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        瓷介電容回流焊端頭脫裂問題探討

        2021-09-19 06:15:58郭艷輝楊寶山周成龍李子森
        新技術(shù)新工藝 2021年8期
        關(guān)鍵詞:回流焊焊料端頭

        郭艷輝,楊寶山,周成龍,李子森

        (中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所 電磁兼容室,北京 100089)

        1 問題描述

        回流焊是SMT特有的核心工藝,也是目前最流行和最常用的批量生產(chǎn)焊接技術(shù),它是一種自動群焊過程,焊點(diǎn)的焊接在短短幾分鐘內(nèi)一次完成,其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性[1-2]。筆者單位多年來從事電源濾波器產(chǎn)品的研制和生產(chǎn),某款電源濾波器的生產(chǎn)所用的貼片瓷介電容采用回流焊焊接,按照正常的回流焊工藝生產(chǎn),一直未發(fā)生過質(zhì)量問題,但在最近一個批次的生產(chǎn)中,回流焊接結(jié)束后,發(fā)現(xiàn)電路板上的電容端頭出現(xiàn)裂紋,嚴(yán)重的甚至端頭脫裂(見圖1),而且電路板上不同型號規(guī)格的電容都出現(xiàn)了裂紋。

        圖1 電容脫落

        一些未發(fā)現(xiàn)裂紋的電路板,在耐壓和絕緣阻抗測試時,出現(xiàn)了耐壓和絕緣阻抗報警,顯示電容失效,使用熱風(fēng)槍將電容由PCB板卸下后,用10倍放大鏡觀察,電容陶瓷體的外觀也有裂紋或端頭脫落現(xiàn)象(見圖2)。由于電容端頭脫裂的電路板占了批次產(chǎn)量的近1/4,也是首次出現(xiàn)電容端頭脫裂的批次問題,需要找出問題的根本原因,改進(jìn)措施,杜絕類似問題再次發(fā)生。

        圖2 電容脫裂

        2 問題分析

        貼片瓷介電容端頭脫裂,本質(zhì)上是因?yàn)槎祟^所受機(jī)械應(yīng)力損傷所致[3-5],其所受機(jī)械應(yīng)力損傷的故障樹如圖3所示。從故障樹中可以看出,電容端頭脫裂所受的機(jī)械應(yīng)力損傷,來自于3方面的因素:一是回流焊工藝,焊接工藝的焊料、傳送速度、焊接時間和溫度都會影響焊錫的固化,從而影響到端頭與電路板連接的強(qiáng)度;二是回流焊后的裁板,PCB所受的折彎應(yīng)力;三是電容、電路板等相關(guān)物料的變化或質(zhì)量造成的應(yīng)力受損。

        圖3 瓷介電容回流焊端頭脫裂故障樹分析

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        針對圖3故障樹分析的各個因素逐一分析,進(jìn)行驗(yàn)證排查,定位具體原因。

        3.1 回流焊工藝分析

        回流焊機(jī)的參數(shù)設(shè)置是否合理關(guān)系著焊接質(zhì)量的好壞。焊接工藝最重要的就是焊料量、焊接時間和焊接溫度的設(shè)置。焊料量對回流焊的影響很大,如果焊料過多,焊料冷卻固化產(chǎn)生的收縮力作用于電容器,容易造成電容端頭拉裂,如果焊料過少,則電容端頭固著力不足,電容也容易脫落,同時應(yīng)盡可能縮短焊接熔融時間以避免損壞元器件。

        檢查該產(chǎn)品回流焊的工藝設(shè)置,與之前生產(chǎn)批次的設(shè)置相同。具體為預(yù)熱段把室溫的PCB板加熱到特定的溫度190~200 ℃,然后在保溫區(qū)將溫度升到焊錫膏熔點(diǎn)的區(qū)域210~230 ℃,在焊接區(qū),焊料與元器件緊密結(jié)合,此區(qū)間溫度為250 ℃,在冷卻區(qū),將已經(jīng)充分熔化的錫膏盡可能地迅速冷卻。涂焊錫膏有專人操作,錫膏量可控。整個流程均按照正常設(shè)定溫度曲線進(jìn)行焊接,傳送速度和焊接時間合理,因回流焊工藝不合理導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力受損因素基本排除。

        3.2 PCB裁板產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力分析

        該產(chǎn)品在回流焊接時,是36連板設(shè)計,焊接完成后再裁剪成36塊小電路板,裁板方式為機(jī)器分板,人員操作機(jī)器完成,若在裁剪過程中產(chǎn)生線路板彎曲,過度的折彎應(yīng)力(見圖4)就會引起電路板上電容缺口或開裂,因無法排除裁板的機(jī)械應(yīng)力影響,需要做整板分成小板的分割裁板試驗(yàn),進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

