焊接金屬基板的制造工藝改良

姚小春 陳德華 封其剛

江蘇永鋼集團(tuán)有限公司 江蘇 張家港 215600

隨著金屬基板模塊電源的上市,金屬基板模塊電源逐漸取代了普通基材模塊電源,金屬基板的熱容量是普通基材的8-10倍,金屬基板的應(yīng)用較為廣泛。但是,在金屬基板發(fā)展過程中受到諸多因素的影響,其中焊接問題是不可忽視的,金屬基板又稱金書基印制電路板,金屬基板的制造加工離不開焊接工藝。改良焊接金屬基板的制造工藝是提高焊接金屬基板質(zhì)量,促進(jìn)金屬基板行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 焊接金屬基板制造工藝

金屬基板的金屬板使用鋁、銅、鐵等基材,金屬芯基板使用銅、鋁作為芯材,金屬基板因其優(yōu)異的散熱性能。電磁屏蔽性能與機(jī)械加工性能等在電源設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。金屬基板的制造工藝包括預(yù)粘結(jié)工藝、粘結(jié)工藝及焊接工藝等,其中焊接工藝對金屬基板的質(zhì)量影響最大。金屬基板是利用回流焊接工藝將印刷線路板(PCB)與金屬基焊接在一起組成的,選用熔點(diǎn)大于235℃的高溫錫膏預(yù)防貼裝電子元器件時(shí)PCB與金屬基分層偏位。金屬基板子板的多層PCB板制造流程:開料、內(nèi)層圖形制作、棕化、鉆孔、深銅、外層圖形制作、阻焊、沉金、銑板、電子測試、終檢等;子板金屬基流程:加工、IQC檢查、印油選擇、沉金、褪膜、與PCB配套。母板金屬基板制造流程:開料、回流焊接、電子測試、終檢、出貨[1]。

2 焊接金屬基板制造工藝中的常見問題

傳統(tǒng)的焊接工藝無法完成金屬基板上的元器件焊接工作,金屬基板比普通基板的散熱性好,散熱性能好也導(dǎo)致了金屬基板在焊接過程在局部熱損失快,實(shí)際焊接溫度低于烙鐵設(shè)置溫度,焊條溶化后因?yàn)闇囟鹊蜔o法充分流動(dòng)形成冷焊,給焊接工作增大了難度。另外,在金屬基板的生產(chǎn)制造中還存在板面錫珠、板邊縫隙、焊接空洞等質(zhì)量問題,具體內(nèi)容如下:

2.1 板面錫珠 在焊接過程在高溫使得錫膏熔融流動(dòng)在金屬板上形成錫珠,導(dǎo)致電子元器件無法裝配在金屬基板上。造成板面錫珠的原因有三種:一是一碗內(nèi)錫膏內(nèi)松香含量高,錫膏活性大,焊接溫度造成松香揮發(fā),從而導(dǎo)致錫珠冒出;二是PCB的通孔孔徑尺寸小,錫膏熔融流動(dòng)時(shí)會(huì)沿通孔冒出,小孔內(nèi)擠出的錫膏冷卻后變成錫珠;三是焊接中的焊料融化后擠出通孔變成錫珠[2]。

2.2 板邊縫隙 焊接金屬基板的安裝孔與板邊存在縫隙,在焊接過程中蓋板上的觸點(diǎn)到板邊距離不合理,焊接時(shí)發(fā)生熱應(yīng)力變形會(huì)導(dǎo)致PCB板的邊緣翹起,造成錫膏流出板邊。PCB安裝孔對應(yīng)的絲印鋼網(wǎng)擋錫避讓補(bǔ)償不合理,板面錫膏與板邊距離過小與過大都會(huì)導(dǎo)致安裝孔與板邊產(chǎn)生縫隙與流錫。安裝孔縫隙、板邊縫隙、流錫等情況都會(huì)影響金屬基板的使用性能,導(dǎo)致電子元器件無法正常運(yùn)轉(zhuǎn),焊接金屬基板質(zhì)量不合格。

