電解電容焊片式引腳焊接提升的可靠性研究及應用

0   引言

電路板不同器件間的相互連接主要通過焊接實現，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，最終導致電路失效。本文從器件結構及工藝流程、設計匹配、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，生產過程中經常反饋電解電容與PCB焊接不良現象，存在大量上錫、通孔故障現象，該問題已經嚴重影響過程裝配質量及售后質量，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失效問題，引發售后投訴異常。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 對焊接存在異常現象核實，X 廠家電解電容樣品焊接存在通孔現象（圖1 電解電容焊接異常1）及上錫不飽滿現象（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品質量可靠性風險，應從前端設計風險隔離。

2.3 線體波峰焊參數

線體波峰焊焊接參數調整如下。

1）鏈速由1 300 mm/min，調整為1 200 mm/min；

2）波峰2 由13.7 Hz 調整為14.3 Hz；

線體波峰焊參數調整后，通孔現象改善效果不明顯，說明波峰焊設備參數調整對焊接改善非關鍵作用。

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 焊盤結構分別為：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，對應插裝為封裝設計聚熱環、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 結構上無差異，PCB 都有聚熱環、有排氣孔設計，設計都符合要求。

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

對比引腳工藝發現，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，導致焊接質量差異化。

3   霧錫與亮錫工藝特性對比

自家電行業推行禁用含鉛的電子產品后，電子制造業為了符合RoHS 的新規范，取代原本電子零件引腳的錫鉛表面處理，出現了各種表面處理方法，其中鍍全錫被很多零件廠商所接受且使用，但鍍全錫又分為霧錫（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）、錫須產生等，這些都會影響到產品的可靠度，造成售后投訴，甚至可能造成產品退貨的問題。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，未再反饋不良現象。

2）X 廠家電解電容焊片式引腳結構，采用霧錫工藝后使用數據如下，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   焊接失效整改總結及意義

通過對不同廠家PCB、電解電容產品單體結構分析，并從焊接失效機理、失效因素、結構可靠性、工藝等多方面進行核實，對改善后產品單體結構可靠性對比論證，發現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，生產過程設備、PCB 匹配設計對焊接質量因素同樣重要。通過此次整改，在引入開發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，并跟蹤生產過程收集整理數據，以提高產品的結構可靠性，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在選擇性波峰焊設備管理中的應用[J].中國設備工程,2018(22): 24-25.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年8月期）