無 Bridges 的選擇性波峰焊：真正有效的孔設計

選擇性焊接常被視為工藝控制問題。當相鄰引腳之間出現橋接時，第一反應通常是調整停留時間、微調助焊劑或降低焊錫池的溫度。儘管這些變數很重要，它們的操作受早期設定的限制：通孔本身的幾何形狀。如果孔設計不當，任何工藝優化都無法可靠地防止橋接。焊錫會在焊盤之間找到一條路，因為這樣的物理設計使得這條路必然存在。

我們經常看到這種情況。一塊帶有高引腳數的連接器板進行選擇性焊接時，即使工藝工程得當，橋接仍在每一次運行中形成。根本原因不在機器或操作員，而是完工孔的尺寸是0.08mm而非0.20mm的餘量，一個直指相鄰焊盤的熱緩解，或者迫使噴嘴入角不佳的禁入規則。這些都是設計決策，決定了板子是順利通過生產還是陷入返工。

本文將解釋原因。我們將探討橋接形成的物理原理並推導出防止它們的孔幾何規則，重點在於真正重要的設計選擇：引線與孔的間隙、熱緩解的取向、噴嘴通道，以及高熱質量元件的策略。這些並非任意的指導方針；而是焊錫在燒桶中行為的機械和熱物理實現。

為何選擇性錫膏橋形成

焊橋並非隨機缺陷。它是焊錫在兩點之間建立連續路徑的可預測結果，這兩點必須保持隔離。在選擇性焊接中，當兩個相鄰通孔的焊錫接觸時——無論是在板的頂部表面或是通孔內——都會發生這種情況。

毛細作用的角色

當噴嘴向通孔施加熔化的焊錫時，焊錫不僅在表面聚集。它還通過毛細作用沿通孔升起，受到表面張力與焊錫與銅通壁之間的濕潤力的拉引，逆重力向上升。

這種毛細上升的高度取決於元件引腳與通孔壁之間的環形間隙。狹窄的間隙會產生較強的毛細力，迅速將焊錫拉高；較寬的間隙則產生較弱的力，焊錫可能停滯，留下空洞。問題在於通孔並非空管，其中含有引腳。如果間隙過小，通孔內的焊錫就會超過焊點所需的量，過多的焊錫無處可去，只能溢出來，擴散在頂側焊盤上。

這種溢出在焊盤邊緣形成一個嘴鬚狀。若兩個相鄰的焊盤都存在多餘的焊錫，它們的嘴鬚就會接觸。在那瞬間，表面張力會將這兩個焊錫池拉成一體，形成橋接。

當相鄰的桶合為一體時

關鍵變數是引腳的距離——引腳之間的中心到中心距離。在標準的2.54mm間距並具有適當孔徑的情況下，焊盤之間有足夠的空間來保持液面分離。在1.27mm間距且孔隙不當的情況下，這個誤差範圍將消失。

這種相互作用既是幾何的，也是熱力學的。共享平面上的兩個相鄰焊盤形成一個連續的銅導熱路徑。如果噴嘴停留在其中一個焊盤上，並立即移動到下一個焊盤，第一個焊盤仍在熔融狀態。第二個焊盤的焊錫可以通過銅路向第一個焊盤滲透，尤其是在缺少熱緩解或緊向不良的情況下。

橋樑之所以形成，是因為邊界條件允許它們。焊料只是遵循物理法則，通過形成最小的表面積來降低表面能。對於兩個靠得很近、過度填充的焊盤，這意味著共享一個質量。解決方案不是用工藝技巧來抗拒這一行為，而是設計邊界條件，從根本上防止它的發生。

防止橋接的引線孔清除

選擇性焊接中最關鍵的設計參數是元件引腳與成品孔之間的直徑間隙。這個間隙決定了進入焊管的焊料體積、毛細作用的強度，以及多餘焊料是否溢出到頂部表面。如果弄錯了，幾乎一定會形成橋接。

