engineer (佈線工程師)討論，在需要 paste-in-hole 的通孔附近留出更多的空間以利錫膏印刷，也就是說附近盡量不要擺放其他的pad(焊墊)或是其他不需要的焊接通孔，以避免 over print 時發生短路。
注意：錫膏印刷的平面空間無法無限度的往外延伸，必須要考慮到錫膏的內聚力能力，要不然錫膏會無法全部收回焊墊而形成錫珠。
另外也要考慮錫膏印刷的方向需配合焊墊延伸的方向。(有機會我們再討論這一點) -
縮小電路板上通孔的直徑
就如同上面的[所需錫膏量計算]，通孔直徑越大（嚴格來說應該是通孔直徑減去零件引腳直徑後的空間），所需要的錫膏量也就越多，但同時要考慮的，通孔直徑縮得太小，零件就越難插入通孔。 -
採用 step-up(局部加厚) 或 step-down(局部打薄) stencil(鋼板)
這種鋼板可以強迫局部增加錫膏印刷的厚度，也就可以增加錫膏量，進而達到焊錫充滿通孔的目的，但這種鋼板平均比一般的鋼板要貴上約 10%左右。可以參考這篇文章： step-up & step-down stencil 鋼板局部加厚/打薄 -
調整適當的錫膏、印刷機的速度及壓力、刮刀的類型與角度等。
錫膏印刷機的這些參數或多或少都會影響到錫膏印刷量，另外 Viscosity(黏度)較低的錫膏其錫膏量會比較多一點。 -
加點錫膏
可以考慮用點膠機(dispenser)加點錫膏於Paste-in-Hole的焊墊上來增加錫膏量，由於現今的SMT產線幾乎都已經沒有自動點膠機了，所以也可以考慮手動點膠，可是必須增加一名作業員的工時。 -
使用預成型錫片(solder preforms)
可以參考這篇文章：增加焊錫量的另一選擇 ─ Solder preforms (預成型錫片) -
採用短腳零件
如同文章最前面說過的PIH有部份錫膏靠的是殘留在焊腳尖端的錫膏回流到通孔中，如果零件焊腳長度超過PCB厚度太多，焊腳尖端的錫膏將無法回流至焊墊。一般建議焊腳的長度只要超出電路板厚度0.2mm~06mm即可（零件焊腳長度還必須考慮焊錫強度需求）。
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通孔錫膏開十字架橋避孔（長腳無法修短時）
零件焊腳如果超出PCB表面過長，會造成掛錫（錫膏無法完全回流至PCB焊點），導致焊錫無法填滿通孔，而且因為沾附腳尖的錫膏量不易管控而造成焊點的錫量時多時少。這時候最好的方法是將焊腳長度修短，但如果無法修短，則建議在通孔中間的位置採用十字避孔，這樣可以確保焊腳尖每次沾附到的錫膏量較為一致，以利品質管控。 -
適量調高下溫區溫度（長腳無法修短時）
可以適量調高下溫區的溫度，讓焊腳尖端的掛錫可以因為高溫而回流至焊點。調高下溫區溫度時需特別注意是否會有掉件風險或是某些零件無法承受高溫。 -
第一面預上錫（如果是雙面板兩次回焊且第一面有空間）
可以考慮在第一次過回焊時於零件焊腳面的焊墊邊緣預上錫膏，當然錫膏量及位置都需要控制，不可以讓焊錫流到通孔中影響第二次過回焊時插件作業。
關於通孔焊接的填孔率討論：
這種通孔焊接另外還有個問題經常被提出來討論，如果零件焊腳長度比PCB的厚度還短的時候，是否仍然必須符合IPC-A-610對通孔焊接填孔率大於板厚的75％以上呢？比如說Micro-USB連接器的金屬殼焊腳長度為0.8mm長，而電路板子的厚度假如有1.6mm，也就是說有將近0.8mm的通孔是沒有焊腳在其中的，這時候用PIH的填孔率幾乎不可能100%，甚至填孔率會低於75%，這樣是否需要補錫將通孔填滿？
根據工作熊的經驗，通孔內會有大概0.3～0.5mm的深度是無法填孔的，除非第二次加工，但這真的有必要嗎？要求焊錫填孔百分比的目的又是為何？
焊錫的首要目的不外乎起到電氣訊號傳遞的連接，所以只要有焊接就可以傳遞訊號了。
焊錫的次要目的是強度要夠，不能隨便碰一下就掉下來或斷裂。如果焊腳長度超出電路板厚，那將通孔填滿焊錫確實可以增加焊錫強度，那如果焊腳長度小於電路板厚，將通孔填滿焊錫與僅將焊腳完全被焊錫覆蓋兩者的焊錫強度是否會有差異？
建議參考文章：電子零件焊接強度的觀念澄清
延伸閱讀：
回流焊的溫度曲線 Reflow Profile
導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則
增加焊錫量的另一選擇 ─ Solder preforms (預成型錫片)
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訪客留言內容（Comments）
板主你好，如果想讓通孔元件有100%的吃錫量
看起來只能再元件面刷錫膏，然後再過波峰爐才有可能
如果純粹dip元件過波峰爐是否無法到達100%吃錫量
另外如果DIP元件面還有SMT元件，通常不是先走SMT再走DIP
這樣的話DIP元件面就無法再刷錫膏過波峰爐了
很好奇市面上的過孔元件100%填充到底是怎做到的?
