合肥鑫晟光電科技有限公司□彭媛媛 陳 紅 吳學(xué)咿 王 鑫 趙 濤 熊鵬輝 宋飛飛 趙凱旋 王曉磊

1 緒論

（1）背景

Hot-bar工藝即通過錫膏焊接技術(shù)將FPC和PCB相互連接，從而達(dá)到輕、薄、短、小的目的。Hot-bar工藝錫膏溫度最高達(dá)到265℃以上；Hot-bar工藝為錫膏二次加熱，適合于以下情況，如助焊劑、壓力、溫度和時(shí)間等條件無法滿足，很容易出現(xiàn)冷焊、冒錫不均勻等現(xiàn)象，從而大大降低了焊接強(qiáng)度，急需優(yōu)化工藝條件，此時(shí)即可引入Hot-bar。

（2）Hot-bar焊接的原理

PCB焊點(diǎn)印刷錫膏后過回流焊形成錫膏焊點(diǎn)，在焊點(diǎn)上涂覆助焊劑，將FPC對位到PCB上面進(jìn)行加熱壓合，見圖1。區(qū)別于傳統(tǒng)使用發(fā)熱棒的人工焊接，Hot-bar是設(shè)備提供脈沖電源，利用電流經(jīng)過壓頭治具產(chǎn)生電阻熱加熱壓頭實(shí)施焊接，在整個(gè)加熱回流和冷卻周期內(nèi)施加壓力，使得焊錫二次充分熔化，冷卻固化后形成永久的電氣連接。

圖1 Hot-bar工藝及實(shí)物圖示

（3）Hot-bar焊接工藝

Hot-bar焊接是通過控制通電加熱時(shí)間控制接入的能量，保證接頭可靠連接。那些不能使用SMT回流爐進(jìn)行焊接的器件，原本可以使用恒溫烙鐵進(jìn)行手工焊接，但是手工焊接容易出現(xiàn)焊接外觀不一致、不平整，甚至虛焊或焊壞產(chǎn)品等缺陷，且效率低下，而全自動(dòng)設(shè)備價(jià)格高昂，此時(shí)即可使用Hot-bar，其升溫、降溫快，對焊接物旁元器件無損害。

本文引入半自動(dòng)Hot-bar機(jī)臺(tái)適合于單個(gè)熱壓區(qū)壓頭連接，成本低廉、加熱加壓穩(wěn)定且人員易操作，便于日常維護(hù)，通過常規(guī)的測試監(jiān)控，可確保品質(zhì)穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率。見圖2。

圖2 雙夾具半自動(dòng)Hot-bar機(jī)

2 Hot-bar 工藝條件探究

（1）印刷工藝及監(jiān)控規(guī)范

本設(shè)計(jì)方案適用于焊接焊點(diǎn)數(shù)多達(dá)70個(gè)，焊點(diǎn)冒錫孔徑多見于0.05mm～0.3mm等常見小孔徑。Hot-bar焊點(diǎn)PAD涂覆錫膏量多少?zèng)Q定冒錫高度。要求鋼網(wǎng)開孔1：1設(shè)計(jì)，常規(guī)厚度0.08mm。傳統(tǒng)監(jiān)控模式為SPI監(jiān)控范圍為70%～180%?？赏ㄟ^管控印刷工藝穩(wěn)定性，將SPI體積、面積和高度監(jiān)控范圍縮小至90%～130%。通過100%SPI監(jiān)控錫膏爐前印刷狀態(tài)，錫膏體積波動(dòng)小，焊接時(shí)冒錫均勻。

（2）助焊劑涂覆

1）助焊劑特性：PCB與flex熱壓之前錫膏已經(jīng)經(jīng)歷過一次回流焊，印刷在PCB板上的錫膏已經(jīng)失去了原有的去氧化能力，所以在Hotbar之前要加入助焊劑去除回流焊后Hot-bar PAD上的氧化物，同時(shí)增加錫膏的熱焊接流動(dòng)活性。

