本文介紹，零件設(shè)計(jì)與工藝過(guò)程指南。

　　脈沖加熱回流焊接(pulse-heated reflow soldering)是一種工藝，將兩個(gè)預(yù)先上好助焊劑的、鍍錫的零件加熱到足以使焊錫熔化、流動(dòng)的溫度，固化后，在零件與焊錫之間形成一個(gè)永久的電氣機(jī)械連接。與傳統(tǒng)的焊接相反，脈沖加熱回流焊接通過(guò)對(duì)每個(gè)連接使用一個(gè)熱電極加熱和冷卻來(lái)焊接。在整個(gè)加熱、回流和冷卻周期內(nèi)要施加壓力。脈沖加熱控制將能量傳送到安裝在回流焊接頭上的熱電極。附著在熱電極上的熱電偶為可重復(fù)的、持續(xù)的熱源控制提供反饋。
　　焊接頭將兩個(gè)零件直接接觸。以一個(gè)精確的壓力，頭發(fā)信號(hào)給控制器，開(kāi)始熱電極的加熱循環(huán)。熱電極將熱傳導(dǎo)給零件，隨后的熱傳導(dǎo)將零件之間的焊錫熔化。熔化的區(qū)域開(kāi)始流動(dòng)，造成兩群焊錫的接合。當(dāng)控制器終止回流循環(huán)，在冷卻循環(huán)中零件繼續(xù)保持在一起，因此焊錫重新固化，形成焊點(diǎn)。一個(gè)好焊點(diǎn)應(yīng)該是焊錫充分地結(jié)合兩個(gè)表面，在兩個(gè)零件表面發(fā)生熔濕(wetting)。

電線(xiàn)元件(Flex Component)
　　用于脈沖加熱回流焊接工藝的最常見(jiàn)類(lèi)型的電線(xiàn)是由聚酰亞胺(polyimide)制造的，也叫做“Kapton?”。兩層聚酰亞胺包膠銅跡線(xiàn)(trace) - 一般 0.5~2 盎司(ounce)。兩種最常見(jiàn)的銅導(dǎo)線(xiàn)是軋制韌化(RA, rolled annealed)銅和電解沉淀(ED, electrodeposited)銅；電解沉淀銅最有成本效益，被廣泛使用。銅跡線(xiàn)的厚度范圍是 0.0007~0.004" (0.02~0.10mm)。聚酰亞胺的可操作溫度范圍是 130~200°C，可經(jīng)受高達(dá)300°C的短期焊接溫度。熱電極的溫度總是高于被熱電極加熱的零件溫度。在熱電極與焊點(diǎn)之間、橫穿Kapton電線(xiàn)，可能發(fā)生 50~80°C的溫降，決定于厚度。電線(xiàn)(flex)的厚度范圍是 0.001~0.0047" (0.0254~0.12mm)。

