鍍金工藝多腳位連接器波峰焊接可靠性研究

翟浩春 古湘龍 湯龍

摘 要：2021年A公司GMV多聯機主控制器在實際生產組裝過程中，使用甲公司鍍金排針，大量鍍金排針在波峰焊接過程出現批量浮高，浮高率達到30%。在同條件生產環境下，切換使用乙廠家物料生產使用故障消失。在經過大量的數據統計分析，對鍍金排針浮高原因及異常失效機理分析并實際生產對比驗證，確認是排針焊接性能差，鍍金層表面存在氧化，在波峰焊接過程中焊接拒錫且同時受到波峰焊波峰上涌力的作用導致器件整體浮高。分析結果表明：在鍍金排針生產加工過程中極容易對鍍金鍍層產生損傷，不恰當的加工工藝會加劇鍍金工藝的氧化，同時鍍金層鍍層質量同樣決定排針焊接質量水平，經過對加工工藝流程的優化和鍍金鍍層質量的提升，經實際驗證可以大幅度提高鍍金針座的焊接質量及整體焊接可靠性。

關鍵詞：鍍金；連接器（排針）；波峰焊；焊接質量

1 引言

排針，連接器的一種，英文名稱：Pin Header，這種連接器廣泛應用于電子、電器、儀表中的PCB電路板中，其作用是在電路內被阻斷處或孤立不通的電路之間，起到了橋梁的功能，擔負起電流或信號傳輸的任務。通常與排母配套使用，構成板對板連接；或與電子線束端子配套使用，構成板對線的連接；亦可獨立用于板與板的連接。

鍍金層外觀為金黃色，具有很高的化學穩定性，金的原子價為一價和三價。一價金的標準電位Φ°+ Au/Au為+1.68 V，三價金的標準電位Φ°+ Au3/Au為+1.50 V。 對鋼、銅、銀及其合金基體而言，金鍍層為陰極性鍍層，鍍層的孔隙影響其防護性能。鍍金層延展性好、易拋光、耐高溫，具有良好的抗變色性能，同時鍍金具有較低的接觸電阻、導電性能良好、易于焊接、耐腐蝕性強，并具有一定的耐磨性，因此早精密儀器儀表、印制電路板、集成電路、管殼電接點等方面有著廣泛的應用。

2 異常原因及失效機理分析

連接器的基底材料是銅合金，表面鍍層是金及合金，這是因為全是惰性金屬，且電導率低，與基體材料有良好的附著性，保護基體材料不被腐蝕，且電阻率性能優越。此處涉及甲乙兩款工藝產品均為銅+鎳+金鍍層結構。

在同條件生產環境下同時使用甲乙兩個廠家制品，僅甲廠家出現浮高異常。

2.1 設備

排查波峰焊助焊劑噴霧速率無異常。排查錫爐高度無異常，波峰高度無異常，浸錫時間無異常，數據調試匹配值較好。波峰焊運輸鏈條平穩，未發現異常抖動，運輸鏈速符合工藝文件要求。上線驗證未發現排針未插裝到位的情況，排查設備原因后故障未消失，設備制程影響非導致器件批量浮高的關鍵因素。

2.2 PCB板孔徑

對該款針座使用PCB板共兩款，此處鉆孔為正常圓形孔，A款圖紙要求開孔為1.00 mm，B款圖紙要求開孔直徑為0.90 mm。而排針針芯尺寸為0.64±0.05 mm，使用板子孔徑都達到了0.96 mm以上，兩端針芯和PCB孔位未做結構收縮處理，理論上孔徑過大會加劇元器件波峰焊接異常浮高，實際生產過程中甲廠家針座在AB兩款PCB板均出現浮高異常，乙廠家針座在AB兩款PCB板板生產過程均未出現浮高異常，經對比分析孔徑非此次浮高異常的關鍵影響因素。