        圖4 電容所受折彎應(yīng)力示意圖

        3.3 物料分析

        物料的變化因素是最復(fù)雜的,細(xì)微的改動也許就會影響回流焊的結(jié)果,該產(chǎn)品所用物料主要有電容、焊錫膏和PCB板。核查該產(chǎn)品的工藝文件及物料,電容的型號和供應(yīng)商均未變,電容入廠檢驗(yàn)合格,只是本批次電容端頭的可焊性未知,需做試驗(yàn)深入分析,回流焊所用焊錫膏未發(fā)生變化,電路板外形改變了。

        PCB板的材料、厚度、尺寸、板上器件密度、焊盤等參數(shù)都可能影響回流焊效果[6-10],PCB板的尺寸為13 mm×13 mm,板厚0.5 mm,未發(fā)生變化,但是設(shè)計人員為生產(chǎn)時灌封方便,在電路板中間增加了一個開孔,其大小為2 mm×7 mm,這是變動較大的地方,開孔對電路板的強(qiáng)度會有一定影響。本批次電路板與原批次電路板對比圖如圖5所示。

        圖5 本批次電路板與原批次電路板對比圖

        為了進(jìn)一步分析3.2所述“機(jī)器裁板”和3.3所述“電容可焊性以及電路板有無開孔的強(qiáng)度變化”,筆者開展了如下對比試驗(yàn)。

        為了驗(yàn)證電容的可焊性,選用了相同封裝、不同廠家的電容進(jìn)行了回流焊,試驗(yàn)結(jié)果見表1。不同廠家的電容,在有開孔的電路板上回流焊,均出現(xiàn)了電容端頭脫裂的問題。

        表1 廠家不同、封裝相同的電容在有開孔電路板上的回流焊結(jié)果

        從表1也可以看出,在有開孔的大拼接板上,2個廠家的電容均出現(xiàn)端頭脫裂,為了驗(yàn)證電路板有無開孔對電路板強(qiáng)度的影響,仍然選用A、B兩個廠家的電容,在無開孔的電路板上回流焊接,試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明,36只小電路板完好,板上A、B兩個廠家的電容都未出現(xiàn)損壞。

        表2 廠家不同、封裝相同的電容在無孔電路板上的回流焊結(jié)果

        分析表1和表2的結(jié)果,可以得出如下結(jié)論。

        1)不同廠家的電容在同一種電路板上回流焊,都出現(xiàn)了電容脫裂,可基本排除本批次所用電容質(zhì)量及可焊性因素。

        2)從機(jī)器裁板過程看,分板環(huán)節(jié)未新增壞的電路板。可認(rèn)為機(jī)器裁剪操作規(guī)范,分割PCB線路板產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力對電路板上的器件影響不大。

        3)電容端頭脫裂主要因素是物料的變化所致。本批次的電路板與以往有所改變,板內(nèi)增加了開孔,這對電路板強(qiáng)度造成了影響,開過孔的電路板在高溫情況下會變形,冷卻回縮時整個電路板的收縮率不一致,造成了電容兩端所受機(jī)械應(yīng)力不同,導(dǎo)致端頭致焊點(diǎn)開裂、電容失效。

        4 結(jié)語

        電容是關(guān)系到電源濾波器安全指標(biāo)的重要元件,電容回流焊工藝也是一項(xiàng)系統(tǒng)的研究,每一種焊接質(zhì)量的缺陷,其產(chǎn)生的原因很多,任何一個材料特性的改變或工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng),都有可能造成潛在的焊接質(zhì)量缺陷。本文從瓷介電容回流焊接端頭脫裂入手,分析了回流焊工藝、裁剪應(yīng)力、相關(guān)物料對電容端頭脫裂的影響,并通過試驗(yàn)將故障定位在PCB板開孔。為避免類似問題發(fā)生,產(chǎn)品部重新改進(jìn)了電路板,取消了板內(nèi)的開孔,并且將PCB板增厚到1.0 mm,提高了PCB板的強(qiáng)度,后續(xù)該產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定,未再出現(xiàn)該問題。因此在實(shí)際生產(chǎn)中,需要具體問題具體分析,不斷改進(jìn)完善回流焊接工藝,從而提高回流焊接質(zhì)量,提高電子產(chǎn)品的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量。

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