了解，重看了一下發現我誤解了意思
版大想問一下一般波峰焊孔洞要如何設計才能讓垂直填充量到100%
小弟我是做佈線的，最近製造反應垂直填充連75%都不到
有試過加大孔徑與減少過爐速度，填充量才能到75~90%
但怎樣都無法到100%
是可以從哪些方向下手嘗試看看?
了解，目前我的Annual ring的設計上是兩面都有
基本上大小大約是孔徑的兩倍大，如孔徑1mm，Annual ring就是2mm
Annual ring的設計上有分零件面與過爐面嗎?
我個人是認知焊墊的設計上是越大對於吃錫上越好
我是建議確認一下鋼板的開法,是否有補償開法??
板子越厚就越不可能在錫膏印刷的時候將PTH用錫膏塞滿
除非是擠壓式印刷(早期有用過Fuji錫膏印刷機就會知道)
所以需要補償開法來補不足的錫,
另外也要確認零件的pin腳的長度與寬度,
越長及越寬很容易將已經印刷在PTH孔內錫膏擠出來
再過爐的時候因為重力沒被拉回來而掉到reflow內
補償開法是為了彌補這樣的錫膏損失
IPC規範只要75%以上即可,而且還區分Ground & signal pin(75%/50%)
可以先了解一下貴公司產品適不適用這個規範!!!
所需錫膏量應該是所需錫膏量 ≧ (通孔的最大直徑 － 引角的最小直徑) × 電路板的厚度*2，需要乘2才對，因為體積比1：1，過濾后助焊劑等成份揮發，另外這也是理論值，可以作為參考，實際印刷過程中會有錫膏將孔內填充一部份
想請教一下,所需錫膏量體積 ≧ (通孔的最大直徑 － 引腳的最小直徑) × 電路板的厚度 × 2
為什麼是用”通孔直徑-引腳直徑”,而不是用”通孔面積-引腳面積”呢?
面積乘以厚度不是才是體積嗎?
謝謝您
謝謝工作熊的回覆
看了您的文章學了很多東西!
想再請教您,我們已可從您的文章得知所需錫膏量的理論值,
那有沒有辦法在實際的情況下,去估算真正會使用到的錫膏量呢?
比如說我先猜想 實際錫膏量 = 用pad(焊墊)面積*鋼板厚度
可惜我假設了一些參數, 但都小於所需錫膏量的理論值好幾倍
雄大，請教IPC-A-610G(7.3.5 表7-4), 在 PIP 製程的吃錫及檢驗問題: 此表中除了定義 Hole fill 外，也規定潤溼角(wetting angle)，想問，1.因是PIP 充錫，若吃錫在板厚內(即50%~75%)，背面吃錫面的引角潤溼角一定很差，通常在<180 ° 甚至表面PIN有些是空洞的，這樣的吃錫能算pass 嗎？ 2.潤溼角的標準一定要兩面(TOP&BOT)都要算嗎？
請問，1.PIP 增加通孔錫膏量，可在通孔中間的位置採用十字避孔，“十字避孔” 指的是什麼？ 2.IPC-A-610 7.3.5, 有吃錫率及潤濕角的規定， 是不是我的吃錫率達成 75% ，就可以忽略“潤濕角”要求 ？
感謝熊大耐心的回覆，再請問下，PTH孔會有吃錫潤濕問題，在部落格的文章談到，是焊膏或PCB或零件引角的表面處理變化了，製程影響焊錫潤濕的因素為「溫度」與「氧化」程度，其中有一現象是PCB的焊墊上鋪設了大面積的銅箔, 需要PCB 特意在這種焊墊上設計熱阻(Thermal Relief)來降低其影響。
所以，若 PIP 製程發生潤濕的問題可以增加熱阻的設計，是這樣理解嗎？
請問熊大，如PCB版厚1.57，PIP穿孔零件PIN腳長度1，是如何去計算其填錫率，以1的百分比算還是1.57
另外如PIP零件在第一面因製程問題開孔較小，透過第二面在相同位置補錫，但因中間有空氣第二面錫膏無法填入，該如何改善 謝謝
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8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知，如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。
學習了！呵呵～