2.3 針座結構差異

通過對比甲乙兩廠家排針重量，發現兩款排針重量接近，無明顯異常。

通過對比甲乙兩廠家結構發現，兩款排針底部針槽開口尺寸存在差異，甲廠家開口尺寸相較于乙廠家開口尺寸更大，在波峰焊接過程中，其波峰上涌熱量影響時間更長，經試驗對比發現，同條件進行波峰焊接，甲廠家針芯滑針情況更嚴重（針芯受熱注塑件熱脹冷縮，兩者保持力下降出現滑針）各抽取10 pcs異常批次波峰焊接后測試針芯保持力，均符合標準要求，故障排針浮高為整體浮高，通過對上錫異常品進行金相分析，未發現出現受熱滑針出現的長短針問題，分析此項非關鍵影響原因。數據如下：

端子與塑殼之間保持力推力速度約為25 mm/min， 測試時力從上往下推（下圖所示方向），施加PH2.54≥ 800 g/pin.，力不允許發生位移。

通過對兩款針座和注塑件材料進行測試，發現甲乙廠家注塑件材質無差異（均為PBT）。測試設備：傅里葉紅外光譜儀

通過各抽取20 pcs甲乙兩廠家物料進行可焊性實驗，實驗后乙廠家制品上錫質量均無異常，甲廠家物料存在2 pcs上錫異常（潤濕較差，存在明顯拒錫區域，上錫不良）

可焊性條件：錫爐溫度：250 C°、上錫時間：2S、助焊劑廠家：同某進口成熟廠家品牌 。未避免受焊接溫度及焊接時長影響實驗結果，調整260 C°，過爐4S（模擬波峰焊接條件），試驗后故障批次仍發現2 pcs上錫不良異常品。

放大鏡下查看甲廠家上錫不良樣品頂部針芯位置顏色相較于正常品偏深，初步分析鍍層存在氧化污染，對未上線異常批次制品進行排查，發現同樣存在鍍層損傷的情況。因此分析波峰焊接據錫引起排針浮高。

分析結論：屬甲廠家排針鍍金層存在氧化污染且存在鍍層脫落現象，波峰焊接過程出現據錫引起排針整體浮高。

為進一步了解現象差異原因，組織對比甲乙兩個鍍層情況，鍍金厚度測試（鍍金要求為：≥0.5 μ，Fischer scope XRAY XULM XYm），經鍍層對比情況如下：

甲廠家測試情況（鍍層情況銅基底+鎳+金）：

經過測試數據比對發現，甲廠家鎳鍍層厚度要明顯高于乙廠家，兩者相差近80 um，經了解鍍鎳層過厚在特定情況下會使鍍層的應力表現更為突出，使鍍層變脆，結合力降低，在加工和使用過程中容易出現鍍層脫落的現象。

結論：經過全流程人機料法環相關影響因素實驗分析，針芯氧化和金層鍍層脫落，是導致排針整體可焊性不佳從而引起針座浮高的主要原因。

3 排針波峰焊浮高解決方案

針對排針氧化問題解決方案：優化生產流程，過程生產注意避免排針引腳受氧化污染。在驗收供應商質量整改過程中了解該批排針屬于冬季生產制品，由于生產訂單交付周期緊急，注塑件在注塑成型當天就安排了壓針，為防止注塑件出現開裂和脆斷，臨時對排針進行了加熱加濕處理，由于此款排針塑殼材質屬于PBT（含玻纖）材料，其具有較低的吸濕性，加濕處理后按PA66材料同工藝處理，即離心機脫水處理塑殼表面會存在部分殘留水分，由于PBT的低吸濕特性，以致表面的水分不能吸收，在尼龍包裝袋內形成水霧狀，增加了袋內的濕度而導致銅針氧化反應，影響產品的可焊性。針對此類現象，需從生產工藝方面出發，禁止PBT材料按尼龍材料方案進行加熱加濕處理，注塑后的產品須存放3天以上，讓其釋放應力后再進行壓針組裝，防止產品出現開裂和脆斷的現象發生，同時輸出指導生產和監督文件，強化生產過程監督；出貨方面加強對銅針外觀、可焊性和耐鹽霧性測試，以避免批量異常。

