鍍金工藝多腳位連接器波峰焊接可靠性研究

摘要：2021年A公司GMV多聯(lián)機(jī)主控制器在實(shí)際生產(chǎn)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(xiàn)批量浮高，浮高率達(dá)到30%。在同條件生產(chǎn)環(huán)境下，切換使用乙廠家物料生產(chǎn)使用故障消失。在經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對鍍金排針浮高原因及異常失效機(jī)理分析并實(shí)際生產(chǎn)對比驗(yàn)證，確認(rèn)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(dǎo)致器件整體浮高。分析結(jié)果表明：在鍍金排針生產(chǎn)加工過程中極容易對鍍金鍍層產(chǎn)生損傷，不恰當(dāng)?shù)募庸すに嚂觿″兘鸸に嚨难趸瑫r鍍金層鍍層質(zhì)量同樣決定排針焊接質(zhì)量水平，經(jīng)過對加工工藝流程的優(yōu)化和鍍金鍍層質(zhì)量的提升，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證可以大幅度提高鍍金針座的焊接質(zhì)量及整體焊接可靠性。

關(guān)鍵詞：鍍金；連接器（排針）；波峰焊；焊接質(zhì)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(yīng)用于電子、電器、儀表中的 PCB 電路板中，其作用是在電路內(nèi)被阻斷處或孤立不通的電路之間，起到了橋梁的功能，擔(dān)負(fù)起電流或信號傳輸?shù)娜蝿?wù)。通常與排母配套使用，構(gòu)成板對板連接；或與電子線束端子配套使用，構(gòu)成板對線的連接；亦可獨(dú)立用于板與板的連接。

2 異常原因及失效機(jī)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?yàn)槿嵌栊越饘?，且電?dǎo)率低，與基體材料有良好的附著性，保護(hù)基體材料不被腐蝕，且電阻率性能優(yōu)越。此處涉及甲乙兩款工藝產(chǎn)品均為銅 + 鎳 + 金鍍層結(jié)構(gòu)。

在同條件生產(chǎn)環(huán)境下同時使用甲乙兩個廠家制品，僅甲廠家出現(xiàn)浮高異常。

2.1 設(shè)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(shù)據(jù)調(diào)試匹配值較好。波峰焊運(yùn)輸鏈條平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)異常抖動，運(yùn)輸鏈速符合工藝文件要求。上線驗(yàn)證未發(fā)現(xiàn)排針未插裝到位的情況，排查設(shè)備原因后故障未消失，設(shè)備制程影響非導(dǎo)致器件批量浮高的關(guān)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(dá)到了 0.96 mm 以上，兩端針芯和 PCB 孔位未做結(jié)構(gòu)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(shí)際生產(chǎn)過程中甲廠家針座在 AB 兩款 PCB 板均出現(xiàn)浮高異常，乙廠家針座在 AB 兩款 PCB 板板生產(chǎn)過程均未出現(xiàn)浮高異常，經(jīng)對比分析孔徑非此次浮高異常的關(guān)鍵影響因素。

2.3 針座結(jié)構(gòu)差異

通過對比甲乙兩廠家排針重量，發(fā)現(xiàn)兩款排針重量接近，無明顯異常。

通過對比甲乙兩廠家結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，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(jīng)試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，同條件進(jìn)行波峰焊接，甲廠家針芯滑針情況更嚴(yán)重（針芯受熱注塑件熱脹冷縮，兩者保持力下降出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)要求，故障排針浮高為整體浮高，通過對上錫異常品進(jìn)行金相分析，未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)受熱滑針出現(xiàn)的長短針問題，分析此項(xiàng)非關(guān)鍵影響原因。數(shù)據(jù)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(fā)生位移。

通過對兩款針座和注塑件材料進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)甲乙廠家注塑件材質(zhì)無差異 ( 均為 PBT)。測試設(shè)備：傅里葉紅外光譜儀。

通過各抽取 20 pcs 甲乙兩廠家物料進(jìn)行可焊性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后乙廠家制品上錫質(zhì)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(qū)域，上錫不良）。

可焊性條件：錫爐溫度：250 ℃、上錫時間：2 s、助焊劑廠家：同某進(jìn)口成熟廠家品牌。未避免受焊接溫度及焊接時長影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整 260 ℃，過爐4 s（模擬波峰焊接條件），試驗(yàn)后故障批次仍發(fā)現(xiàn) 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(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)同樣存在鍍層損傷的情況。因此分析波峰焊接據(jù)錫引起排針浮高。

分析結(jié)論：屬甲廠家排針鍍金層存在氧化污染且存在鍍層脫落現(xiàn)象，波峰焊接過程出現(xiàn)據(jù)錫引起排針整體浮高。為進(jìn)一步了解現(xiàn)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 μm，F(xiàn)ischer scope XRAY XULM XYm）, 經(jīng)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(jīng)過測試數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)，甲廠家鎳鍍層厚度要明顯高于乙廠家，兩者相差近 80 μm，經(jīng)了解鍍鎳層過厚在特定情況下會使鍍層的應(yīng)力表現(xiàn)更為突出，使鍍層變脆，結(jié)合力降低，在加工和使用過程中容易出現(xiàn)鍍層脫落的現(xiàn)象。