2）助焊劑涂覆方式：傳統(tǒng)的涂覆方式為助焊劑手動(dòng)涂抹或者半自動(dòng)氣動(dòng)針閥式，助焊劑量大且擴(kuò)散不均勻。本方案為提高效率首次使用全自動(dòng)撞針涂覆，通過雙向兩次多點(diǎn)線性涂覆，助使焊劑潤濕擴(kuò)散均勻，所有焊點(diǎn)被全部覆蓋，涂覆狀況最佳。

（3）Hot-bar焊接條件探究

1）Hot-bar材料設(shè)計(jì)和壓頭選擇

一般來說，壓力的要求并不是特別高，在壓合過程中，壓頭下壓是為了將熔融的焊錫把FPC與PCB互相貼緊，所以設(shè)定的壓力主要看FPC是否在壓合面上有下壓的痕跡，壓合后軟板和硬板之間有錫膏充滿，軟硬板之間間隙略大于10μm即可。若PCB設(shè)計(jì)將Hot-bar Pad低于PCB阻焊面時(shí)或FPC設(shè)計(jì)將FPC表面Pad低于FPC阻焊層，則需適當(dāng)增加壓力。PCB阻焊層與PAD高度差不要超過20μm設(shè)計(jì)，一般水準(zhǔn)為5μm～15μm左右。FPC表面阻焊層與PAD高度差要求更加嚴(yán)格，一般要小于12μm。GAP越小越有利于冒錫均一性，這就要求FPC和PCB原材廠商調(diào)整制程，做常規(guī)切片進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

Hot-bar壓頭選擇同樣重要，既要完全覆蓋焊接面PAD且上下左右要預(yù)留出0.2mm以上空間，保證壓頭避開焊接面附近軟板多層區(qū)域，防止壓頭被墊起，進(jìn)而阻焊面出現(xiàn)冷焊或空焊問題。壓合前要考慮Hot-bar機(jī)臺(tái)的穩(wěn)定性，如氣缸輸出壓力下限是0.9kgf，則實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定至少為1.1kgf以上，防止氣缸臨界點(diǎn)重復(fù)性較差問題，需提前做機(jī)臺(tái)Hardware關(guān)鍵參數(shù)驗(yàn)證。

2）Hot-bar溫度、時(shí)間條件選擇

為了壓合過程中溫度更均一，升溫更快，需給機(jī)臺(tái)一個(gè)backup恒定溫度，作為溫度補(bǔ)償，起到保溫效果。理想二次回流焊曲線分為兩段三個(gè)溫區(qū)，但加熱、恒溫和回流時(shí)間相對較短，見圖3。

圖3 理想回流焊曲線

預(yù)熱區(qū)：將PCB的溫度從周圍環(huán)境溫度提升到所需的活性溫度。升溫過快會(huì)產(chǎn)生熱沖擊，升溫過慢錫膏會(huì)感溫過度，溶劑揮發(fā)不充分，影響效率。Ts1：2s～6s。

恒溫區(qū)：助焊劑活化區(qū)域，去除表面的金屬氧化層，二次熔錫。W1：180℃～190℃，Tb：4s～6s。

回流區(qū)：焊錫充分熔融，峰值溫度主要與焊錫的種類相關(guān)，一般無鉛焊錫最低溫PAD需＞240℃，Ts2：2s～6s，W2：240℃～250℃，Th：4s～6s。

冷卻區(qū)：盡可能快的速度冷卻，有助于得到明亮的焊點(diǎn)并形成好外形。緩慢冷卻會(huì)產(chǎn)生灰暗毛糙的焊點(diǎn)，引起焊點(diǎn)結(jié)合力減弱。W3：140℃～150℃，Tt：3s～6s。

3）Hot-bar溫差要求

由于線路設(shè)計(jì)的影響，Hot-bar區(qū)域每一個(gè)PAD的實(shí)測溫度都不同，接地PAD實(shí)測溫度較低，無效PAD溫度較高，溫度直接影響熔錫效果，要想保證低溫PAD的達(dá)到熔錫效果，同時(shí)高溫PAD溫度又不能過高，應(yīng)不以超過300℃為限，以免燙傷FPC。理想的溫差控制在60℃以內(nèi)。本案例35個(gè)PAD中實(shí)測最低溫度為246℃，最高溫度305℃，溫差為59℃，這就要求FPC材料的耐熱溫度在305℃以上，同時(shí)SMT廠日常監(jiān)控高低溫PAD溫度變化。