在脈沖加熱回流焊接工藝的柔性電路上使用的三種常見(jiàn)類(lèi)型的端子設(shè)計(jì)是：
暴露引線(xiàn)設(shè)計(jì)(exposed lead design) - 這種設(shè)計(jì)將聚酰亞胺材料的兩面去掉，留下不絕緣的跡線(xiàn)。熱電極直接接觸跡線(xiàn)，將熱傳導(dǎo)給零件。如果PCB焊盤(pán)與熱電極腳印尺寸正確，這種設(shè)計(jì)將容許一些多余的焊錫在焊盤(pán)上，因?yàn)楹稿a可能流到開(kāi)放的區(qū)域。在工藝過(guò)程中，焊錫也將熔濕跡線(xiàn)頂部。在處理零件時(shí)必須小心，因?yàn)檑E線(xiàn)容易彎曲或損壞。
單面電線(xiàn)設(shè)計(jì)(single-sided flex design) - 這種設(shè)計(jì)只從一面去掉聚酰亞胺。熱量從熱電極通過(guò)固體聚酰亞胺表面?zhèn)鲗?dǎo)到底下暴露的跡線(xiàn)。聚酰亞胺通過(guò)絕緣體傳導(dǎo)熱量到暴露的跡線(xiàn)和PCB焊盤(pán)。在焊接點(diǎn)區(qū)域的聚酰亞胺的厚度限制在0.002"，使得可以熱傳導(dǎo)。如果聚酰亞胺必須加熱超過(guò)260°C，可能造成表面燒傷和熱電極污染。這個(gè)設(shè)計(jì)不容許過(guò)多焊錫在PCB焊盤(pán)上，因?yàn)榇嬖诤苌倏臻g來(lái)過(guò)多流動(dòng)。
開(kāi)窗式電線(xiàn)設(shè)計(jì)(open-windowed flex design) - 這種設(shè)計(jì)將焊接區(qū)域的兩面的聚酰亞胺去掉，但在邊緣和跡線(xiàn)尾端都有剩下的聚酰亞胺材料支持。該設(shè)計(jì)給予裝配一定的強(qiáng)度，并對(duì)較生硬的處理有彈性。因?yàn)檑E線(xiàn)暴露，對(duì)零件的熱傳導(dǎo)是良好的，有額外的空間給剩余的焊錫流動(dòng)。熱電極的尺寸是關(guān)鍵的，因?yàn)樗仨氝m合窗口，并允許熔化的焊錫流動(dòng)的空間。
電線(xiàn)與PCB跡線(xiàn)的尺寸(Flex and PCB Trace Sizes)
　　理想地，柔性電路的焊盤(pán)應(yīng)該比PCB上的焊盤(pán)在寬度上更窄。隨著焊錫熔化、零件壓下，焊錫被擠到旁邊。該設(shè)計(jì)將允許焊錫在柔性焊盤(pán)的另一面流動(dòng)的空間，將容許PCB上更多的焊錫，避免錫橋問(wèn)題。
　　柔性電路上更小的焊盤(pán)寬度將幫助兩個(gè)零件的定位與對(duì)中。對(duì)于密間距(fine pitch)的應(yīng)用，PCB跡線(xiàn)的寬度設(shè)計(jì)成間距的50%。這種設(shè)計(jì)減少由于不對(duì)準(zhǔn)所造成的短路。

通用基板零件設(shè)計(jì)指南
　　多數(shù)PCB材料諸如FR-2和FR-4對(duì)于工藝期間的局部受熱是很有彈性的。象陶瓷基板這樣的材料必須以一種更受控的方式來(lái)加熱，以減少破裂的機(jī)會(huì)。兩個(gè)零件的散熱能力太大的差距也可能引起冷卻期間的焊接破裂。
　　沿焊接點(diǎn)長(zhǎng)度上的散熱差異是最常見(jiàn)的要克服的設(shè)計(jì)問(wèn)題。小的差別影響也小，但沿焊接區(qū)域的任何熱質(zhì)量改變都將引起溫度和焊接點(diǎn)質(zhì)量的不一致。

散熱、焊盤(pán)區(qū)域設(shè)計(jì)問(wèn)題，解決方案
　　熱可能很容易從焊接區(qū)域傳導(dǎo)到大的焊盤(pán)，如果位置太靠近焊接區(qū)域(圖一A)。加大的跡線(xiàn)寬度和電鍍的通孔從焊接區(qū)域吸走熱量(圖一B)。寬度減小的跡線(xiàn)就好象擋熱墻，阻止焊盤(pán)的任何散熱(圖一C)。如果使用小跡線(xiàn)擋熱墻，沒(méi)有散熱存在的有效的最小面積是0.08"(0.2mm)(圖一D)。相等尺寸的小跡線(xiàn)作擋熱墻用，保證焊接區(qū)域相同的加熱。
　　從焊盤(pán)引出的跡線(xiàn)應(yīng)該相同的寬度，盡可能地窄(圖二)。這種設(shè)計(jì)將起擋熱墻的作用，防止焊接期間過(guò)多的熱量從焊盤(pán)區(qū)域排走。對(duì)于多層板，將粘結(jié)區(qū)域下的跡線(xiàn)限制為最小寬度的(信號(hào))跡線(xiàn)，在PCB的焊盤(pán)之下均勻地分布。PCB上任何屏蔽都在焊接區(qū)域有同等的影響。

