焊接金屬基板的制造工藝改良

杜紅兵 紀(jì)成光 陳正清

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 前言

金屬基板主要使用于高功率、高頻率設(shè)備功放器件上，在熱傳導(dǎo)、電氣性能、機(jī)械性能等方面具有優(yōu)良的特性。金屬基板加工工藝包括：Pre-Bonding（預(yù)粘結(jié)）工藝、Post-Bonding（粘結(jié)）工藝、Sweat-Soldering（焊接）工藝。由于焊接工藝的特殊性，焊接金屬基板在批量生產(chǎn)過程中，會出現(xiàn)以下品質(zhì)缺陷：（1）板面錫珠；（2）安裝孔、槽位流錫；（3）板邊縫隙/流錫；（4）焊接空洞這些缺陷影響產(chǎn)品的表觀、電子元器件貼裝和使用可靠性，本文將對這些缺陷進(jìn)行全方位徹底改良，以實(shí)現(xiàn)焊接金屬基板批量生產(chǎn)。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊接金屬基板結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在金屬基上的絲網(wǎng)印刷錫膏，然后利用回流焊接工藝將PCB與金屬基焊接在一起形成金屬基板，同時，為預(yù)防二次貼裝電子元器件時焊接層熔融導(dǎo)致的PCB與金屬基分層偏位，選用高溫錫膏（熔點(diǎn)大于235 ℃）。

1.2 流程設(shè)計(jì)

1.2.1 子板流程

多層PCB板：開料→內(nèi)層圖形制作→棕化→層壓→鉆孔→沉銅→外層圖形制作→阻焊→選擇性沉金→銑板→銑階梯槽→電子測試→終檢→與金屬基配套（PCB為雙面板則不需壓合前流程）。

圖1 焊接金屬基板示意圖

金屬基流程：金屬基加工→IQC檢查→選擇印油→沉金→褪膜→與PCB配套。

1.2.2 母板流程

焊接金屬基板：開料→回流焊接→電子測試→終檢→包裝→出貨（回流焊接流程為：金屬基先絲印錫膏，上回流夾具，然后過回流爐，最后拆夾具，退銷釘，清潔松香）

針對生產(chǎn)過程的板面錫珠、安裝孔/槽位、板邊縫隙和流錫、焊接空洞等品質(zhì)缺陷，制定研究方法并提出改善措施，徹底解決焊接品質(zhì)缺陷。

2 板面錫珠改良

2.1 問題背景

焊接過程中，錫膏熔融流動沿通孔冒出留在板面上（如圖2），影響電子元器件在金屬基板上的裝配。

圖2 板面錫珠

2.2 原因分析

板面錫珠影響因素的魚骨圖分析（如圖3）。

板面冒錫珠的主要影響因素是：（1）錫膏中松香含量高，錫膏活性大，焊接過程松香揮發(fā)導(dǎo)致錫珠冒出；（2）PCB通孔孔徑設(shè)計(jì)較小，錫膏熔融流動，在毛細(xì)作用下沿通孔冒出形成錫珠；（3）PCB通孔位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓補(bǔ)償小，錫膏熔融流動沿通孔孔壁上爬形成錫珠；（4）焊接治具壓力大，焊接過程中將焊料擠出在通孔孔口形成錫珠。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為解決焊接冒錫珠問題，從以下4個原因入手設(shè)計(jì)試驗(yàn)評估。

2.3.1 松香助焊劑含量對板面錫珠的影響

PCB通孔孔徑設(shè)計(jì)0.6 mm，PCB通孔位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)不設(shè)計(jì)擋錫避讓，選用兩種高溫錫膏A和B，設(shè)計(jì)不同的松香助焊劑配比研究松香助焊劑含量對板面錫珠的影響（見表1）。

