元器件可焊性评价及过程的研究

元器件可焊性评价及过程的研究

赵倩倩

珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海 519070

摘要：电子焊接是电控板生产工艺最关键的技术，对于焊接不良，焊接器件样品的可焊性是要因之一，评估分析器件样品可焊性是很有必要。目前行业电子器件来料的可焊性检验仅仅为过波峰焊看上锡效果，检验手段无法定量，对于临界样品存在不同人的判断偏差，容易造成误判。研究者通过对焊接过程中接触面气体、液体、固体的相互作用力分析研究，深入了解焊接基本原理，并进行试验验证，建立一种焊接性能评估手段，广泛用于元器件的可焊性评估。

关键词：元器件；焊接；可焊性；评价

1 引言

焊接技术是家电控制器生产工艺最关键的技术，其中涉及最重要的3个工序，分别是回流焊接、波峰焊接、手工焊接。对于焊接不良，焊接器件样品的可焊性是重要的影响因素^[1]。对于评估元器件焊接性能，行业内主要通过两种手段进行评估， 1）电镜扫描，金相切片分析。这两种方法分析成本高，实验耗费时间长，无法迅速应对生产。2）浸润观察法。即通过将电子器件焊接部位浸入锡液中，然后外观检查焊接部位的上锡效果。这种方法人为主观判断的因素较大。由于焊接性能评估手段低劣的问题，直接导致生产过程中严重的问题，如生产线停线、产品批量返包、报废问题。因此，结合焊接基本原理，通过实验验证，建立可量化的控制器电子器件焊接性能评价分析体系。

2 焊接基本原理分析

2.1 焊接基本原理

焊接就是用熔融的填充金属焊料，克服表面张力，使被焊器件金属表面润湿，然后在两个金属部件之间形成合金共化物的过程。焊接的过程为：

熔 融金属的扩散 基底金属的润湿 界面合金共化物的形成

焊接的最核心的过程就是焊料在金属表面的扩散润湿。

2.2 润湿力的计算

将基底金属润湿过程中产生的力称为“润湿力”，润湿力是“表面张力”现象之一，当液体-固体-挥发性气体，三相同时接触时，满足杨氏方程^[4]：

γLV + γSL + γSV = 0

即在家电控制器生产的3个焊接工序（回流焊接、波峰焊接和手工焊接）的焊接过程中，均满足以上“表面张力”的基本条件。其中：液体——熔融的锡料；固体——器件本体的基底金属；挥发性气体——高温挥发的助焊剂。图1为焊接过程中的三相受力分析图。

图1 焊接过程中的三相受力分析图

“润湿力”的公式推导如下：

γLV +γSL +γSV =0 ………………………… 三相受力平衡时

γSV =γSL +γLV • cosΘ …………………………同一方向的受力转换

润湿力F = γLV•P•cosΘ - r•v•g …………………………拉普拉斯变化

γLV = 焊料的表面张力系数（有铅焊料为 0.4mN/mm，无铅焊料为 0.5mN/mm）

P=样品周长（mm）

q=润湿角度

g=重力加速度（9.8 m/s²）

r=焊锡密度（mg/mm3）

v=样品浸入焊料体积（mm3）

rvg=样品浸入焊料所受的浮力

在最佳条件下，焊料和器件之间的润湿角度，即Θ=0，则cosΘ=1。此时，有润湿力的最大理论值：Fmax=γLV•P-rvg

3 设计方案进行验证

利用高精度测力传感器测试润湿力，对控制器不同类别电子器件（包括THT器件、SMT器件、PCB板等）进行可焊性测试。高精度测力传感器连接测试夹具夹取测试器件，将测试器件浸入到焊锡后，高精度传感器能时刻测试润湿力的大小，并且通过信号处理器绘制输出力量与时间的关系曲线（不同时刻测试器件浸入焊锡料过程与绘制的力量时间关系曲线）^[5]，润湿称量装置。选择SnCu0.7无铅焊料，密度为7.3mg/mm³；锡槽温度255℃；浸润深度3mm；浸润时间5S；无铅表面张力γLV 为0.5mN/mm。

3.1 THT单引脚圆形（金属膜电阻）验证

普通电阻合格样品，取样20个，引脚沾取助焊剂后，进行可焊性测试。20个合格样品可焊性测试。从已知条件，可计算此电阻引脚样品的最大理论润湿力：

F=γLV•P-rvg=0.5×3.14×0.55/2-7.3×9.8×3.14×0.275×0.275×0.001=0.41(mN)