理想間隙：0.15mm 至 0.25mm

對於選擇性焊接，直徑間隙的功能範圍是一個狹窄的窗口：0.15mm 到 0.25mm。這比波峰焊的典型範圍寬得多，波峰焊可以容忍0.40mm或更大。差異在於應用方式。波峰焊從下面用高動能淹沒焊管，而選擇性噴嘴則局部施焊，力度遠小。焊管本身必須做更多工作來將焊料向上吸引。

• 低於0.15mm： 焊管過緊。狹窄的環形間隙產生強大的毛細力，將過多的焊料拉入焊點。焊管過度填充，焊料傳播到頂部焊盤，橋接的可能性增加。
• 高於0.25mm： 焊管過鬆。毛細力變弱，焊料可能無法完全升至頂端，留下一個空隙或冷焊。這在高可靠性應用中是不能接受的。

0.15mm 到 0.25mm 的範圍是最佳點，毛細作用既能可靠填充焊管，又不會過度填充。焊料濕潤焊盤和引腳，形成受控的焊點角度，而不會超出焊盤邊界。

計算成品孔徑

成品孔徑是直徑 在 電鍍層的直徑，而非鑽孔尺寸。計算時，從元件資料表中取最大引腳直徑，並加入期望間隙（通常以0.20mm作為名義值）。這就是你的成品孔徑。

要找到鑽孔尺寸，須減去兩倍的電鍍層厚度。對於具有25微米（0.025mm）銅鍍層的標準電路板，減去0.05mm。例如，一個0.64mm的方形引腳對角線約為0.90mm。若間隙為0.20mm，它需要一個1.10mm的成品孔，這需要用1.05mm的鑽頭。

這種精度需要與製造商協調，確保鍍層厚度受到控制且成品孔尺寸得到驗證。同時，您還需準確知道元件引腳直徑。雖然如IPC-7251這樣的一般指南存在，但它是為波峰焊而寫，重點在於插入的便利性。對於選擇性焊接，焊料用量的控制至關重要。公差必須更緊，且必須堅持。

熱緩解與焊錫流動控制

熱緩解因降低平面的熱陷效應而聞名，但它們在選擇性焊接中的作用更為複雜。它們還控制焊料流動的方向和對稱性。熱緩解的辐条是熱和熔融焊料的優先路徑。它們的設計決定焊料是否均勻流動或集中在產生橋接的方向上。

辐条數量與寬度

四辐條緩解比兩辐條設計更均勻地分散熱量，但如果辐條過寬，可能會作為焊料向外滲透的通道。0.30mm或更小的辐條寬度提供良好的熱絕緣而不產生顯著的焊料流動路徑。當寬度達到0.50mm或以上時，辐條開始像是焊盤的延伸。對於需要寬辐條的高電流應用，其方向變得至關重要。

在某些高功率設計中，熱緩解根本無法使用。對於這些直接平面連接，孔徑空隙變得更加關鍵，且過程必須通過延長預熱來彌補。橋接的風險更高，因為焊盤與鄰近焊盤在熱上相連，形成連續的熱區。

最小化橋路徑的方向

如果兩個相鄰焊盤的雙辐條緩解直接面向彼此，則你已經建立了一條熱與流體的高速公路，橋接就會沿著辐条流動，並在焊盤之間的空間會合。

解決方案很簡單：旋轉緩解。

• 對於 雙辐條緩解，使辐条垂直於引腳行排列。
• 對於 四辐條緩解，使辐条與引腳行成45度角。

這樣可確保沒有辐条直接指向相鄰的焊盤，創造更對稱的熱環境。在1.27mm腳距的連接器上，將不對齊的緩解旋轉90度即可消除橋接，而無需改變其他參數。

噴嘴和托盤通道的禁入規則

選擇性焊接是一個物理過程。噴嘴必須位於電路板下方，且托盤必須支撐該電路板而不阻礙噴嘴路徑。如果布局忽略了這些空間需求，過程在開始之前就會失敗。

噴嘴的水平通道

焊接噴嘴的物理直徑通常為4mm到8mm。它需要在目標焊盤周圍留出徑向空間，以避免與相鄰元件碰撞。經驗法則是，6mm的噴嘴需要從焊盤中心到任何附近元件邊緣的保持距離約為5mm。

