瓷介电容回流焊端头脱裂问题探讨

郭艳辉，杨宝山，周成龙，李子森

(中国兵器工业新技术推广研究所 电磁兼容室，北京 100089)

1 问题描述

回流焊是SMT特有的核心工艺，也是目前最流行和最常用的批量生产焊接技术，它是一种自动群焊过程，焊点的焊接在短短几分钟内一次完成，其焊接质量的优劣直接影响到产品的质量和可靠性[1-2]。笔者单位多年来从事电源滤波器产品的研制和生产，某款电源滤波器的生产所用的贴片瓷介电容采用回流焊焊接，按照正常的回流焊工艺生产，一直未发生过质量问题，但在最近一个批次的生产中，回流焊接结束后，发现电路板上的电容端头出现裂纹，严重的甚至端头脱裂(见图1)，而且电路板上不同型号规格的电容都出现了裂纹。

图1 电容脱落

一些未发现裂纹的电路板，在耐压和绝缘阻抗测试时，出现了耐压和绝缘阻抗报警，显示电容失效，使用热风枪将电容由PCB板卸下后，用10倍放大镜观察，电容陶瓷体的外观也有裂纹或端头脱落现象(见图2)。由于电容端头脱裂的电路板占了批次产量的近1/4，也是首次出现电容端头脱裂的批次问题，需要找出问题的根本原因，改进措施，杜绝类似问题再次发生。

图2 电容脱裂

2 问题分析

贴片瓷介电容端头脱裂，本质上是因为端头所受机械应力损伤所致[3-5]，其所受机械应力损伤的故障树如图3所示。从故障树中可以看出，电容端头脱裂所受的机械应力损伤，来自于3方面的因素：一是回流焊工艺，焊接工艺的焊料、传送速度、焊接时间和温度都会影响焊锡的固化，从而影响到端头与电路板连接的强度；二是回流焊后的裁板，PCB所受的折弯应力；三是电容、电路板等相关物料的变化或质量造成的应力受损。

图3 瓷介电容回流焊端头脱裂故障树分析

3 试验验证

针对图3故障树分析的各个因素逐一分析，进行验证排查，定位具体原因。

3.1 回流焊工艺分析

回流焊机的参数设置是否合理关系着焊接质量的好坏。焊接工艺最重要的就是焊料量、焊接时间和焊接温度的设置。焊料量对回流焊的影响很大，如果焊料过多，焊料冷却固化产生的收缩力作用于电容器，容易造成电容端头拉裂，如果焊料过少，则电容端头固着力不足，电容也容易脱落，同时应尽可能缩短焊接熔融时间以避免损坏元器件。

检查该产品回流焊的工艺设置，与之前生产批次的设置相同。具体为预热段把室温的PCB板加热到特定的温度190～200 ℃，然后在保温区将温度升到焊锡膏熔点的区域210～230 ℃，在焊接区，焊料与元器件紧密结合，此区间温度为250 ℃，在冷却区，将已经充分熔化的锡膏尽可能地迅速冷却。涂焊锡膏有专人操作，锡膏量可控。整个流程均按照正常设定温度曲线进行焊接，传送速度和焊接时间合理，因回流焊工艺不合理导致的机械应力受损因素基本排除。

3.2 PCB裁板产生的机械应力分析

该产品在回流焊接时，是36连板设计，焊接完成后再裁剪成36块小电路板，裁板方式为机器分板，人员操作机器完成，若在裁剪过程中产生线路板弯曲，过度的折弯应力(见图4)就会引起电路板上电容缺口或开裂，因无法排除裁板的机械应力影响，需要做整板分成小板的分割裁板试验，进一步分析验证。

图4 电容所受折弯应力示意图

3.3 物料分析

物料的变化因素是最复杂的，细微的改动也许就会影响回流焊的结果，该产品所用物料主要有电容、焊锡膏和PCB板。核查该产品的工艺文件及物料，电容的型号和供应商均未变，电容入厂检验合格，只是本批次电容端头的可焊性未知，需做试验深入分析，回流焊所用焊锡膏未发生变化，电路板外形改变了。

PCB板的材料、厚度、尺寸、板上器件密度、焊盘等参数都可能影响回流焊效果[6-10]，PCB板的尺寸为13 mm×13 mm，板厚0.5 mm，未发生变化，但是设计人员为生产时灌封方便，在电路板中间增加了一个开孔，其大小为2 mm×7 mm，这是变动较大的地方，开孔对电路板的强度会有一定影响。本批次电路板与原批次电路板对比图如图5所示。

图5 本批次电路板与原批次电路板对比图

为了进一步分析3.2所述“机器裁板”和3.3所述“电容可焊性以及电路板有无开孔的强度变化”，笔者开展了如下对比试验。

为了验证电容的可焊性，选用了相同封装、不同厂家的电容进行了回流焊，试验结果见表1。不同厂家的电容，在有开孔的电路板上回流焊，均出现了电容端头脱裂的问题。

表1 厂家不同、封装相同的电容在有开孔电路板上的回流焊结果

从表1也可以看出，在有开孔的大拼接板上，2个厂家的电容均出现端头脱裂，为了验证电路板有无开孔对电路板强度的影响，仍然选用A、B两个厂家的电容，在无开孔的电路板上回流焊接，试验结果见表2。结果表明，36只小电路板完好，板上A、B两个厂家的电容都未出现损坏。

表2 厂家不同、封装相同的电容在无孔电路板上的回流焊结果

分析表1和表2的结果，可以得出如下结论。

1)不同厂家的电容在同一种电路板上回流焊，都出现了电容脱裂，可基本排除本批次所用电容质量及可焊性因素。

2)从机器裁板过程看，分板环节未新增坏的电路板。可认为机器裁剪操作规范，分割PCB线路板产生的机械应力对电路板上的器件影响不大。

3)电容端头脱裂主要因素是物料的变化所致。本批次的电路板与以往有所改变，板内增加了开孔，这对电路板强度造成了影响，开过孔的电路板在高温情况下会变形，冷却回缩时整个电路板的收缩率不一致，造成了电容两端所受机械应力不同，导致端头致焊点开裂、电容失效。

4 结语

电容是关系到电源滤波器安全指标的重要元件，电容回流焊工艺也是一项系统的研究，每一种焊接质量的缺陷，其产生的原因很多，任何一个材料特性的改变或工艺参数设置不当，都有可能造成潜在的焊接质量缺陷。本文从瓷介电容回流焊接端头脱裂入手，分析了回流焊工艺、裁剪应力、相关物料对电容端头脱裂的影响，并通过试验将故障定位在PCB板开孔。为避免类似问题发生，产品部重新改进了电路板，取消了板内的开孔，并且将PCB板增厚到1.0 mm，提高了PCB板的强度，后续该产品的生产质量稳定，未再出现该问题。因此在实际生产中，需要具体问题具体分析，不断改进完善回流焊接工艺，从而提高回流焊接质量，提高电子产品的可靠性和产品质量。