電解電容焊片式引腳焊接提升的可靠性研究及應(yīng)用

0   引言

電路板不同器件間的相互連接主要通過焊接實現(xiàn)，從而將電路中不同器件的邏輯功能有效傳遞，保證控制器功能正常運行，并有效完成用戶給定指令工作。電解電容對電路板主要作用有：隔直流、去耦、耦合、濾波、儲能、自舉等，同時對保護電路避免被過電壓擊穿有不可或缺的作用，是維護電路穩(wěn)定工作的基石。高壓電解電容對電路的作用更加重要，主要工作在強電部分，若焊接失效會導致電解電容功能無法在整個電控電路中實現(xiàn)，最終導致電路失效。本文從器件結(jié)構(gòu)及工藝流程、設(shè)計匹配、失效因素等方面進行分析，整改方案思路可以為同類型焊接失效分析整改提供借鑒和參考[1-3]。

1   事件背景

空調(diào)控制器引入使用X、Y 廠家不同型號的高壓電解電容，在使用X 廠家高壓電解電容時，生產(chǎn)過程中經(jīng)常反饋電解電容與PCB焊接不良現(xiàn)象，存在大量上錫、通孔故障現(xiàn)象，該問題已經(jīng)嚴重影響過程裝配質(zhì)量及售后質(zhì)量，用戶安裝存在電解電容焊接異常主板長期使用后導致整機運行出現(xiàn)失效問題，引發(fā)售后投訴異常。該焊接異常PCB 型號不集中、電解電容型號不集中、存在電解電容引腳焊接不良位置分散等現(xiàn)象，問題急需攻克解決。

2   焊接失效原因及失效機理分析

2.1 對焊接存在異?，F(xiàn)象核實，X 廠家電解電容樣品焊接存在通孔現(xiàn)象（圖1 電解電容焊接異常1）及上錫不飽滿現(xiàn)象（圖1 電解電容焊接異常2），X 廠家電解電容焊接失效位置不集中，正極與負極都存在焊接不良現(xiàn)象，且焊接不良率同樣高。

圖1 電解電容焊接異常1

圖2 電解電容焊接異常2

2.2 對X 廠家電解電容焊接通孔、上錫不良樣品通過員工手工加錫驗證，加錫后，焊接外觀核實符合要求，此方法存在影響裝配效率及增加主板操作后產(chǎn)品質(zhì)量可靠性風險，應(yīng)從前端設(shè)計風險隔離。

2.3 線體波峰焊參數(shù)

線體波峰焊焊接參數(shù)調(diào)整如下。

1）鏈速由1 300 mm/min，調(diào)整為1 200 mm/min；

2）波峰2 由13.7 Hz 調(diào)整為14.3 Hz；

線體波峰焊參數(shù)調(diào)整后，通孔現(xiàn)象改善效果不明顯，說明波峰焊設(shè)備參數(shù)調(diào)整對焊接改善非關(guān)鍵作用。

2.4 物料可靠性分析

2.4.1 PCB核實

焊接異常涉及的3 種型號PCB 焊盤結(jié)構(gòu)分別為：A廠家PCB 型號1、B 廠家PCB 型號2、C 廠家PCB 型號3，PCB 焊盤皆一致。部分PCB 如圖3 ～圖5 所示。圖中，左為正面，右為反面。

圖3 A廠家PCB型號1

圖4 B廠家PCB型號2

圖5 C廠家PCB型號3

對使用焊片式引腳電解電容插裝的PCB，對應(yīng)插裝為封裝設(shè)計聚熱環(huán)、中間增加排氣孔，具體如圖6。

圖6 PCB焊盤封裝

同樣插裝焊片式引腳電解電容的不同型號PCB 結(jié)構(gòu)上無差異，PCB 都有聚熱環(huán)、有排氣孔設(shè)計，設(shè)計都符合要求。

2.4.2 電解電容核實

1）焊片式引腳電解電容不同型號的引腳尺寸一致，測試電解電容引腳尺寸與圖紙一致（如圖7），具體如表2。

圖7 引腳端子形狀尺寸（單位：mm）

2）引腳工藝對比

對比引腳工藝發(fā)現(xiàn)，X 廠家為亮錫工藝，Y 廠家引腳為霧錫工藝，引腳工藝存在不同，如圖8 ～圖9，其中，左為電解電容，右為引腳放大500 倍。

圖8 X廠家電解電容的亮錫工藝

圖9 Y廠家電解電容霧錫工藝

通過物料對比分析PCB 設(shè)計差距上無異常，電解電容物料尺寸上無異常，主要為電解電容引腳工藝存在不同，導致焊接質(zhì)量差異化。

3   霧錫與亮錫工藝特性對比

自家電行業(yè)推行禁用含鉛的電子產(chǎn)品后，電子制造業(yè)為了符合RoHS 的新規(guī)范，取代原本電子零件引腳的錫鉛表面處理，出現(xiàn)了各種表面處理方法，其中鍍?nèi)a被很多零件廠商所接受且使用，但鍍?nèi)a又分為霧錫（Matte tin) 及亮錫（Bright tin）兩種，在焊錫的工藝上也衍生出了新的問題，例如焊錫不良、爬錫不良（Deweting）、錫須產(chǎn)生等，這些都會影響到產(chǎn)品的可靠度，造成售后投訴，甚至可能造成產(chǎn)品退貨的問題。對霧錫（Matte tin）及亮錫（Bright tin）工藝進行整理對比，具體如表3。

4   整改效果驗證

1）推進X 廠家電解電容型號1、2、3 采用霧錫工藝的焊片式引腳送樣來貨，產(chǎn)品驗證上錫可靠性良好，使用在其它同類型帶有焊片式電解引腳封裝的PCB，未再反饋不良現(xiàn)象。

2）X 廠家電解電容焊片式引腳結(jié)構(gòu)，采用霧錫工藝后使用數(shù)據(jù)如下，改善前、后電解電容與PCB 焊接不良比率下降明顯（如圖10）。

圖10 X廠家電解電容焊片式引腳焊接不良比例

5   焊接失效整改總結(jié)及意義

通過對不同廠家PCB、電解電容產(chǎn)品單體結(jié)構(gòu)分析，并從焊接失效機理、失效因素、結(jié)構(gòu)可靠性、工藝等多方面進行核實，對改善后產(chǎn)品單體結(jié)構(gòu)可靠性對比論證，發(fā)現(xiàn)需從器件本身進行整改。改善后進行對比分析，整改后效果明顯。對電解電容焊片式引腳工藝調(diào)整，對分析評估類似焊片式引腳提升焊接可靠性有良好借鑒作用。焊接異常有多方面因素，生產(chǎn)過程設(shè)備、PCB 匹配設(shè)計對焊接質(zhì)量因素同樣重要。通過此次整改，在引入開發(fā)時需對電解電容焊片式引腳電解電容焊接可靠性進行充分驗證評估，并跟蹤生產(chǎn)過程收集整理數(shù)據(jù)，以提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性，提升電子元件焊接一次通過率。

參考文獻：

[1] 王煒.印制電路板(PCB)板件焊接工藝流程[J].東方電氣評論,2014(1):74-80.

[2] 程永紅.霧面錫電鍍工藝及鍍層性能測試[J].電鍍與涂飾,2006(06):8-10.

[3] 呂文鋒,王海軍.淺談TPM在選擇性波峰焊設(shè)備管理中的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程,2018(22): 24-25.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）