板端連接端子波峰焊焊接傳熱研究

李厚琨，王榮喜，王武軍，毛建偉，杜金奎，尚亞強

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

在電子電器行業，對產品的集成化和輕量化要求越來越高，這種要求也影響著汽車電子電器產品的發展方向，使更多的PCB設計應用到汽車電子電器產品中。與3C行業電子產品相比，汽車電子電器產品需要傳輸更大的電流和電壓，因此，在汽車電子電器行業應用的板端連接端子會應用到較大規格的焊接端子。規格差異較大的端子在同一焊接過程中達到良好的焊接，對焊接工藝要求很高。自從電子電器行業廣泛應用PCB設計，許多科研工作者和工程師從不同角度對端子的可焊性進行了研究，焊接工藝不斷進步［1-3］。但這些研究大都圍繞PCB展開，例如PCB焊盤浸潤不良造成焊接不良。近年來，對于高熱高溫的熔焊傳熱過程有很多研究，建立了一些數值模擬方法［4］，但關于電子電器行業PCB焊接常用的軟釬焊傳熱過程的研究很少。該研究利用有限元法，建立數值模擬模型，研究板端連接端子在焊接工藝中端子及PCB的傳熱過程。

1 波峰焊焊接工藝

在PCB加工中，常見波峰焊和回流焊兩種焊接方式。波峰焊是熔融的焊錫通過泵的作用形成焊料波峰對元件進行焊接。相比回流焊，波峰焊時，PCB上爐前并沒有焊料，焊機產生的焊料波峰把料涂布在需要焊接的焊盤上完成焊接，波峰焊焊接工序更少，更適用于插腳電子元器件。如圖1所示064插針端子和950插片端子均為插腳元器件，采用波峰焊焊接工藝更合適。

波峰焊主要分為助焊劑噴涂、預熱、焊接、冷卻4個模塊。

1）助焊劑噴涂系統：在PCB上爐前需噴涂波峰焊助焊劑。波峰焊助焊劑在波峰焊工藝中能夠幫助和促進焊接過程，同時具有保護作用，阻止氧化反應，保證焊盤的浸潤性。

2）預熱模塊：預熱的主要作用是活化助焊劑，過高或過低的溫度對助焊劑的活化都是不利的。預熱溫度應到達100～130℃。

3）焊接模塊：錫缸內錫料溫度為290℃，波峰高度應達到PCB板厚的1／3～2／3。

4）冷卻模塊：PCB離開錫缸后，焊錫迅速冷卻為固態。

2 建立有限元仿真模型

圖1 PCB總成圖

PCB焊接總成包括8個064插針端子、2個950插片端子和1個PCB。一定質量的物質，在溫度升高時，所吸收的熱量與該物質的質量和升高的溫度乘積之比為比熱容。同一種材料在相同情況下比熱容是相同的。064插針端子與950插片端子采用同種材料，則其比熱容和密度一致，升高相同的溫度吸收的熱量與其對應體積成正比。950端子的體積遠大于064端子，升高相同的溫度，950插片端子比064插針端子吸收的熱量更多。

按照圖1所示PCB總成，建立有限元前處理模型［5］。端子材料為H65。PCB是以FR4環氧玻璃纖維為基板、4層銅箔的多層板。通常說的PCB材料的熱導率指的是材料的厚度方向熱導率，面內熱導率大于厚度方向熱導率。FR4環氧玻璃纖維的厚度方向熱導率典型值為0.23W／m·K。雖然基板的導熱系數比較小，但由于銅的導熱性能非常好，所以PCB板的綜合導熱系數為16.5W／m·K。同樣綜合考慮基板和銅箔的比熱容、密度，得出PCB的比熱容、密度，見表1。

表1 材料參數

焊錫在焊接過程中由液態變為固態，真正用于端子與PCB焊接的焊錫量很小，將這部分焊錫簡化為圓柱模型，直徑為與焊盤內徑相同，厚度為PCB厚度，焊錫材料為SAC305。

PCB在焊接爐內處在強對流高溫環境，元器件表面與爐內空氣的對流換熱系數為20W／m2·K。焊接模塊錫缸內的焊錫為液體。在焊錫固化前，液態焊錫與PCB、端子的接觸性較差，因此焊錫與端子、PCB的接觸熱傳導系數取104W／m2·K。

板端連接端子焊接傳熱研究，只需建立PCB在預熱后浸入錫料的傳熱有限元分析模型。助焊劑噴涂過程主要為了噴涂助焊劑，提高焊盤的浸潤性，不存在影響PCB和端子焊接的傳熱過程。預熱過程對PCB和端子進行預熱，達到預熱溫度的總成隨傳送帶進入焊接模塊，仿真模型可通過設置初始溫度，簡化預熱過程。