2.3.2 絲印鋼網(wǎng)通孔擋錫避讓內(nèi)縮補(bǔ)償對板面錫珠的影響

PCB通孔孔徑多為0.6 mm設(shè)計(jì)，為避免焊接金屬基板板面錫珠，對PCB通孔位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)進(jìn)行擋錫避讓（通孔位置不漏錫），并進(jìn)行一定的內(nèi)縮補(bǔ)償。本試驗(yàn)采用B錫膏（助焊劑配比9.5%，下同），設(shè)計(jì)絲印鋼網(wǎng)通孔擋錫避讓內(nèi)縮補(bǔ)償0.3 mm和0.5 mm，研究絲印鋼網(wǎng)通孔擋錫避讓內(nèi)縮補(bǔ)償對板面錫珠的影響。

2.3.3 PCB通孔孔徑設(shè)計(jì)對板面錫珠的影響

在PCB上設(shè)計(jì)0.6 mm、0.9 mm、1.2 mm和1.5 mm四種孔徑通孔，PCB通孔位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)不加擋錫點(diǎn)進(jìn)行金屬基板焊接，采用B錫膏（9.5%）、彈簧觸點(diǎn)式治具（觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)計(jì)0.5 mm）焊接確認(rèn)不冒錫珠孔徑，為金屬基板PCB過電孔孔徑設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

圖3 板面錫珠影響因素分析

表1 松香助焊劑含量對板面冒錫珠影響試驗(yàn)方案

2.3.4 焊接壓力對板面錫珠的影響

由于彈簧觸點(diǎn)式治具壓力較其他類型治具壓力均勻，且可通過改變壓扣高度調(diào)節(jié)彈簧形變量達(dá)到改變壓力的目的，因此采用彈簧觸點(diǎn)式治具實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)三種彈簧觸點(diǎn)式治具，觸點(diǎn)彈簧形變量為1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm，根據(jù)板面冒錫珠狀況，確定合適的觸點(diǎn)彈簧形變量。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1 松香助焊劑含量對板面錫珠的影響

松香助焊劑含量對板面冒錫珠的影響試驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）板面錫珠數(shù)量與錫膏中松香助焊劑配比成正比；（2）錫膏中助焊劑配比為9.5%時，絲印效果良好，且板面錫珠數(shù)量最少，滿足絲印焊接要求。

2.4.2 絲印鋼網(wǎng)通孔擋錫避讓內(nèi)縮補(bǔ)償對板面錫珠的影響

絲印鋼網(wǎng)通孔擋錫避讓內(nèi)縮補(bǔ)償對板面錫珠的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。對PCB通孔位置擋錫造成焊接層的錫膏量減少，存在焊接層空洞風(fēng)險，需超聲波掃描查驗(yàn)焊接層空洞（見圖4）。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：（1）通過對PCB通孔位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)進(jìn)行擋錫避讓并設(shè)計(jì)一定的內(nèi)縮補(bǔ)償，可有效避免板面錫珠；（2）絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓補(bǔ)償值不可過大，否則會導(dǎo)致焊接層空洞。

表2 松香助焊劑含量對板面冒錫珠的影響試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，絲印鋼網(wǎng)通孔擋錫避讓內(nèi)縮補(bǔ)償對板面錫珠有一定改善，但會導(dǎo)致焊接層空洞。

2.4.3 PCB通孔孔徑設(shè)計(jì)對板面錫珠的影響

PCB設(shè)計(jì)不同孔徑通孔焊接后，板面錫珠狀態(tài)為：0.9 mm通孔冒錫珠，1.2 mm和1.5 mm通孔沒有發(fā)現(xiàn)錫珠冒出。批量生產(chǎn)時，PCB通孔孔徑按1.2 mm設(shè)計(jì)，但由于焊接治具壓力穩(wěn)定性影響，熔融流動的錫膏會沿孔壁上爬在孔環(huán)周圍形成凸起，（如圖5）。為避免錫膏沿孔壁上爬，對PCB通孔位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)擋錫環(huán)，避免錫膏印刷在PCB通孔孔環(huán)周圍，擋錫環(huán)環(huán)寬0.4 mm（如圖6）。