針對塑殼壓接開裂問題從設備方面進行優化，現有的油壓注塑機參數公差范圍大，注塑時間長、壓力大，產品易變形且應力較強，所以造成過盈壓接脆裂。為了解決注塑問題，通過購置電動注塑機，其參數精度高，注塑成型時間短，應力小，以改善PBT材質的注塑應力問題。

同時針對過程明確加濕工藝要求，針對低吸濕性材料，內部杜絕采取加濕方式預防脆裂，內部針對已完成內部加濕工序的產品規格整理，僅保留了PA66材質產品加濕處理要求。

針對鍍層脫落問題的解決方案：測試甲廠家鍍鎳層平均厚度在130μ～145μ之間，而乙廠家鍍鎳層平均厚度在30μ～60μ之間。鍍鎳層的孔隙率較高，光亮鍍鎳層硬度高，脆性大，鉚接時易產生掉皮。一般化學鎳鍍層厚度不超過35μm，鍍層的韌性較好，鍍層不易出現發脆、起泡、掉皮的現象；當鍍層大于40μm時，鍍層的韌性差、脆性大，尤其是工件邊緣尖腳處容易出現掉皮的現象。這種鍍層厚度較厚的工件，在剛鍍完化學鎳后鍍層只有少量的小氣泡或沒有起泡，在存放幾天后鍍層就會出現小氣泡或小氣泡變大氣泡的現象。同時化學鎳鍍層會出現氫脆的現象。工件在鍍化學鎳時鍍層會有滲氫的現象，當鍍層合適、存在少量的孔隙時，原子態氫進入鍍層后相互作用形成氫氣在慢慢釋放出來，就會在鍍層較薄處或鍍層結合力較差的地方出現發脆、起泡的現象。當工件滲氫嚴重時，無需外加應力，鍍層就容易出現脆裂的現象。通過調整鍍鎳層的鍍層厚度，從現有的130μ～145μ調整至35μ～60μ，來降低連接器鍍層的表面張應力，已優化改善現在存在鍍層脫落問題。

經廠家針對鎳鍍層工藝參數方面進行改善，入廠篩選外觀檢驗全檢，鍍層受應力缺損問題已解決。經過以上氧化污染和鍍層參數兩方面的調整優化，甲廠家針座在入廠抽檢和產線波峰焊接其焊接質量明顯好轉，浮高下線投訴情況大幅好轉。

4 結語

隨著鍍金針座的廣泛運用，其焊接可靠性決定著成品主板的質量穩定水平，本文從可能造成涉及電子元器件組裝工藝連接器波峰焊接浮高的影響因素入手分析，找出最終的關鍵影響因素，提供了電子制造波峰焊接器件浮高的分析思路，為后續同類涉及波峰焊接的器件浮高問題提供了一種可借鑒的方法。連接器器件在我們平時的生產使用主要是起連接作用，受重視程度不高。通過異常分析與解決，我們得知需對待其他電子元件一樣，連接器同樣需注重連接器的防潮防氧化處理，鍍層也并不是一味的追求“越厚越好”，對最優生產工藝參數的探討研究仍值得我們去深入挖掘。連接器焊接質量得到有效提升，波峰焊接浮高率出現明顯下降，主板連接穩定可靠性將再上一個臺階。

參考文獻：

[1] 王思醇.鍍層質量對電接觸轉換可靠性的影響[J].電鍍與涂飾， 2022，（1）：33-35.

[2] 郭鵬飛.J80C板間連接器搪錫及焊接工藝研究[J].電子工藝技術， 2018，（6）：13-16.

[3] 孫洪日.波峰焊常見問題及解決對策[J].電子工藝技術，1999，（5）：21-23.