瓷介電容回流焊端頭脫裂問題探討

郭艷輝，楊寶山，周成龍，李子森

(中國兵器工業新技術推廣研究所 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焊接技術，它是一種自動群焊過程，焊點的焊接在短短幾分鐘內一次完成，其焊接質量的優劣直接影響到產品的質量和可靠性[1-2]。筆者單位多年來從事電源濾波器產品的研制和生產，某款電源濾波器的生產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，一直未發生過質量問題，但在最近一個批次的生產中，回流焊接結束后，發現電路板上的電容端頭出現裂紋，嚴重的甚至端頭脫裂(見圖1)，而且電路板上不同型號規格的電容都出現了裂紋。

圖1 電容脫落

一些未發現裂紋的電路板，在耐壓和絕緣阻抗測試時，出現了耐壓和絕緣阻抗報警，顯示電容失效，使用熱風槍將電容由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象(見圖2)。由于電容端頭脫裂的電路板占了批次產量的近1/4，也是首次出現電容端頭脫裂的批次問題，需要找出問題的根本原因，改進措施，杜絕類似問題再次發生。

圖2 電容脫裂

2 問題分析

貼片瓷介電容端頭脫裂，本質上是因為端頭所受機械應力損傷所致[3-5]，其所受機械應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械應力損傷，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度；二是回流焊后的裁板，PCB所受的折彎應力；三是電容、電路板等相關物料的變化或質量造成的應力受損。

圖3 瓷介電容回流焊端頭脫裂故障樹分析

3 試驗驗證

針對圖3故障樹分析的各個因素逐一分析，進行驗證排查，定位具體原因。

3.1 回流焊工藝分析

回流焊機的參數設置是否合理關系著焊接質量的好壞。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，同時應盡可能縮短焊接熔融時間以避免損壞元器件。

檢查該產品回流焊的工藝設置，與之前生產批次的設置相同。具體為預熱段把室溫的PCB板加熱到特定的溫度190～200 ℃，然后在保溫區將溫度升到焊錫膏熔點的區域210～230 ℃，在焊接區，焊料與元器件緊密結合，此區間溫度為250 ℃，在冷卻區，將已經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定溫度曲線進行焊接，傳送速度和焊接時間合理，因回流焊工藝不合理導致的機械應力受損因素基本排除。

3.2 PCB裁板產生的機械應力分析

該產品在回流焊接時，是36連板設計，焊接完成后再裁剪成36塊小電路板，裁板方式為機器分板，人員操作機器完成，若在裁剪過程中產生線路板彎曲，過度的折彎應力(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械應力影響，需要做整板分成小板的分割裁板試驗，進一步分析驗證。

圖4 電容所受折彎應力示意圖

3.3 物料分析

物料的變化因素是最復雜的，細微的改動也許就會影響回流焊的結果，該產品所用物料主要有電容、焊錫膏和PCB板。核查該產品的工藝文件及物料，電容的型號和供應商均未變，電容入廠檢驗合格，只是本批次電容端頭的可焊性未知，需做試驗深入分析，回流焊所用焊錫膏未發生變化，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，未發生變化，但是設計人員為生產時灌封方便，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

為了進一步分析3.2所述“機器裁板”和3.3所述“電容可焊性以及電路板有無開孔的強度變化”，筆者開展了如下對比試驗。

為了驗證電容的可焊性，選用了相同封裝、不同廠家的電容進行了回流焊，試驗結果見表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端頭脫裂，為了驗證電路板有無開孔對電路板強度的影響，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，試驗結果見表2。結果表明，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果

分析表1和表2的結果，可以得出如下結論。

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

2)從機器裁板過程看，分板環節未新增壞的電路板。可認為機器裁剪操作規范，分割PCB線路板產生的機械應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，板內增加了開孔，這對電路板強度造成了影響，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械應力不同，導致端頭致焊點開裂、電容失效。

4 結語

電容是關系到電源濾波器安全指標的重要元件，電容回流焊工藝也是一項系統的研究，每一種焊接質量的缺陷，其產生的原因很多，任何一個材料特性的改變或工藝參數設置不當，都有可能造成潛在的焊接質量缺陷。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、裁剪應力、相關物料對電容端頭脫裂的影響，并通過試驗將故障定位在PCB板開孔。為避免類似問題發生，產品部重新改進了電路板，取消了板內的開孔，并且將PCB板增厚到1.0 mm，提高了PCB板的強度，后續該產品的生產質量穩定，未再出現該問題。因此在實際生產中，需要具體問題具體分析，不斷改進完善回流焊接工藝，從而提高回流焊接質量，提高電子產品的可靠性和產品質量。