PCB焊盤(pán)的焊接要求
　　焊錫沉積的可重復(fù)性對(duì)達(dá)到良好的過(guò)程控制是關(guān)鍵的。在許多情況中可能要求試驗(yàn)來(lái)獲得理想的焊錫量。一個(gè)良好的開(kāi)始點(diǎn)是使用一塊0.006"的絲印模板，40%的焊盤(pán)覆蓋面積。
　　PCB焊盤(pán)上要求的焊錫數(shù)量取決于幾個(gè)因素。焊盤(pán)尺寸與間距決定可施用的焊錫量的最大與最小，使用絲印模板工藝。模板印刷的焊錫在回流工藝之前應(yīng)該熔合。小焊盤(pán)與小間距要求較少的焊錫，防止焊點(diǎn)形成錫橋。
　　電線(xiàn)(flex)的設(shè)計(jì)也將影響焊錫量。開(kāi)窗的電線(xiàn)和暴露的跡線(xiàn)的電線(xiàn)將得到比單面電線(xiàn)稍微較多的焊錫量。

熱電極尺寸與對(duì)零件的定位
　　熱電極應(yīng)該按照焊盤(pán)和電線(xiàn)的尺寸來(lái)確定尺寸，如圖三所示。熱電極的長(zhǎng)度必須完全覆蓋跡線(xiàn)，在每一邊超出至少一個(gè)焊盤(pán)間距。熱電極的寬度應(yīng)該提供充分的熱傳導(dǎo)，以達(dá)到在最短的時(shí)間內(nèi)完成焊接，因此消除對(duì)零件的溫度危害。熱電極的寬度也應(yīng)該接納足夠的空隙給熔化的焊錫位移，消除錫橋的任何機(jī)會(huì)。
熱電極的寬度
　　為了熱電極最好的熱性能和壽命，最小尺寸應(yīng)該是0.059"。標(biāo)準(zhǔn)尺寸是0.079"，以達(dá)到更好的性能和壽命。在焊錫量沒(méi)有好好控制或者空間受限制的地方，可以使用0.047"寬的熱電極，可是，熱電極的壽命與性能將減少。
電線(xiàn)(flex)焊盤(pán)寬度
　　注意，電線(xiàn)焊盤(pán)短于PCB焊盤(pán)(圖四)，這樣方便焊點(diǎn)的檢查。
PCB焊盤(pán)寬度
　　額外的寬度允許額外的焊錫和方便檢查。PCB焊盤(pán)大約是熱電極寬度的三倍。表一的尺寸只是指導(dǎo)性的。可能要求一些試驗(yàn)，因?yàn)楹稿a量不同。
熱電極定位
　　當(dāng)在暴露的或開(kāi)窗的電線(xiàn)(flex)上面定位熱電極時(shí)，熱電極不應(yīng)該定位太靠近電線(xiàn)主體的邊緣(圖五)。一些柔性電路有較薄和較厚的涂層在其中等跡線(xiàn)兩面。如果是這樣，將跡線(xiàn)較薄的一面定位在PCB上，這將減少當(dāng)熱電極推下跡線(xiàn)時(shí)熱電極損傷跡線(xiàn)的機(jī)會(huì)。

表一、建議熱電極的寬度/焊盤(pán)長(zhǎng)度與間距
PCB?? PCB
焊盤(pán)間距(mm/inches) 熱電極寬度(mm/inches) 焊盤(pán)長(zhǎng)度(mm/inches)
0.8/0.031 1.5/0.059 4.5/0.177
1.2/0.047 1.5/0.059 4.5/0.177
1.4/0.055 2.0/0.079 5.0/0.197
1.5/0.059 2.5/0.098 5.5/0.217
1.6/0.069 2.5/0.098 5.5/0.217
1.8/0.071 2.5/0.098 6.0/0.236
2.0/0.079 3.0/.0118 6.0/0.236
3.0/0.119 3.0/0.118 6.0/0.236