2.3 焊接空洞 在焊接過程中金屬基板的PCB與焊接層存在空洞,板面表面的焊錫內(nèi)由氣泡痕跡,焊接空洞會(huì)影響PCB與金屬基的黏結(jié)效果。造成焊接空洞的原因有很多,焊接治具使用不合理、用錯(cuò)絲印參數(shù)、用錯(cuò)錫膏類型、回流爐溫度不準(zhǔn)確、印刷機(jī)不符合印刷錫膏使用要求、觸點(diǎn)高度不一致、錫膏中的助焊劑含量太高等等。金屬基板的焊接工作是重中之重,某些細(xì)節(jié)處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致焊接空洞,影響金屬基板的制造質(zhì)量。

3 焊接金屬基板的制造工藝改良方案

3.1 解決板面錫珠問題 合理設(shè)計(jì)PCB通孔孔徑,不同孔徑大小板面冒錫珠的情況不同,在設(shè)計(jì)通孔孔徑時(shí)可以設(shè)計(jì)的大一點(diǎn),如1.2mm或1.5mm。PCB的通孔位置與絲印鋼網(wǎng)對應(yīng),進(jìn)行擋錫避讓和內(nèi)縮補(bǔ)償,內(nèi)縮補(bǔ)償0.3～0.5mm,通孔位置不漏錫。內(nèi)縮補(bǔ)償可以改善板面錫珠情況,但是容易造成焊接空洞。合理選用松香助焊劑含量,對比兩種高溫錫膏A和B對板面錫珠的影響。結(jié)果表明,高溫錫膏A助焊劑配比11.7%,板面會(huì)有大量錫珠冒出;高溫錫膏B助焊劑配比9.5板面冒出的錫珠少于10個(gè),最終選用助焊劑配比9.5%的高溫錫膏B。板面錫珠的數(shù)量與錫膏中的松香助焊劑配比有關(guān),使用助焊劑配比9.5%的錫膏可以減少板面錫珠數(shù)量,提高焊接效果。

3.2 改良安裝孔與板邊制造工藝 通過正交試驗(yàn),找出導(dǎo)致安裝孔、板邊縫隙與流錫的原因。設(shè)計(jì)蓋板觸點(diǎn)到板邊的尺寸為0.5mm,擋錫避讓補(bǔ)償0.2～0.3mm[3]。蓋板觸點(diǎn)到板邊的尺寸合理時(shí),在焊接過程中不會(huì)造成板邊翹起,有效避免了板邊縫隙與流錫的發(fā)生率。安裝孔位置對應(yīng)絲印鋼網(wǎng)做擋錫避讓補(bǔ)償,設(shè)計(jì)參數(shù)為1.0～1.5mm,安裝孔無縫隙與流錫缺陷。

3.3 解決焊接空洞 PCB表面出現(xiàn)氣泡和空洞缺陷時(shí),先測試表面處理方式是否與焊接空洞有關(guān),試驗(yàn)結(jié)果是焊接面的表面處理對焊接空洞的形成影響較小。焊接壓力與焊接治具的設(shè)計(jì)選擇是影響錫膏鋪展的關(guān)鍵因素,焊接壓力過大會(huì)導(dǎo)致PCB與金屬基的連接部分出現(xiàn)空洞,焊接壓力過小會(huì)導(dǎo)致錫膏無法正常鋪展,PCB與金屬基的焊接處不牢固。因此,在焊接過程中要合理設(shè)計(jì)焊接壓力,選用彈簧觸點(diǎn)式治具,觸點(diǎn)彈簧形變量設(shè)計(jì)參數(shù)為0.2～0.3mm。優(yōu)化焊接工藝流程,實(shí)現(xiàn)金屬基板的批量生產(chǎn)。

結(jié)語

LED行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了金屬基板制造業(yè)的蓬勃發(fā)展,金屬基板對加工性能與焊接工藝要求較高,在焊接金屬基板的制造過程中受到多種因素的影響,導(dǎo)致焊接金屬基板質(zhì)量不合格。通過改良焊接金屬基板的制造工藝,合理選用焊接工藝,確保金屬基板的使用性能與質(zhì)量。