多引腳插裝器件焊接方法研究*

王圓圓 盧冬影 孫呈曉 王 英 劉文嬌 李黨委

(西北機電工程研究所,陜西 咸陽 712099)

在軍工武器裝備調試試驗過程中,經常出現多引腳插裝器件失效,造成武器裝備無法正常運行的情況。通過對失效的多引腳插裝器件進行分析,主要原因是器件內部引腳焊點融化。經過對傳統手工焊接方法的焊接方式及產生的熱循環效應進行分析,發現傳統焊接方法為連續快速的焊接加熱法,極易造成多引腳插裝器件引腳長時間熱量疊加,致使器件內部焊點脫落的情況出現。

多引腳插裝器件多以手工焊接為主,器件的熱損傷率高達20%,影響了武器裝備質量、生產進度、增加了材料成本。每個器件都承載著一定的功能,任何一個器件功能失效,都可能引起重大質量安全事故。通過對失效多引腳插裝器件和傳統手工焊接方法的分析,確定傳統焊接方法產生的熱循環效應是造成多引腳插裝器件失效的主要原因。作者結合十多年的焊接經驗,提出多種減少熱循環效應,適用多引腳插裝器件的焊接方法,最終跳躍焊接法以不增添額外焊接工序,不產生額外焊接成本、不影響焊接效率等優勢作為多引腳插裝器件的有效焊接方法。

1 多引腳插裝器件失效原因分析

以典型器件JRW系列繼電器輸入端對地短路失效進行分析。某整機在進行試驗時,發現一只繼電器輸入端對地(管殼)短路失效。在對失效分析前,將此繼電器從PCB板上解焊后,發現短路現象消失。對器件進行X射線檢查,器件內部輸入端與管殼間未發現存在多余物。但在管殼內壁上,附著有多余物。啟封器件后發現,器件內部有金屬多余物,該多余物有一端熔焊在管殼內壁上,另一端翹起。該多余物的尺寸大于輸入管腳與管殼的間隙尺寸。對該多余物分析,確認該多余物為錫鉛焊。顯然,繼電器輸入端對地(管殼)短路是由器件內部有活動的錫鉛焊料多余物將輸入管腳與管殼搭接造成的。在器件從PCB板上加熱解焊過程中焊料移位,部分焊料熔融焊在管殼內壁,導致解焊后短路現象不再復現。該繼電器引腳通過錫焊方式與管殼底座固定。繼電器焊裝過程中,焊接溫度偏高或焊接時間偏長,都容易造成器件內部引腳部位焊料熔化形成多余物造成短路。通過對其他失效繼電器進行拆解,拆解后發現都是器件內部引腳傾斜焊點融化,造成觸點不能正常吸合或斷開或者絕緣體破壞造成繼電器失效。繼電器內部結構圖如圖1所示。

圖1 繼電器內部構造圖

通過對失效器件進行分析,總結有以下兩點失效原因:一是器件內部引腳焊點焊錫融化形成多余物,造成短路;二是內部引腳焊點融化引腳傾斜造成觸點不能正常吸合或斷開。造成器件內部引腳焊點融化的主要原因是元件引腳長時間,高熱量的加熱,器件引腳經過熱傳導作用,將器件內部的焊點融化,致使器件失效。

2 傳統手工焊接方法對多引腳插裝器件的影響

傳統手工焊接方法,將烙鐵和焊錫絲同時移向焊接點,在快要接觸焊接點時,用烙鐵頭融化一段焊錫絲,然后將烙鐵頭接觸焊接點,接著將烙鐵頭在焊接點上移動,將融化的焊料流動到焊接點并滲入通孔,最后迅速拿開烙鐵頭,完成一個焊點的焊接,在完成一個焊點的焊接后,會直接迅速進行一下個相鄰焊點的焊接。要在助焊劑未完全揮發之前,完成烙鐵頭在連續焊接點上的移動和拿開步驟。