熱電極制造、溫度特性
　　現(xiàn)代線(xiàn)路腐蝕技術(shù)如EDM和高級(jí)材料已經(jīng)允許精密設(shè)計(jì)的熱電極的制造，以適合大多數(shù)應(yīng)用。三維的熱電極在表面周?chē)ㄟ^(guò)電流，因此，在跡線(xiàn)之間具有零電勢(shì)。在機(jī)器工藝中的這些技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生在橫跨長(zhǎng)度上的恒溫設(shè)計(jì)，專(zhuān)門(mén)的合金取得平整與共面性。焊錫將不會(huì)熔濕到使用的材料，它們對(duì)氧化是有彈性的。

工具與零件定位
　　熱彈性的、高溫塑料如 peek(Kepton?) 或 tuffnel 應(yīng)該用在回流區(qū)域的下面，來(lái)防止從焊接區(qū)散熱。模具座應(yīng)該完全平整，因?yàn)樵摴に嚨馁|(zhì)量決定于當(dāng)施加熱電極壓力時(shí)達(dá)到熱量均勻分布。最好的表面處理技術(shù)是用磨削來(lái)拋磨表面。如果可能，零件應(yīng)該定位在與回流區(qū)靠近的定位銷(xiāo)上。經(jīng)常，電線(xiàn)(flex)上的定位孔用銅跡線(xiàn)來(lái)加固，得到更好的強(qiáng)度與精度。如果不可能有定位孔，零件可以從方邊上定位和夾緊。因?yàn)殡娋€(xiàn)(flex)不是剛性的，可能要求零件座中的真空孔來(lái)把它保持平整。對(duì)于密間距電線(xiàn)，X-Y定位臺(tái)和相機(jī)系統(tǒng)可能是有用的。由于設(shè)計(jì)零件時(shí)尺寸上的誤差或批量與批量之間的變化，夾具是重要的。

準(zhǔn)備
　　較常見(jiàn)的，兩個(gè)零件都要預(yù)先鍍錫。如果沒(méi)有，達(dá)到單面電線(xiàn)(flex)與鍍金或錫的焊盤(pán)之間的熔濕還是可能的。兩個(gè)零件的基礎(chǔ)電鍍經(jīng)常有足夠的焊錫達(dá)到單面電線(xiàn)的可靠焊點(diǎn)。
　　可是，多數(shù)電線(xiàn)設(shè)計(jì)將要求額外的焊錫，通常用絲印工藝來(lái)施用，預(yù)先回流。對(duì)于較密間距的應(yīng)用，焊錫通常在回流之前通過(guò)熱空氣均勻。熱空氣均勻法(hot air leveling)可使焊盤(pán)上的焊錫均勻分布，達(dá)到更好的熱傳導(dǎo)。這個(gè)方法也使在加熱條的壓力作用下的對(duì)位更容易保持。零件必須沒(méi)有灰塵，一般要清潔和沒(méi)有氧化。通常用助焊劑來(lái)保證清除任何氧化物障礙，以允許適當(dāng)?shù)娜蹪癜l(fā)生。

助焊劑
　　助焊劑有兩個(gè)重要特性：把熱傳導(dǎo)給焊錫和通過(guò)清潔和除掉表面氧化物來(lái)促進(jìn)表面熔濕(wetting)。對(duì)于容易焊接的零件，脈沖加熱焊接工藝只要求少量非活性的助焊劑。通常使用免洗助焊劑。推薦使用低固含量的助焊劑，因?yàn)楣腆w含量越低，熱電極的污染越少。在開(kāi)始焊接工藝之前，應(yīng)該允許任何有的溶劑干燥。

