焊接金属基板的制造工艺改良

姚小春 陈德华 封其刚

江苏永钢集团有限公司 江苏 张家港 215600

随着金属基板模块电源的上市,金属基板模块电源逐渐取代了普通基材模块电源,金属基板的热容量是普通基材的8-10倍,金属基板的应用较为广泛。但是,在金属基板发展过程中受到诸多因素的影响,其中焊接问题是不可忽视的,金属基板又称金书基印制电路板,金属基板的制造加工离不开焊接工艺。改良焊接金属基板的制造工艺是提高焊接金属基板质量,促进金属基板行业发展的关键。

1 焊接金属基板制造工艺

金属基板的金属板使用铝、铜、铁等基材,金属芯基板使用铜、铝作为芯材,金属基板因其优异的散热性能。电磁屏蔽性能与机械加工性能等在电源设备领域得到广泛应用。金属基板的制造工艺包括预粘结工艺、粘结工艺及焊接工艺等,其中焊接工艺对金属基板的质量影响最大。金属基板是利用回流焊接工艺将印刷线路板(PCB)与金属基焊接在一起组成的,选用熔点大于235℃的高温锡膏预防贴装电子元器件时PCB与金属基分层偏位。金属基板子板的多层PCB板制造流程:开料、内层图形制作、棕化、钻孔、深铜、外层图形制作、阻焊、沉金、铣板、电子测试、终检等;子板金属基流程:加工、IQC检查、印油选择、沉金、褪膜、与PCB配套。母板金属基板制造流程:开料、回流焊接、电子测试、终检、出货[1]。

2 焊接金属基板制造工艺中的常见问题

传统的焊接工艺无法完成金属基板上的元器件焊接工作,金属基板比普通基板的散热性好,散热性能好也导致了金属基板在焊接过程在局部热损失快,实际焊接温度低于烙铁设置温度,焊条溶化后因为温度低无法充分流动形成冷焊,给焊接工作增大了难度。另外,在金属基板的生产制造中还存在板面锡珠、板边缝隙、焊接空洞等质量问题,具体内容如下:

2.1 板面锡珠 在焊接过程在高温使得锡膏熔融流动在金属板上形成锡珠,导致电子元器件无法装配在金属基板上。造成板面锡珠的原因有三种:一是一碗内锡膏内松香含量高,锡膏活性大,焊接温度造成松香挥发,从而导致锡珠冒出;二是PCB的通孔孔径尺寸小,锡膏熔融流动时会沿通孔冒出,小孔内挤出的锡膏冷却后变成锡珠;三是焊接中的焊料融化后挤出通孔变成锡珠[2]。

2.2 板边缝隙 焊接金属基板的安装孔与板边存在缝隙,在焊接过程中盖板上的触点到板边距离不合理,焊接时发生热应力变形会导致PCB板的边缘翘起,造成锡膏流出板边。PCB安装孔对应的丝印钢网挡锡避让补偿不合理,板面锡膏与板边距离过小与过大都会导致安装孔与板边产生缝隙与流锡。安装孔缝隙、板边缝隙、流锡等情况都会影响金属基板的使用性能,导致电子元器件无法正常运转,焊接金属基板质量不合格。

2.3 焊接空洞 在焊接过程中金属基板的PCB与焊接层存在空洞,板面表面的焊锡内由气泡痕迹,焊接空洞会影响PCB与金属基的黏结效果。造成焊接空洞的原因有很多,焊接治具使用不合理、用错丝印参数、用错锡膏类型、回流炉温度不准确、印刷机不符合印刷锡膏使用要求、触点高度不一致、锡膏中的助焊剂含量太高等等。金属基板的焊接工作是重中之重,某些细节处理不当就会导致焊接空洞,影响金属基板的制造质量。

3 焊接金属基板的制造工艺改良方案

3.1 解决板面锡珠问题 合理设计PCB通孔孔径,不同孔径大小板面冒锡珠的情况不同,在设计通孔孔径时可以设计的大一点,如1.2mm或1.5mm。PCB的通孔位置与丝印钢网对应,进行挡锡避让和内缩补偿,内缩补偿0.3～0.5mm,通孔位置不漏锡。内缩补偿可以改善板面锡珠情况,但是容易造成焊接空洞。合理选用松香助焊剂含量,对比两种高温锡膏A和B对板面锡珠的影响。结果表明,高温锡膏A助焊剂配比11.7%,板面会有大量锡珠冒出;高温锡膏B助焊剂配比9.5板面冒出的锡珠少于10个,最终选用助焊剂配比9.5%的高温锡膏B。板面锡珠的数量与锡膏中的松香助焊剂配比有关,使用助焊剂配比9.5%的锡膏可以减少板面锡珠数量,提高焊接效果。

3.2 改良安装孔与板边制造工艺 通过正交试验,找出导致安装孔、板边缝隙与流锡的原因。设计盖板触点到板边的尺寸为0.5mm,挡锡避让补偿0.2～0.3mm[3]。盖板触点到板边的尺寸合理时,在焊接过程中不会造成板边翘起,有效避免了板边缝隙与流锡的发生率。安装孔位置对应丝印钢网做挡锡避让补偿,设计参数为1.0～1.5mm,安装孔无缝隙与流锡缺陷。

3.3 解决焊接空洞 PCB表面出现气泡和空洞缺陷时,先测试表面处理方式是否与焊接空洞有关,试验结果是焊接面的表面处理对焊接空洞的形成影响较小。焊接压力与焊接治具的设计选择是影响锡膏铺展的关键因素,焊接压力过大会导致PCB与金属基的连接部分出现空洞,焊接压力过小会导致锡膏无法正常铺展,PCB与金属基的焊接处不牢固。因此,在焊接过程中要合理设计焊接压力,选用弹簧触点式治具,触点弹簧形变量设计参数为0.2～0.3mm。优化焊接工艺流程,实现金属基板的批量生产。

结语

LED行业的发展带动了金属基板制造业的蓬勃发展,金属基板对加工性能与焊接工艺要求较高,在焊接金属基板的制造过程中受到多种因素的影响,导致焊接金属基板质量不合格。通过改良焊接金属基板的制造工艺,合理选用焊接工艺,确保金属基板的使用性能与质量。