通過絲印鋼網(wǎng)圖形改進(jìn)，并經(jīng)批量驗(yàn)證，板面無錫珠冒出和孔環(huán)周圍上錫凸起。

2.4.4 焊接壓力對板面錫珠的影響

PCB通孔孔徑1.2mm，絲印鋼網(wǎng)通孔位置設(shè)計(jì)擋錫環(huán)，采用B錫膏（9.5%）和彈簧觸點(diǎn)式治具，觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)計(jì)為1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm。焊接壓力對板面錫珠的影響試驗(yàn)結(jié)果（見表3）。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)計(jì)為0.5 mm時，板面無錫珠冒出。

2.5 小結(jié)

金屬基板導(dǎo)通孔孔徑設(shè)計(jì)≥1.2 mm，采用松香助焊劑配比為9.5%的B錫膏，絲印鋼網(wǎng)通孔位置設(shè)計(jì)擋錫環(huán)。焊接治具彈簧形變量設(shè)計(jì)0.5 mm時，焊接金屬基板板面無錫珠冒出。

3 板邊、槽、安裝孔的縫隙和流錫改良

3.1 問題背景

金屬基板焊接后，會存在槽、安裝孔和板邊縫隙及流錫缺陷（如圖7）。

3.2 原因分析

對焊接金屬基板槽、安裝孔及板邊縫隙/流錫影響因素做魚骨圖分析（如圖8）。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

錫膏采用B（9.5%）、焊接治具觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)定0.5 mm，絲印參數(shù)和回流曲線已定，絲印時鋼網(wǎng)緊貼板面保證板面錫膏印刷量的條件下，槽、安裝孔及板邊縫隙/流錫的主要影響因素是：

（1）焊接治具蓋板上觸點(diǎn)到板邊距離設(shè)計(jì)不合理，焊接時觸點(diǎn)壓力導(dǎo)致PCB板板邊翹起，產(chǎn)生縫隙或錫膏流出板邊；

（2） PCB槽位、安裝孔及板邊位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓補(bǔ)償不合理，板面錫膏距離板邊過大或過小導(dǎo)致金屬基板焊接后槽、安裝孔及板邊縫隙或流錫。

擬定試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表4。

圖4 絲印鋼網(wǎng)通孔擋錫避讓內(nèi)縮補(bǔ)償對板面錫珠的影響試驗(yàn)結(jié)果

圖5 錫膏沿孔壁上爬形成凸起示意圖

圖6 絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓設(shè)計(jì)及錫膏印刷示意圖

表3 焊接壓力對板面錫珠的影響試驗(yàn)結(jié)果

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

板邊縫隙/流錫正交試驗(yàn)、槽/安裝孔縫隙/流錫單因素影響試驗(yàn)結(jié)果（見表5）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

（1）焊接治具蓋板彈簧觸點(diǎn)距板邊0.5 mm、PCB板邊對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓補(bǔ)償設(shè)計(jì)0.2 mm～0.3 mm時，板邊無縫隙和流錫缺陷；

（2）開放槽位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓補(bǔ)償設(shè)計(jì)1.0 mm～1.5 mm時，開放槽位無縫隙和流錫缺陷；

（3）安裝孔對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓補(bǔ)償設(shè)計(jì)0.8 mm～1.0 mm時，安裝孔無縫隙和流錫缺陷。

4 焊接空洞改良

4.1 問題背景

焊接金屬基板經(jīng)超聲掃描發(fā)現(xiàn)PCB和金屬基的焊接層存在空洞缺陷（如圖9）。

圖6 焊接金屬基板板邊縫隙和板邊流錫缺陷示意圖

圖7 板邊縫隙/流錫影響因素魚骨圖分析

表4 槽、安裝孔和板邊縫隙/流錫試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表5 焊接縫隙/流錫試驗(yàn)結(jié)果