結(jié)論：經(jīng)過全流程人機(jī)料法環(huán)相關(guān)影響因素實(shí)驗(yàn)分析，針芯氧化和金層鍍層脫落，是導(dǎo)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(yōu)化生產(chǎn)流程，過程生產(chǎn)注意避免排針引腳受氧化污染。在驗(yàn)收供應(yīng)商質(zhì)量整改過程中了解該批排針屬于冬季生產(chǎn)制品，由于生產(chǎn)訂單交付周期緊急，注塑件在注塑成型當(dāng)天就安排了壓針，為防止注塑件出現(xiàn)開裂和脆斷，臨時對排針進(jìn)行了加熱加濕處理，由于此款排針?biāo)軞げ馁|(zhì)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(jī)脫水處理塑殼表面會存在部分殘留水份，由于 PBT 的低吸濕特性，以致表面的水份不能吸收，在尼龍包裝袋內(nèi)形成水霧狀，增加了袋內(nèi)的濕度而導(dǎo)致銅針氧化反應(yīng)，影響產(chǎn)品的可焊性。針對此類現(xiàn)象，需從生產(chǎn)工藝方面出發(fā)，禁止 PBT 材料按尼龍材料方案進(jìn)行加熱加濕處理，注塑后的產(chǎn)品須存放 3 天以上，讓其釋放應(yīng)力后再進(jìn)行壓針組裝，防止產(chǎn)品出現(xiàn)開裂和脆斷的現(xiàn)象發(fā)生，同時輸出指導(dǎo)生產(chǎn)和監(jiān)督文件，強(qiáng)化生產(chǎn)過程監(jiān)督；出貨方面加強(qiáng)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(shè)備方面進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)有的油壓注塑機(jī)參數(shù)公差范圍大，注塑時間長、壓力大，產(chǎn)品易變形且應(yīng)力較強(qiáng)，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(jī)，其參數(shù)精度高，注塑成型時間短，應(yīng)力小，以改善 PBT 材質(zhì)的注塑應(yīng)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(nèi)部杜絕采取加濕方式預(yù)防脆裂，內(nèi)部針對已完成內(nèi)部加濕工序的產(chǎn)品規(guī)格整理，僅保留了 PA66 材質(zhì)產(chǎn)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 130 μm~145 μm 之間，而乙廠家鍍鎳層平均厚度在 30 μm~60 μm 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(chǎn)生掉皮。一般化學(xué)鎳鍍層厚度不超過 35 μm，鍍層的韌性較好，鍍層不易出現(xiàn)發(fā)脆、起泡、掉皮的現(xiàn)象；當(dāng)鍍層大于 40 μm 時，鍍層的韌性差、脆性大，尤其是工件邊緣尖腳處容易出現(xiàn)掉皮的現(xiàn)象。這種鍍層厚度較厚的工件，在剛鍍完化學(xué)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(xiàn)小氣泡或小氣泡變大氣泡的現(xiàn)象。同時化學(xué)鎳鍍層會出現(xiàn)氫脆的現(xiàn)象。工件在鍍化學(xué)鎳時鍍層會有滲氫的現(xiàn)象，當(dāng)鍍層合適、存在少量的孔隙時，原子態(tài)氫進(jìn)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(jié)合力較差的地方出現(xiàn)發(fā)脆、起泡的現(xiàn)象。當(dāng)工件滲氫嚴(yán)重時，無需外加應(yīng)力，鍍層就容易出現(xiàn)脆裂的現(xiàn)象。通過調(diào)整鍍鎳層的鍍層厚度，從現(xiàn)有的 130 μm~145 μm 調(diào)整至 35 μm~60 μm，來降低連接器鍍層的表面張應(yīng)力，已優(yōu)化改善現(xiàn)在存在鍍層脫落問題。

經(jīng)廠家針對鎳鍍層工藝參數(shù)方面進(jìn)行改善，入廠篩選外觀檢驗(yàn)全檢，鍍層受應(yīng)力缺損問題已解決。經(jīng)過以上氧化污染和鍍層參數(shù)兩方面的調(diào)整優(yōu)化，甲廠家針座在入廠抽檢和產(chǎn)線波峰焊接其焊接質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，浮高下線投訴情況大幅好轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

隨著鍍金針座的廣泛運(yùn)用，其焊接可靠性決定著成品主板的質(zhì)量穩(wěn)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(guān)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(xù)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(chǎn)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(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)的探討研究仍值得我們?nèi)ド钊胪诰?。連接器焊接質(zhì)量得到有效提升，波峰焊接浮高率出現(xiàn)明顯下降，主板連接穩(wěn)定可靠性將再上一個臺階。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期)