以JRW系列繼電器為例,在焊接繼電器時,一次性涂抹好一個繼電器八個引腳的助焊劑后,對八個引腳進行連續焊接,每個焊點的焊接時間為2～3s。從第一個點開始,在焊接時對第一個點進行加熱3s時,第二個點也受到了熱循環效應,相當于進行了3s的預熱。在對第二個點進行3s焊接時,產生的熱循環效應同樣波及相鄰的第一點和第三點,第一點相當于進行了二次加熱,正在焊接的第二點在預熱三秒后進行了3s高溫焊接,第三點也進行了預熱。依次循環,每個焊接點都進行了3s預熱,3s高溫焊接,3s熱循環。多引腳插裝器件因焊錫需要通過通孔,形成雙面焊點。所以焊接時一般溫度控制在300℃左右,焊接時間控制在2～3s。焊接時間過短,焊點的溫度達不到焊接溫度,會使焊料不能充分浸潤焊件而形成松香夾渣導致虛焊。焊接時間過長,烙鐵頭在焊件上停留的時間與焊件溫度的升高是正比關系,為防止內部過熱損壞,有些元器件不允許長期加熱。在焊接熱源的作用下,焊件上引腳的溫度隨時間變化的曲線如圖2所示。

圖2 焊接點溫度與時間的變化曲線

從圖2可以看出,對引腳進行焊接時,3s焊接加熱過程,焊點溫度達到最高,經過5s冷卻時間后,引腳溫度恢復到最低溫度。

傳統焊接方法是連續快速的焊接,焊接加熱路徑如圖3所示,產生的熱循環效應如圖4所示,每個焊點經過熱循環作用,形成了三次累積加熱,長時間的加熱,是造成器件失效的主要原因。

圖3 JRW系列繼電器焊接加熱路徑示意圖

圖4 JRW系列繼電器焊接熱循環效應示意圖

焊接熱循環過程對器件引腳性能的影響主要體現在長時間熱量疊加。而這些因素又主要取決于所采用的焊接方法和焊接參數。傳統焊接方法雖然能保證每個焊點的焊接時間不超過3s,符合工藝要求,但是在焊接完第一點時,沒有充分的冷卻就直接焊接相鄰一點,造成繼電器內部觸點無冷卻降溫的時間,產生的熱量累積,最終產生了對器件的熱損傷,所以傳統的焊接方法引起的熱循環效應是影響多引腳插裝器件失效的主要因素。

3 研究適用多引腳插裝器件的焊接方法

新的焊接方法研究要求,在焊接熱輸入一定條件下,從避免焊接引腳長時間受到熱量疊加的影響考慮。主要控制焊接加熱時間和延長冷卻時間,來避免焊接引腳長時間處于高溫狀態,保證引腳焊點有足夠的散熱時間,不受熱循環的影響。結合作者十多年焊接經驗,研究并提出:1.散熱法2.對角焊接法3.跳躍焊接法。

3.1 散熱焊接法分析

散熱焊接法的在焊接時,在元器件引腳處放入沾有無水乙醇的去脂棉,在連續焊接時,無水乙醇受熱揮發,可以對繼電器產生快速降溫,避免繼電器產生熱損傷,在焊接完后,再將去脂棉去掉。使用過程中,不用改變傳統焊接方法,僅需要在焊接前增加裝填降溫用無水乙醇脫脂棉,裝填效果如圖5所示焊接后再去掉即可。

圖5 散熱法應用

在實際試運用過程中,散熱焊接法存在以下幾點問題見表1。

表1 散熱焊接方法分析表

3.2 對角焊接法分析

基于不增加焊接工序及焊接成本的基礎上,提出對角焊接法。以JRW系列繼電器為例,在焊接完第一點時,旋轉器件繼電器180°,焊接對角焊點;然后再焊接第二點,再旋轉繼電器180°,焊接對角焊點;依次類推直到焊接完8個引腳,此方法完全避免了熱循環效應,給予引腳充分降溫的時間。加熱旋轉焊接路徑如圖6所示,熱循環效應如圖7所示。

圖6 對角焊接法加熱旋轉路徑示意圖

圖7 對角焊接法熱循環效應示意圖

在實際運用過程中,對角焊接法存在以下幾點問題見表2。

表2 對角焊接方法分析表

3.3 跳躍焊接法分析

通過對器件焊接熱循環分析,在焊接完一個焊點后,跳躍過相鄰焊點,焊接第三個焊點,就可以大大降低熱循環對器件的影響作用。以JRW系列繼電器為例,焊接完一個焊點后,跳躍過相鄰焊點,焊接第三個焊點,然后第五點焊接,然后第七點焊接,然后第二點,第四點在以此類推,直到焊接完8個引腳,此方法有效避免熱循環效應,減少每個引腳熱量疊加,減少了對器件的轉動。加熱旋轉焊接路徑如圖8所示,熱循環效應如圖9所示。