預熱溫度設為115℃，即PCB、端子的初始溫度為115℃。一般來說，波峰焊焊接時間為3～10s，將焊接時間設為10s。錫缸內焊錫溫度為290℃，焊接時錫料波峰高度達到PCB板厚的1／3～2／3，仿真模型簡化為PCB板厚1／2以下浸入錫料中，設置其相應位置邊界溫度為290℃。

3 仿真結果分析

根據電子組件的可接受性標準IPC A-610F WAM 1-2016，板端連接端子的爬錫高度為端子插腳距PCB上表面0.5mm，端子焊接良好。常規錫膏的焊接溫度為230～250℃。圖2為Ⅰ型950端子PCB總成仿真結果溫度分布圖。

圖2 Ⅰ型950端子PCB總成仿真結果溫度分布圖 （紅色區域為240℃，灰色區域為＞240℃）

在0.39s時，064端子插腳距PCB上表面0.5mm處達到240℃；在1.47s時，Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處達到240℃。如圖3所示。

圖3 Ⅰ型950端子和064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線

圖3 中綠色曲線為064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度隨時間變化曲線，紫色曲線為Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度隨時間變化曲線。064端子插腳距PCB上表面0.5mm處，0.39s達到240℃，0.61s達到250℃。由于大規格端子體積較大，大規格端子相比小規格端子達到同樣的溫度需要的時間更長。Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處比064端子距PCB上表面0.5mm處滯后1.08s到達240℃，滯后2.1s到達250℃。從曲線看，錫膏焊接溫度越高，大規格端子達到錫膏焊接溫度的滯后時間越長。若實際生產過程中，各種生產因素影響導致錫膏焊接溫度較高或端子溫差增大，導致滯后時間增長到大于焊接時間 （如4s），致使064端子良好焊接，950端子未完成焊接。可以嘗試通過改變端子設計，實現大規格端子和小規格端子溫差縮小，達到錫膏焊接溫度的滯后時間縮短。

更改950端子設計，將950端子插腳長度增長 （專利已受理），使插腳靠近PCB上表面區域的體積減小，提高插腳處傳熱和溫升速度，縮小950端子與064端子在焊接過程中的溫差，縮短達到錫膏焊接溫度的滯后時間。更改方案如圖4所示，更改后Ⅱ型950端子仿真結果溫度分布圖如圖5所示。

圖4 950端子更改方案

圖5 Ⅱ型950端子PCB總成仿真結果溫度分布圖 （紅色區域為240℃，灰色區域為＞240℃）

更改后，Ⅱ型950端子替代Ⅰ型950端子再次仿真。在0.39s時，064端子插腳距PCB上表面0.5mm處達到240℃；在0.93s時，Ⅱ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處達到240℃。如圖6所示。

圖6 Ⅰ型950端子、Ⅱ型950端子064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線

圖6 中綠色曲線為064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線，曲線未發生明顯變化；紫色為Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線；藍色為Ⅱ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線。Ⅱ型950端子替代Ⅰ型950端子，明顯減小了950端子插腳與064端子插腳的溫差，縮短了950端子插腳與064端子插腳達到錫膏焊接溫度的滯后時間。Ⅱ型950端子相對于064端子距PCB上表面0.5mm達到240℃的滯后時間由更改前1.08s縮短為0.54s，達到250℃的滯后時間由原設計2.1s減小為1.5s。Ⅱ型950端子替代Ⅰ型950端子仿真結果顯示，端子插腳越細越長，波峰焊焊接時的爬錫效果越好。通過改善端子插腳設計，增加爬錫過程中插腳熱量集中，實現減小大規格端子與小規格端子溫差，縮短大規格端子插腳與小規格端子插腳達到錫膏焊接溫度的滯后時間，有利于波峰焊焊接工藝調整，更易使大小規格端子同時實現良好的焊接。

4 結論

通過建立有限元仿真模型，對板端連接端子波峰焊焊接傳熱過程進行研究，分析不同規格端子波峰焊焊接過程中溫度變化區別。改善大規格端子的插腳設計，有效地縮小了大小規格端子插腳在波峰焊焊接過程的溫差，得出以下結論。

1）大規格端子比小規格端子需要更長的焊接時間。

2）波峰焊焊接過程中，大規格端子與小規格端子存在溫差和焊接滯后，這種差別可以減小，但無法消除。

3）如果焊接時間設置過短，容易造成大規格端子焊接不良。

4）可通過改變端子設計，增加爬錫過程中熱量集中，實現大規格端子與小規格端子溫差縮小，滯后時間縮短，改善焊接性能。