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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)

【PIH（Paste-In-Hole，通孔印錫膏）】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 /THT, Through-Hole Technology）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粘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重新熔融，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：

• 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。
  
• 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。

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 7.5.5.1)

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，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。π 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、速度、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 ≧ [(通孔的最大直徑 /2)²－ 引腳的最小直徑/2)²] × π × 電路板的厚度 × 2

那要如何增加通孔的焊錫量呢？下面幾個方法提供給您參考：

• 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 的通孔附近空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，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)

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-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)