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柔性电路的脉冲加热回流焊接

ByPaulBrackell
本文介绍，零件设计与工艺过程指南。
脉冲加热回流焊接(pulse-heatedreflowsoldering)是一种工艺，将两个预先上好助焊剂的、镀锡的零件加热到足以使焊锡熔化、流动的温度，固化后，在零件与焊锡之间形成一个永久的电气机械连接。与传统的焊接相反，脉冲加热回流焊接通过对每个连接使用一个热电极加热和冷却来焊接。在整个加热、回流和冷却周期内要施加压力。脉冲加热控制将能量传送到安装在回流焊接头上的热电极。附着在热电极上的热电偶为可重复的、持续的热源控制提供反馈。焊接头将两个零件直接接触。以一个精确的压力，头发信号给控制器，开始热电极的加热循环。热电极将热传导给零件，随后的热传导将零件之间的焊锡熔化。熔化的区域开始流动，造成两群焊锡的接合。当控制器终止回流循环，在冷却循环中零件继续保持在一起，因此焊锡重新固化，形成焊点。一个好焊点应该是焊锡充分地结合两个表面，在两个零件表面发生熔湿(wetting)。
电线元件(FlexComponent)用于脉冲加热回流焊接工艺的最常见类型的电线是由聚酰亚胺(polyimide)制造的，也叫做“Kapton®”。两层聚酰亚胺包胶铜迹线(trace)-一般0.5~2盎司(ounce)。两种最常见的铜导线是轧制韧化(RA,rolledannealed)铜和电解沉淀(ED,electrodeposited)铜；电解沉淀铜最有成本效益，被广泛使用。铜迹线的厚度范围是0.0007~0.004"(0.02~0.10mm)。聚酰亚胺的可操作温度范围是130~200°C，可经受高达300°C的短期焊接温度。热电极的温度总是高于被热电极加热的零件温度。在热电极与焊点之间、横穿Kapton电线，可能发生50~80°C的温降，决定于厚度。电线(flex)的厚度范围是0.001~0.0047"(0.0254~0.12mm)。
在脉冲加热回流焊接工艺的柔性电路上使用的三种常见类型的端子设计是：
暴露引线设计(exposedleaddesign)-这种设计将聚酰亚胺材料的两面去掉，留下不绝缘的迹线。热电极直接接触迹线，将热传导给零件。如果PCB焊盘与热电极脚印尺寸正确，这种设计将容许一些多余的焊锡在焊盘上，因为焊锡可能流到开放的区域。在工艺过程中，焊锡也将熔湿迹线顶部。在处理零件时必须小心，因为迹线容易弯曲或损坏。
单面电线设计(single-sidedflexdesign)-这种设计只从一面去掉聚酰亚胺。热量从热电极通过固体聚酰亚胺表面传导到底下暴露的迹线。聚酰亚胺通过绝缘体传导热量到暴露的迹线和PCB焊盘。在焊接点区域的聚酰亚胺的厚度限制在0.002"，使得可以热传导。如果聚酰亚胺必须加热超过260°C，可能造成表面烧伤和热电极污染。这个设计不容许过多焊锡在PCB焊盘上，因为存在很少空间来过多流动。
开窗式电线设计(open-windowedflexdesign)-这种设计将焊接区域的两面的聚酰亚胺去掉，但在边缘和迹线尾端都有剩下的聚酰亚胺材料支持。该设计给予装配一定的强度，并对较生硬的处理有弹性。因为迹线暴露，对零件的热传导是良好的，有额外的空间给剩余的焊锡流动。热电极的尺寸是关键的，因为它必须适合窗口，并允许熔化的焊锡流动的空间。
电线与PCB迹线的尺寸(FlexandPCBTraceSizes)理想地，柔性电路的焊盘应该比PCB上的焊盘在宽度上更窄。随着焊锡熔化、零件压下，焊锡被挤到旁边。该设计将允许焊锡在柔性焊盘的另一面流动的空间，将容许PCB上更多的焊锡，避免锡桥问题。柔性电路上更小的焊盘宽度将帮助两个零件的定位与对中。对于密间距(finepitch)的应用，PCB迹线的宽度设计成间距的50%。这种设计减少由于不对准所造成的短路。
通用基板零件设计指南多数PCB材料诸如FR-2和FR-4对于工艺期间的局部受热是很有弹性的。象陶瓷基板这样的材料必须以一种更受控的方式来加热，以减少破裂的机会。两个零件的散热能力太大的差距也可能引起冷却期间的焊接破裂。沿焊接点长度上的散热差异是最常见的要克服的设计问题。小的差别影响也小，但沿焊接区域的任何热质量改变都将引起温度和焊接点质量的不一致。
散热、焊盘区域设计问题，解决方案热可能很容易从焊接区域传导到大的焊盘，如果位置太靠近焊接区域(图一A)。加大的迹线宽度和电镀的通孔从焊接区域吸走热量(图一B)。宽度减小的迹线就好象挡热墙，阻止焊盘的任何散热(图一C)。如果使用小迹线挡热墙，没有散热存在的有效的最小面积是0.08"(0.2mm)(图一D)。相等尺寸的小迹线作挡热墙用，保证焊接区域相同的加热。从焊盘引出的迹线应该相同的宽度，尽可能地窄(图二)。这种设计将起挡热墙的作用，防止焊接期间过多的热量从焊盘区域排走。