這比許多設計師預期的佈局面積更大，尤於密集的電路板上。雖然大多數機器允許噴嘴以角度接近來降低此要求，但傾斜接近會造成非對稱加熱，可能需要較長的維持時間。始終偏好直立進行的空間較充裕。位於電路板邊緣的連接器常是挑戰，因為噴嘴不能超出電路板邊界。這一限制在佈局時必須認識到，不能在工藝開發時才發現。

垂直空間與元件高度

噴嘴還必須從板底升起，以濕潤焊點。靠近目標焊盤的高元件可能會物理阻礙噴嘴。這個Z軸空間問題需要一個垂直保留區。高度超過噴嘴工作高度的元件不應放置在選擇性焊點的水平空間範圍內。這是一個涉及機械、佈局和工藝工程的3D設計問題，通常由人工檢查或使用自訂設計規則腳本來確認。

高質量連接器的設計策略

高腳數連接器是選擇性焊接的理想應用，因為它們通常無法經受重熔。它們也是最難焊接的，因為它們具有高熱質。大型金屬殼和密集的腳陣列作為巨大的散熱器，將能量快速從焊點吸走，快過噴嘴供應的速度。

為何熱質會阻礙良好潤濕

具有高熱質量的連接器會吸收大量能量。在焊接過程中，噴嘴局部加熱，但熱量會立即傳導到連接器本體和所有連接的銅層。焊料從未達到其理想的濕潤溫度，或者僅短暫達到。結果就會產生冷焊或部分填充。一個常見的工藝錯誤是通過延長保持時間來補救，這樣會造成焊料過多而溢出並形成橋接。

設計方案是盡可能熱隔離焊點。這意味著使用帶有最薄導線的熱緩解結構，仍能傳導所需的電流。另一個選擇是在連接器底部的平面中局部切割出足夠大的割口，在焊接時打破熱連接，同時維持整體平面完整性。

腳柱長度和焊料量

延伸出板面以上的腳柱長度也會影響焊料的體積。較長的腳柱會增加必須填滿的總管長度。如果孔徑已經很緊，長腳柱很容易導致溢出。

對於選擇性焊接，腳柱應修剪到便於檢查的最小長度，通常是0.50mm至1.50mm。較長的腳柱對焊點強度沒有額外價值，只會增加缺陷的風險。如果元件配備長引腳，應該在插入前或插入後修剪。這個額外步驟的成本微不足道，遠低於重工百腳連接器橋接的費用。

為工藝容差而設計

本文中的規則不是偏好，而是可靠選擇性焊接工藝的物理要求。一個具有0.20mm腳到孔間隙、正確方向的熱緩解，以及充足噴嘴空間的板子，將能以最少調整進行乾淨焊接。忽略這些基本規則的板子將會遇到困難，不管工藝工程師多麼熟練。

為製造友善設計的目標是创造裕度，讓工藝或元件的輕微變化不會導致失敗。嚴格的間隙和糟糕的熱設計會消除這個裕度，要求達到不可能持續的完美水平，這並不是一個可持續的製造策略。

這些關鍵決策是在佈局階段做出的，往往未能充分理解其下游後果。一個預生產的設計審查能在簡單的CAD修正中發現保持空間違規或孔徑不足的問題。生產後，修正的方法則是重新製作電路板或進行昂貴且不可靠的工藝替代方案。

為了使選擇性焊接正常運作，檢查清單簡短但不可討價還價。確保腳到孔間隙在0.15mm到0.25mm之間。將熱緩解方向遠離相鄰焊盤。提供至少5mm的徑向空間供噴嘴使用。將高質量連接器隔熱。並確保腳柱長度少於1.50mm。這些規則將一個成功的產品與生產惡夢區分開來。