安全
　　脈沖加熱熱電極焊接工藝是安全的，因?yàn)楫?dāng)壓向零件時(shí)只有加熱單元是熱的。另外，只需要很少數(shù)量的助焊劑，比傳統(tǒng)的焊接產(chǎn)生較少的煙霧。操作員在這個(gè)期間還應(yīng)該防止碰到熱電極，也應(yīng)該防止夾住的危險(xiǎn)。

焊接方法：工藝步驟
基板放入夾具，助焊劑施加到焊盤(pán)。
電線(xiàn)定位在零件夾具內(nèi)，保證兩套焊盤(pán)的對(duì)準(zhǔn)。
給出工藝開(kāi)始信號(hào)到焊接控制器。
焊接控制器驅(qū)動(dòng)焊接頭和熱電極模塊到零件
以一個(gè)預(yù)設(shè)的壓力，開(kāi)始加熱過(guò)程。
加熱過(guò)程
預(yù)熱
　　將一個(gè)長(zhǎng)度達(dá)到2"的現(xiàn)代設(shè)計(jì)的熱電極加熱到焊接溫度需要大約兩秒鐘。在這期間，助焊劑活化，開(kāi)始通過(guò)去掉氧化層來(lái)提高熔濕。預(yù)熱只是當(dāng)過(guò)多的散熱片影響熱電極時(shí)使用，或者當(dāng)應(yīng)用了脆弱的基板如陶瓷需要以更加受控的方式加熱以避免破裂的時(shí)候。
升溫
　　升溫到焊接溫度的時(shí)間應(yīng)該可編程，以允許精確的加熱率控制。當(dāng)脆弱基板可容易地被太快的加熱率損壞時(shí)，這個(gè)特性特別有用。對(duì)于大多數(shù)熱電極一般的升溫時(shí)間為 1.5~2 秒。
回流
　　實(shí)際時(shí)間與溫度可以在這個(gè)階段編程控制。理想地，可編程時(shí)間為 0.1 秒遞增，溫度為一度的遞增。通常，對(duì)于用直接熱電極接觸到零件的開(kāi)放式焊點(diǎn)，溫度設(shè)定點(diǎn)為 280~330°C。雖然正常的焊錫在180°C回流，熱電極必須設(shè)定更高，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)損失。一個(gè)典型的單面電線(xiàn)將要求 330~400°C，由于在Kapton材料內(nèi)的溫度損失。用最少的時(shí)間和溫度來(lái)達(dá)到所希望的焊接點(diǎn)，以減少零件對(duì)熱的暴露和損壞的機(jī)會(huì)。
冷卻
　　冷卻是一個(gè)可編程溫度，在這一點(diǎn)，控制器將驅(qū)動(dòng)頭到上面的位置。這個(gè)溫度將設(shè)定到剛好在焊錫的固化溫度之下。因此，只要焊錫變成固體，過(guò)程即終止，焊點(diǎn)形成。冷卻過(guò)程可用強(qiáng)制空氣冷卻來(lái)縮短。電源供應(yīng)可編程來(lái)觸發(fā)一個(gè)繼電器，這個(gè)繼電器是控制回流階段結(jié)束時(shí)的空氣流動(dòng)和迅速冷卻焊接點(diǎn)與熱電極。因?yàn)槎鄶?shù)連接都有相對(duì)高的散熱，焊錫的溫度比測(cè)量的熱電極的溫度較低，甚至當(dāng)使用冷卻空氣時(shí)。因此，在大多數(shù)情況下，釋放溫度可以設(shè)定在180°C，而沒(méi)有機(jī)會(huì)碰到干焊點(diǎn)。