4）Hot-bar條件DOE方案設(shè)計(jì)

為了找出最佳Hot-bar條件，需設(shè)計(jì)DOE實(shí)驗(yàn)。如首次試做可進(jìn)行全因子設(shè)計(jì)，輸入變量X選擇助焊劑質(zhì)量、焊接壓力、焊接溫度和焊接時(shí)間，相應(yīng)變量Y選擇Hot-bar焊接后拉力值，拉力越大焊接效果越好，見表1。

表1 全因子DOE設(shè)計(jì)方案

本案例實(shí)驗(yàn)結(jié)論，壓力、焊接溫度、焊接時(shí)間是影響拉力的顯著因子，助焊劑質(zhì)量的影響不顯著；壓力、焊接溫度、焊接時(shí)間主效應(yīng)顯著，且焊接時(shí)間與焊接溫度存在明顯交互作用。得出Hot-bar焊接的最佳工藝條件為助焊劑0.5mg，壓力1.3kgf，焊接溫度245℃，焊接時(shí)間5s。

3 Hot-bar 焊接質(zhì)量分析

（1）Hot-bar制程品質(zhì)管理

為了確保量產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定，對設(shè)備穩(wěn)定性點(diǎn)檢非常重要，如班別進(jìn)行設(shè)備溫度曲線量測、壓力測試、平整度、位置度測試并記錄，以便異常時(shí)追溯。IPQC增加關(guān)鍵CTQ過程品質(zhì)監(jiān)控項(xiàng)目，見表2。

表2 過CTQ管控項(xiàng)目

（2）Hot-bar失效類型及原因探究

1）橋接：當(dāng)錫膏量過多，F(xiàn)PC材料油墨厚度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，焊錫溢出不均一，會(huì)流出PAD區(qū)域?qū)е翽AD之間連錫，形成短路不良。需排查錫膏量和FPC材料油墨厚度。

2）空焊：錫膏過少或壓力過小導(dǎo)致孔內(nèi)錫膏未完全熔融在一起，形成開路，見圖4。主要排查錫膏印刷量和是否有有效壓力。

圖4 空焊無冒錫

3）冷焊：焊點(diǎn)表面呈現(xiàn)灰暗色，表面不圓潤呈顆粒狀，橫向切片可見孔內(nèi)錫膏為凸起倒U形；正常品為錫膏四周掛壁呈現(xiàn)凹陷正U形，見圖5。溫度過低、恒溫和回流時(shí)間過短、助焊劑過少等易造成冷焊。

圖5 孔內(nèi)錫膏凸起vs凹陷掛壁

4）少錫：孔內(nèi)冒錫不足，冒錫高度不夠，需排查錫膏量、有效壓力、FPC&PCB材料阻焊油墨厚度是否均勻。

5）錫裂開路：軟硬結(jié)合底部GAP過大，易造成錫裂，形成類似虛焊的Open不良。需做充分DOE實(shí)驗(yàn)。

6）FPC表面燙傷：FPC表面有明顯的發(fā)白氣泡，需排查FPC材料是否受潮或者高溫PAD溫度是否超標(biāo)。

4 總結(jié)與展望

本論文詳細(xì)闡述Hot-bar基本工藝原理，結(jié)合半自動(dòng)設(shè)備應(yīng)用特點(diǎn)，對熱焊接工藝中的設(shè)備治具、材料設(shè)計(jì)和工藝條件等多方面影響因素進(jìn)行詳細(xì)梳理。輸出DOE實(shí)驗(yàn)方案和品質(zhì)精益管理經(jīng)驗(yàn)，較易形成標(biāo)準(zhǔn)化文件。對Hotbar常見不良失效模式研究，可有效預(yù)防批量性不良，具有較強(qiáng)的水平展開性，大幅提升產(chǎn)品競爭力。

Hot-bar工藝具有生產(chǎn)效率高、成本低、節(jié)省材料、易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，是重要的焊接工藝之一。對工藝管理和失效模式的探究，為之后相關(guān)制程提供了經(jīng)驗(yàn)與方向，有著普適性和前沿性。