圖8 跳躍焊接法加熱旋轉路徑示意圖

圖9 跳躍焊接法熱循環效應示意圖

表3 跳躍焊接法熱循環效應分析表

在實際試運用過程中,跳躍焊接法存在以下問題見表3、表4、表5。

表4 跳躍焊接方法分析表

表5 三種焊接法全方位對比表

通過對三種焊接方法的探索試驗,最終跳躍焊接法以能有效降低熱循環效應對器件的影響,無額外焊接工序、焊接成本,焊接連續性好、焊接難度低,簡單易行,利于推廣等優勢,作為最終創新焊接方法。

4 跳躍焊接法的應用效果

通過對使用兩種焊接方法焊接100只JRW系列繼電器,,并對失效繼電器進行拆解分析,統計出熱損傷失效器件個數,統計結果如表6。

表6 多引腳插裝器件焊接方法前后對比

由表6可得,使用傳統的焊接方法,焊接多引腳插裝器件,器件的熱損傷失效率達到了21%。使用跳躍焊接法后,器件的熱損傷失效率降到了1%。跳躍焊接法有效防止因傳統焊接法引起的熱循環作用對器件的影響,具有可靠性高,效率高,節能性好,操作方法簡單易學的特性,可廣泛使用。使用跳躍焊接法對多引腳插裝器件進行焊接是提高產品焊接質量,降低返修率,降低器件的報廢率的一種有效方法。

對使用跳躍焊接法焊接的JRW繼電器、雙列直插集成電路、數碼管等多引腳插裝器件,由本單位質量師使用專用檢測裝置進行電氣檢驗,質量檢測合格后,交付電氣檢驗員檢測,器件的失效率降低到了2%。對使用跳躍焊接法焊接的300個元器件進行了質量跟蹤調查,熱損傷失效問題反饋為零。針對多引腳插裝器件的跳躍焊接法,經工藝人員核實,編制跳躍焊接法工藝文件及操作指南。

5 跳躍焊接法的應用推廣

跳躍焊接法在焊接不同的多引腳插裝器件時,焊接路徑僅需要遵從跳過相鄰焊點進行焊接,就可實現降低熱循環效應對器件的質量影響。焊接路徑上的應用非常靈活例如:針對圓形器件引腳、矩形雙列直插集成電路,數碼管的焊接器路徑如圖10所示。

跳躍焊接法可廣泛應用在多引腳插裝器件,焊接路徑僅需要遵從跳過相鄰焊點進行焊接,就可實現降低熱循環效應對器件功能的影響。針對熱敏元器件、不耐高溫元器件、玻璃封裝元器件、高密貼片式元器件等需要避免長時間高溫焊接的器件仍然適用。焊接路徑上的應用非常有效,焊接方法簡單易學,提高了器件的可靠性,降低了經濟損失,實用性強。

軍工企業生產的武器裝備,其質量安全不但關乎企業的生產發展,更關乎士兵的安危。任何質量隱患都不能放過,熱損傷對器件功能的影響,若不能及時消除,形成軟故障將造成無法估量的后果。跳躍焊接法有效應對多引腳插裝器件的熱損傷問題。這種焊接方法安全可靠,具有一定的推廣性。

6 結語

前面通過典型器件失效分析,確定了器件失效的原因主要是傳統手工焊接過程中的熱量累加過高,造成的器件內部引腳焊點脫落,而引發的器件失效。通過分析傳統手工焊接方法,發現傳統連續快速的焊接法,正是產生熱循環效應的根本原因,長時間的熱量累加,對多引腳插裝器件產生的影響,造成器件失效。針對傳統手工焊接法產生的熱循環效應,提出的焊接技術研究方向主要是控制焊接加熱時間和延長冷卻時間,來避免焊接引腳長時間處于高溫狀態,保證引腳焊點有足夠的散熱時間,不受熱循環的影響。結合作者十多年焊接經驗,提出三個方案:1.散熱法2.對角焊接法3.跳躍焊接法。通過應用實踐、質量評估、效果對比等實驗結果表明,跳躍焊接法可以有效解決多引腳插裝器件焊接過程中的熱損傷失效問題。對于熱敏元器件、不耐高溫元器件、玻璃封裝元器件、高密貼片式元器件等需要避免長時間高溫焊接的器件,跳躍焊接法仍然有運用價值。