力的控制和簡(jiǎn)單系統(tǒng)的例子
　　多數(shù)這類(lèi)回流焊點(diǎn)要求少于20磅的壓力。壓力必須精確控制。應(yīng)該校準(zhǔn)，設(shè)定到正確的水平，以達(dá)到適當(dāng)?shù)臒醾鲗?dǎo)到達(dá)焊接點(diǎn)。熱電極安裝應(yīng)該包括共面性調(diào)整，或者頭本身易于安裝。現(xiàn)代設(shè)計(jì)有或者氣動(dòng)或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置，熱電極冷卻的內(nèi)置閥。許多頭結(jié)構(gòu)上是模塊式的，因此，對(duì)定位與半自動(dòng)夾具都是通用的。線(xiàn)性滑動(dòng)允許零件從焊接區(qū)域的安裝與卸裝。對(duì)于高產(chǎn)量的生產(chǎn)可能寧可使用旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)系統(tǒng)，因?yàn)椴僮鲉T可在一套零件正在焊接的同時(shí)裝載另一套零件。

質(zhì)量控制與檢查
　　當(dāng)焊點(diǎn)冷卻時(shí)維持壓力，減少干焊點(diǎn)(dry joint)的可能性。熱電極的壓印應(yīng)該在焊接點(diǎn)上看到，甚至寬度與長(zhǎng)度。視覺(jué)跡象應(yīng)該顯示回流已經(jīng)發(fā)生，當(dāng)零件撕開(kāi)時(shí)結(jié)果焊點(diǎn)應(yīng)該在焊接區(qū)域有顆粒狀外形。焊盤(pán)到板或電線(xiàn)的熔焊或脫層不應(yīng)該明顯。在使用單面電線(xiàn)的地方，在聚酰亞胺的上面可能有記號(hào)或變色，但不應(yīng)該看到燒結(jié)或分離。助焊劑殘留物可以在回流過(guò)程之后清潔。免洗、低殘留助焊劑不要求焊后清潔。
　　溫度與時(shí)間過(guò)程數(shù)據(jù)可以從控制器收集，以圖表格式顯示，以說(shuō)明過(guò)程的穩(wěn)定性。

過(guò)程維護(hù)
　　要求零件夾具清潔度的維護(hù)，以保證零件繼續(xù)平齊地坐入底座。熱電極的定期維護(hù)也是必要的，以防止烤焦的助焊劑的積累。使用助焊劑溶劑或用很細(xì)的金剛砂或研磨紙放置在平的剛性表面清洗熱電極，將維持對(duì)零件的良好的熱傳導(dǎo)。不要圓整熱電極的邊或損壞平整性。在對(duì)那些熱電極直接定位在與焊錫接觸的引腳上的焊接過(guò)程和對(duì)那些熱電極接觸Kapton表面的焊接過(guò)程的熱電極污染之間有明顯的不同。在第一種情況，污染與熱電極磨損是高得多的，清潔必須定期進(jìn)行。熱電偶節(jié)點(diǎn)連接必須保持清潔和整齊，以保證可重復(fù)的溫度控制。熱電偶類(lèi)型K與E不受助焊劑腐蝕，但J型可能被侵蝕。

結(jié)論
　　如果遵循某種基本的設(shè)計(jì)規(guī)則，將柔性電路焊接到PCB的脈沖加熱熱電極回流焊接是一個(gè)穩(wěn)定的和很好控制的工藝過(guò)程。這些規(guī)則不同于應(yīng)用于傳統(tǒng)焊接工藝的規(guī)則。通過(guò)焊點(diǎn)設(shè)計(jì)提供容易和均等的熱量產(chǎn)生，工藝窗口可以實(shí)際上更寬。窗口甚至可以通過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)增加更多，該設(shè)計(jì)接納焊錫流動(dòng)和可以補(bǔ)償在前面工藝步驟中的變化。良好的焊點(diǎn)設(shè)計(jì)和可重復(fù)的焊錫量的精密控制是生產(chǎn)成功的關(guān)鍵。對(duì)產(chǎn)品小型化和減少重量的日益增長(zhǎng)的需求是電子工業(yè)柔性電路使用增加的主要驅(qū)動(dòng)力。今天的對(duì)熱電極焊接工藝的控制為這個(gè)增長(zhǎng)市場(chǎng)的內(nèi)連接需求提供一個(gè)適于生產(chǎn)的、可靠的解決方案。