因为样品体积过小，浸入锡料后同时受锡料浮力的影响不能忽略不计，浮力线计算为：

f=-rvg=-7.3×9.8×3.14×0.275×0.275×0.001=-0.017(mN)。

从 20次测试曲线数据得知，所有样品均在1S内达到最大理论润湿力，其中最短时间为0.56S，最长时间为0.86S。说明器件在1S内能快速达到润湿，并且润湿力达到最大理论值，说明此时的焊接润湿角度也能达到最好的0°。因此，证明此器件样品可焊性优良。按照CPK的方法进行分析，CPK = MIN（Tu-u,u-Ti）/3σ。由于润湿力只设置下限值，没有上限值，按照单侧规格公式CPU = (u-Ti) /3σ。其中u为样品平均值，Ti为下限规格（此例定义为0.41），σ为样品标准差。经计算，样品1S时的CPU = 1.63，2S时的CPU = 1.45。均＞1.33，因此说明过程能力良好。

3.2 SMT中SOT器件可焊性验证

此次特地将样品开封放置在常温空气下10天，使引脚氧化，取样10个，引脚沾取助焊剂后，进行可焊性测试。观察所有样品测试曲线，其中最大润湿力≥0.41mN的有3条，其余7条线最大润湿力均＜0.41mN。对比1S 时各个样品，润湿力最大样品Fmax=0.62mN，润湿力最小样品Fmin=-0.09mN。从以上10次测试曲线数据得知，器件最终的润湿力大小一致性差。说明器件引脚氧化后会使器件的润湿力减弱，使可焊性会降低。并且使焊接润湿效果呈现不稳定的状态。说明此组样品可焊性能力不足，判断样品可焊性不合格。

3.3 验证不同焊接参数设定对可焊性测试的影响

焊接参数主要由不同浸润深度和不同浸润速度对可看性测试的影响。

首先对不同浸润深度进行了验证，浸锡深度≤1.3mm时，器件测试润湿力无法达到理论力的50%。

根据润湿力最小值、润湿力最大值、过浮力线时间、过理论力时间，分别与浸锡深度的建立关系式：

模拟计算润湿力MIN（Y1）与浸锡深度的关系（x）如下：

Y1=-0.0193x-0.3614，0.1≤x≤2.0

Y1=-0.75 ，2.1≤x≤3.0

模拟计算润湿力MAX（Y2）与浸锡深度的关系（x）如下：

Y2=0.0248x+0.1736，0.1≤x≤2.0

Y2=0.75，2.1≤x≤3.0

从以上数学关系式进行分析，被测器件大概在浸锡深度为2mm时趋近测试稳定。从过浮力线时间与浸锡深度的数据表明，这两个参数并未体现线性相关关系，当浸锡深度增加时，此类器件过浮力线的时间参数稳定在3.5-4.0S之间。

其次、对不同浸润速度进行验证，当浸润速度降低时，润湿力最小值也逐渐减小，这是由于缓慢的浸锡过程可以降低器件浸锡突破锡料的表面张力。当浸润速度降低时，润湿力最大值整略微升高，升高的幅度为0.1mN，这说明只要浸润深度不改变，器件的润湿力最终值偏差不大，以稳定后的最大润湿力判断器件可焊性时可行的。

4 结论

研究分析焊接基本原理，从焊接过程的机理出发，经过公式的推导，总结出以测试焊接过程“润湿力”的大小，来评估器件焊接性能的方法。通过建立可量化的控制器电子器件焊接性能评价，能更好的比较元器件的可焊性差异，解决只通过外观对可焊性分析判断无法量化问题。同时对焊接过程的影响因素进行研究验证，主要跟浸润深度存在一定关系，当浸锡深度为2mm，有利于测试过程的一致性和稳定性。同时只要保证浸润深度不变，器件的润湿力与浸润速度最终值偏差不大，均已以稳定后的最大润湿力判断器件可焊性。

作者简介：赵倩倩，女，广东珠海人，本科，主要从事电子工艺相关工作，具有十余年电子工艺研究经验。

参考文献

[1] 樊融融.现代电子装联工艺可靠性[M].北京：电子工业出版社,2012.