关于《印制板组件设计工艺性及航天禁限用工艺》若干提问的答复 中电天奥子集团第10研究所
陈正浩
引子
4月29日晚CEIA特邀湖北三江航天险峰电子信息有限公司副总经理/总工艺师/高级工程师刘冬洋在天空沙龙作《印制板组件设计工艺性及航天禁限用工艺》演讲，十分精彩；演讲结束后回答了学员们的20几个提问，由于时间关系未能尽兴；笔者饶有兴趣，特将其中的若干问题归纳成a）导线在PCB焊盘上的搭接连接；b）PCB焊盘表面可焊性镀层；c）DFM问题；d）工艺问题；等四个方面。因笔者编著了《高可靠性电子装联标准160问》，并于2019年初在成都作了培训，学员们的这些提问书稿中恰好都有，特整理出来与大家分享，也作为对刘总解答的补充和完善。 一.导线在PCB焊盘上的搭接连接
问：导线与印制板焊盘连接的设计依据是什么？导线与印制板焊盘连接的焊盘的长度设计与导线截面积有没有关系？0.14mm2搭接导线焊盘长？宽？
答复：
导线在普通印制电路板焊盘上的搭接焊接要求应满足QJ3117A第5.5条“导线与印制电路板的焊接”的要求。
导线与印制电路板的焊接可用搭焊或通孔焊接，导线应按QJ3117A图10的要求穿孔，应采取应力消除措施。搭焊如图1所示。并按要求进行成形和在穿孔出作粘固处理。
图1QJ3117A图10所示的导线与印制电路板的焊接
图1中：d—导线芯线直径；D—导线直径；H—绝缘间隙，1mm≤H≤2mm；R—导线弯曲半径，R≥2D；L—导线芯线露出印制电路板的长度，L=l.5mm土0.8mm；r—导线芯线弯曲半径，r≥2d；
（2）QJ3117A第5.5条给出了导线与印制电路板焊接前导线的穿孔粘固和成形要求，但QJ3117A并没有给出搭接用的导线线芯的直径的范围、导线线芯所要搭接焊接的焊盘的设计要求、导线线芯与搭接焊接的焊盘的匹配关系。
（3）按照QJ3012《航天电子电气产品元器件通孔安装技术要求》关于“不得共用焊盘，不得焊接在印制导线上，不得焊接在金属化孔焊盘上，不得焊接在其它元器件的引线或焊端上”的规定；搭接的导线芯线必须焊接在为搭接导线芯线设计的焊盘上。
（4）搭接用的导线线芯的直径的范围
1）鉴于QJ3117A并没有给出搭接用的导线线芯的直径范围，参照QJ3171第4.5.1节“只有元器件重量小于1.4g时，才能采用小型轴向引线元器件的表面安装。”搭接用的导线线芯的直径应与重量小于1.4g的元器件引线的线径相同。
2）元器件引线使用的是线径（直径），而导线的规格一般使用的截面积。
根据S=πr2计算出与截面积相对应的导线线芯直径。
热镀锌线槽式中：S-导线线芯截面积；r-导线线芯半径；π-圆周率，取3.14。则：
芯线截面积为0.12mm2的导线的线芯直径约为0.4mm；
芯线截面积为0.2mm2的导线的线芯直径约为0.5mm；
芯线截面积为0.30mm2的导线的线芯直径约为0.6mm；
资料显示：通孔插装1/4W电阻的重量为1.5g，其引线直径为0.6mm，按此计算，即允许导线芯线截面积小于0.30mm2的导线线芯搭接焊接。
需要高度关注图1在焊盘上搭接焊接或金属化孔内穿孔焊接的导线的线径粗细、导线的绝缘材料和芯线的硬度，否则极易在焊点处断裂，如图2所示。
老化台
图2AF导线穿孔焊接导致焊点处断裂
图2里的导线选用AF聚四氟乙烯高温导线，截面积为0.5mm2，虽然采取穿孔焊接，并把芯线插入金属化孔内焊接，但仍在焊点处断裂。解决的方法为：
①选用AFR线或55号线，增加导线柔性。
②焊接时用阻焊夹，防止焊料虹吸。
③重新设计，在焊点前对导线加固。
加固的方法为：对于细线径的软导线可以采用涂胶或穿孔方法加固，对于排线可以采用压板固定，对于单根线用镀银穿套管焊接加固。
（5）导线搭接焊接用贴装焊盘的设计
QJ3117A并没有给出导线线芯所要搭接焊接的焊盘的设计要求，参照QJ165B第5.4.2.11节“跨接线的安装应符合轴向元器件的安装要求”和第5.4.2.10的“元器件安装后，引线端头采用弯曲连接时应符合图5的要求”的规定，导线搭接焊接用贴装焊盘的设计应符合图3的要求。
图3导线搭接焊接用贴装焊盘的设计
（6）导线与印制电路板上焊盘搭接焊接的可操作性
分析图1所示的QJ3117A允许的导线与印制电路板上焊盘的搭接焊接的可操作性：
1）只能选用导线的截面积小于0.3mm2的细导线；
2）GJB/Z457规定机载电子设备（范围包括飞机、导弹、助推器等类似飞行器）第4.4.11“电线和电缆”规定：电线的截面积一般不应小于0.35mm2。但当不影响设备性能，特别是当电线捆扎成束，并有足够的防振固定时，允许采用较小截面积的导线；不应采用聚氯乙烯绝缘的电线和电缆。
这就限制了截面积小于0.35mm2导线和聚氯乙烯导线在军用印制电路板上焊盘搭接焊接的实施。
也就是说，三个与军用电子产品导线在印制板上安装焊接的标准是矛盾的：
