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(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(dòng)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(gè)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(hào)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(cè)試時(shí)，出現(xiàn)了耐壓和絕緣阻抗報(bào)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(shí)間和溫度都會(huì)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(duì)圖3故障樹分析的各個(gè)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(shí)間和焊接溫度的設(shè)置。焊料量對(duì)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(shí)應(yīng)盡可能縮短焊接熔融時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)，是36連板設(shè)計(jì)，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(huì)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(dòng)也許就會(huì)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(hào)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(jì)人員為生產(chǎn)時(shí)灌封方便，在電路板中間增加了一個(gè)開孔，其大小為2 mm×7 mm，這是變動(dòng)較大的地方，開孔對(duì)電路板的強(qiáng)度會(huì)有一定影響。本批次電路板與原批次電路板對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 本批次電路板與原批次電路板對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)電路板強(qiáng)度的影響，仍然選用A、B兩個(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(huì)變形，冷卻回縮時(shí)整個(gè)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(gè)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(duì)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。