4.2 原因分析

將PCB和金屬基剝離后發(fā)現(xiàn)金屬基和PCB表面均有鋪展流平的焊錫，但是明顯存在氣泡痕跡，導(dǎo)致PCB和金屬基未能黏結(jié)在一起。焊接層空洞影響因素做魚骨圖分析（如圖10）。

從以下三個方面改善焊接空洞：

（1）絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度，寬度過大，焊料熔融不能鋪展流平；寬度過小，絲印時連接筋斷裂影響絲印效果；

（2）不同的表面處理對焊料鋪展有一定的影響；

圖9 焊接空洞示意圖

圖10 焊接層空洞魚骨圖分析

（3）焊接治具壓力，壓力過大將熔融流動的錫膏擠走形成空洞，壓力過小錫膏熔融時流動性不足產(chǎn)生空洞。

4.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.3.1 絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度對焊接空洞影響

絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度設(shè)計(jì)0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm四種，研究絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度對焊接空洞的影響。絲印鋼網(wǎng)實(shí)物，圖中方格狀連線即為連接筋（如圖11）。

圖11 絲印鋼網(wǎng)實(shí)物圖

4.3.2 焊接面表面處理對焊接空洞影響

對焊接面進(jìn)行沉金、選擇性沉金（銅面），研究焊接面表面處理對焊接空洞影響。

4.3.3 焊接壓力對焊接空洞影響

采用蓋板式治具和彈簧觸點(diǎn)式治具焊接，研究焊接壓力對焊接空洞影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖12所示。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.4.1 絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度對焊接空洞影響

錫膏采用B（助焊劑配比9.5%）、彈簧觸點(diǎn)式治具、觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)定0.5 mm，絲印參數(shù)和回流曲線不變焊接金屬基板。絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度對焊接空洞影響試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示：絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度設(shè)計(jì)0.2 mm才能滿足絲印鋼網(wǎng)絲印和焊接無空洞要求。

4.4.2 焊接面表面處理對焊接空洞影響

錫膏采用B（助焊劑配比9.5%）、彈簧觸點(diǎn)式治具、觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)定0.5 mm，絲印參數(shù)和回流曲線不變焊接。焊接面表面處理對焊接空洞影響試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

超聲波掃描結(jié)果顯示，采用彈簧觸點(diǎn)式治具、觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)計(jì)0.5 mm焊接，不同表面處理的焊接狀態(tài)差異不大，均有少量不影響可靠性的微小空洞存在，說明焊接面表面處理對焊接空洞影響不大。

4.4.3 焊接壓力對焊接空洞影響

焊接壓力對焊接空洞影響試驗(yàn)結(jié)果（如圖15）。

圖12 焊接壓力對焊接空洞影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖13 絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度對焊接空洞影響試驗(yàn)結(jié)果

圖14 焊接面表面處理對焊接空洞影響試驗(yàn)結(jié)果

4.5 小結(jié)

（1）金屬基板焊接面表面處理方式對焊接金屬基板空洞影響不大；

（2）焊接壓力和治具設(shè)計(jì)是影響焊接時錫膏鋪展?fàn)顟B(tài)的主要因素，焊接時必須有一定的壓力才能將PCB和金屬基焊接在一起；

（3）絲印鋼網(wǎng)連接筋寬度設(shè)計(jì)0.2 mm，金屬基板焊接效果較好。

5 結(jié)論

通過一系列焊接金屬基板的制造工藝改良，并優(yōu)化焊接治具和絲印鋼網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則和制作方法，（見表6）徹底解決了焊接金屬基板板面錫珠、槽/安裝孔/板邊流錫和縫隙及焊接空洞等品質(zhì)缺陷，實(shí)現(xiàn)了焊接金屬基板的批量生產(chǎn)。PCB產(chǎn)品通過客戶所有測試，無可靠性及信號傳輸缺陷，PCBA終端產(chǎn)品批量投放市場，得到市場認(rèn)可。

圖15 焊接壓力對焊接空洞影響試驗(yàn)結(jié)果

表16 焊接金屬基板的設(shè)計(jì)規(guī)范表