①QJ3117A允许导线与印制电路板上焊盘的搭接焊接；
②QJ3171规定只有元器件重量小于1.4g时，才能采用小型轴向引线元器件的表面安装，即：只允许导线芯线截面积小于0.30mm2的细导线线芯在焊盘上搭接焊接；
③GJB/Z457规定电线一般不应使用小于截面积0.35mm2的导线。
由此，QJ3117A允许的导线在机载、箭载和星载等类似飞行器电子设备印制电路板上穿孔粘固焊接的可行性将受到很大的局限。
二.PCB焊盘表面可焊性镀层
问：PCB可以用沉金工艺吗？航天产品可以使用化学镀金工艺吗？
答复：
1.高可靠电子装备PCB焊盘表面的可焊性镀层优选热风整平S-Sn60PbAA或S-Sn63PbAA的焊料涂层。
热风整平S-Sn60PbAA或S-Sn63PbAA的焊料涂层的共面性较差，主要用于通孔安装和有引线的表面安装器件的PCB板。紫花针茅
2.对于高密度细间距元器件，例如焊端中心距小于0.5mm的片式器件，优选电镀镍金可焊性镀层；为了防止金脆化的产生，按QJ3103A的规定，电镀镍金里用于锡焊部位和SMT焊盘的镀金层的厚度为0.13~0.45μm。
3.由于化学镀镍金在焊接时会产生“黑盘”现象，导致焊接可靠性下降，高可靠电子装备PCB焊盘表面的可焊性镀层不允许使用化学镀镍金工艺。
三.DFM问题
1.波峰焊间隙是多少？与通孔回流焊的间隙一样吗？
答复：
（1）使用波峰焊工艺时，金属化孔孔径与元器件引线/导线线芯的间隙为0.2~0.3mm。
（2）军品不采纳通孔回流焊
通孔回流焊很难满足以航天为代表的军用电子产品PCBA通孔插装元器件焊接100%过锡率的要求，因此不被看好，实际上它已经被列入禁用工艺范围。通孔回流焊接工艺和选择性波峰焊接都是为解决PCB 上通孔插装元器件焊接的工艺技术，比较而言，我们更愿意使用选择性波峰焊接。
1）QJ165B对通孔焊接点的标准是PCB焊接面（B面）有焊接润湿角和焊料充满100%板厚的通孔。
通孔回流焊接工艺的主要技术挑战是，如何在具有高密度引脚元件的通孔里面和周围印刷足够的锡膏，使得在B面形成可接受的焊接点，以满足QJ165B的要求。因为在通孔回流工艺中，在A面形成焊接润湿角不是问题，因为锡膏是从A面印刷的。由于焊膏中金属成分体积占焊膏体积的50%左右，需要优化通孔焊盘设计，模板设计，确保足够的焊膏量，防止少锡和空洞。
3d视频制作与普通波峰焊接工艺相比，通孔回流焊接工艺的技术难度较高：PCB的厚度、镀孔尺寸、PCB焊盘尺寸、焊膏印刷量、元器件引线直径、元器件引脚间距、焊膏的金属含量、印刷网板的设计、元器件的安装及焊点的检测等会影响焊点的形状。
2）元器件引脚/通孔的设计（经验数据，仅供参考）
图4
3）满足自动化组装要求的PCB通孔设计如下（经验数据，仅供参考）
过氧化氢酶活性测定
2.BGA双面布置怎么处理？
（1）印制电路板设计时应把低密度的小型封装SMD和SMC放在印制电路板的B面，THT元件及高密度SMD放在印制电路板的A面。BGA双面布置属于设计缺陷。
（2）采用回流焊工艺
双面采用相同温度曲线同时焊接：元件质量与焊盘面积之比是衡量是否能进行双面同时焊接的一个前提。双面采用相同温度曲线对二次回流焊面（B面）的元件布局与印制电路板设计要求：将大元件布放在A 面，小元件布放在B面，设计时遵循原则为D g/P＜30g/in2。其中，D g为元件质量；P为该元件焊盘总面积。由于熔融焊点的表面张力足以抓住底部元件，大多数小元件二次熔融后完全可以形成可靠的焊点。不符合元件质量（D g）与焊盘面积（P）之比小于30g/in2原则的大而重的元件，用胶黏住。
（3）采用波峰焊工艺
为确保焊接可靠性，BGA等球栅阵列器件、柱栅阵列器件，PLCC、LCC等J形引脚器件以及引脚或焊端中心间距小于1.27mm的器件不允许采用波峰焊接，四方形器件不提倡采用波峰焊接。
若印制电路板B面组装的元器件只有Chip或SOIC时，B面焊接可采用波峰焊，焊接前先涂覆胶黏剂，并固化。
3.QFN焊盘中心打孔允许吗？怎么处理？
（1）过孔设计在QFN器件的焊盘上，导致焊料流失，不容易被发现，如图5所示。
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图5QFN器件散热接地焊盘上设置过孔，焊料流失，导致散热接地效果降低
（2）QFN器件散热孔设计
PQFN封装底部大面积热焊盘提供了可靠的焊接面积，印制电路板必须设计与之相对应的热焊盘及传热过孔。散热孔的数量及尺寸取决于器件的应用场合、芯片功率大小、电性能要求，根据热性能仿真，一般传热过孔的间距在1.0mm~1.2mm，传热过孔的直径为φ0.3mm~0.33mm。散热过孔有4种形式。
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