焊接金屬基板的制造工藝改良

杜紅兵 紀成光 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、高頻率設備功放器件上，在熱傳導、電氣性能、機械性能等方面具有優良的特性。金屬基板加工工藝包括：Pre-Bonding（預粘結）工藝、Post-Bonding（粘結）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過程中，會出現以下品質缺陷：（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行全方位徹底改良，以實現焊接金屬基板批量生產。

1 產品設計

1.1 結構設計

焊接金屬基板結構如圖1所示，它是在金屬基上的絲網印刷錫膏，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，為預防二次貼裝電子元器件時焊接層熔融導致的PCB與金屬基分層偏位，選用高溫錫膏（熔點大于235 ℃）。

1.2 流程設計

1.2.1 子板流程

多層PCB板：開料→內層圖形制作→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、焊接空洞等品質缺陷，制定研究方法并提出改善措施，徹底解決焊接品質缺陷。

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，焊接過程松香揮發導致錫珠冒出；（2）PCB通孔孔徑設計較小，錫膏熔融流動，在毛細作用下沿通孔冒出形成錫珠；（3）PCB通孔位置對應絲印鋼網擋錫避讓補償小，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 試驗設計

為解決焊接冒錫珠問題，從以下4個原因入手設計試驗評估。

2.3.1 松香助焊劑含量對板面錫珠的影響

PCB通孔孔徑設計0.6 mm，PCB通孔位置對應絲印鋼網不設計擋錫避讓，選用兩種高溫錫膏A和B，設計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 絲印鋼網通孔擋錫避讓內縮補償對板面錫珠的影響

PCB通孔孔徑多為0.6 mm設計，為避免焊接金屬基板板面錫珠，對PCB通孔位置對應絲印鋼網進行擋錫避讓（通孔位置不漏錫），并進行一定的內縮補償。本試驗采用B錫膏（助焊劑配比9.5%，下同），設計絲印鋼網通孔擋錫避讓內縮補償0.3 mm和0.5 mm，研究絲印鋼網通孔擋錫避讓內縮補償對板面錫珠的影響。

2.3.3 PCB通孔孔徑設計對板面錫珠的影響

在PCB上設計0.6 mm、0.9 mm、1.2 mm和1.5 mm四種孔徑通孔，PCB通孔位置對應絲印鋼網不加擋錫點進行金屬基板焊接，采用B錫膏（9.5%）、彈簧觸點式治具（觸點彈簧形變量設計0.5 mm）焊接確認不冒錫珠孔徑，為金屬基板PCB過電孔孔徑設計指導。

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方案

2.3.4 焊接壓力對板面錫珠的影響

由于彈簧觸點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節彈簧形變量達到改變壓力的目的，因此采用彈簧觸點式治具實驗，設計三種彈簧觸點式治具，觸點彈簧形變量為1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm，根據板面冒錫珠狀況，確定合適的觸點彈簧形變量。

2.4 試驗結果及分析

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結果（見表2）。

試驗結果顯示：（1）板面錫珠數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，且板面錫珠數量最少，滿足絲印焊接要求。

2.4.2 絲印鋼網通孔擋錫避讓內縮補償對板面錫珠的影響

絲印鋼網通孔擋錫避讓內縮補償對板面錫珠的影響試驗結果如圖4所示。對PCB通孔位置擋錫造成焊接層的錫膏量減少，存在焊接層空洞風險，需超聲波掃描查驗焊接層空洞（見圖4）。

由以上試驗結果可以看出：（1）通過對PCB通孔位置對應絲印鋼網進行擋錫避讓并設計一定的內縮補償，可有效避免板面錫珠；（2）絲印鋼網擋錫避讓補償值不可過大，否則會導致焊接層空洞。

表2 松香助焊劑含量對板面冒錫珠的影響試驗結果

綜上所述，絲印鋼網通孔擋錫避讓內縮補償對板面錫珠有一定改善，但會導致焊接層空洞。

2.4.3 PCB通孔孔徑設計對板面錫珠的影響

PCB設計不同孔徑通孔焊接后，板面錫珠狀態為：0.9 mm通孔冒錫珠，1.2 mm和1.5 mm通孔沒有發現錫珠冒出。批量生產時，PCB通孔孔徑按1.2 mm設計，但由于焊接治具壓力穩定性影響，熔融流動的錫膏會沿孔壁上爬在孔環周圍形成凸起，（如圖5）。為避免錫膏沿孔壁上爬，對PCB通孔位置對應絲印鋼網設計擋錫環，避免錫膏印刷在PCB通孔孔環周圍，擋錫環環寬0.4 mm（如圖6）。

通過絲印鋼網圖形改進，并經批量驗證，板面無錫珠冒出和孔環周圍上錫凸起。

2.4.4 焊接壓力對板面錫珠的影響

PCB通孔孔徑1.2mm，絲印鋼網通孔位置設計擋錫環，采用B錫膏（9.5%）和彈簧觸點式治具，觸點彈簧形變量設計為1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm。焊接壓力對板面錫珠的影響試驗結果（見表3）。由試驗結果可以看出：觸點彈簧形變量設計為0.5 mm時，板面無錫珠冒出。

2.5 小結

金屬基板導通孔孔徑設計≥1.2 mm，采用松香助焊劑配比為9.5%的B錫膏，絲印鋼網通孔位置設計擋錫環。焊接治具彈簧形變量設計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 試驗設計

錫膏采用B（9.5%）、焊接治具觸點彈簧形變量設定0.5 mm，絲印參數和回流曲線已定，絲印時鋼網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到板邊距離設計不合理，焊接時觸點壓力導致PCB板板邊翹起，產生縫隙或錫膏流出板邊；

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

擬定試驗設計見表4。

圖4 絲印鋼網通孔擋錫避讓內縮補償對板面錫珠的影響試驗結果

圖5 錫膏沿孔壁上爬形成凸起示意圖

圖6 絲印鋼網擋錫避讓設計及錫膏印刷示意圖

表3 焊接壓力對板面錫珠的影響試驗結果

3.4 試驗結果及分析

板邊縫隙/流錫正交試驗、槽/安裝孔縫隙/流錫單因素影響試驗結果（見表5）。

試驗結果顯示：

（1）焊接治具蓋板彈簧觸點距板邊0.5 mm、PCB板邊對應絲印鋼網擋錫避讓補償設計0.2 mm～0.3 mm時，板邊無縫隙和流錫缺陷；

（2）開放槽位置對應絲印鋼網擋錫避讓補償設計1.0 mm～1.5 mm時，開放槽位無縫隙和流錫缺陷；

（3）安裝孔對應絲印鋼網擋錫避讓補償設計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

焊接金屬基板經超聲掃描發現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/流錫試驗設計

表5 焊接縫隙/流錫試驗結果

4.2 原因分析

將PCB和金屬基剝離后發現金屬基和PCB表面均有鋪展流平的焊錫，但是明顯存在氣泡痕跡，導致PCB和金屬基未能黏結在一起。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生空洞。

4.3 試驗設計

4.3.1 絲印鋼網連接筋寬度對焊接空洞影響

絲印鋼網連接筋寬度設計0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm四種，研究絲印鋼網連接筋寬度對焊接空洞的影響。絲印鋼網實物，圖中方格狀連線即為連接筋（如圖11）。

圖11 絲印鋼網實物圖

4.3.2 焊接面表面處理對焊接空洞影響

對焊接面進行沉金、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式治具焊接，研究焊接壓力對焊接空洞影響，試驗設計如圖12所示。

4.4 試驗結果及分析

4.4.1 絲印鋼網連接筋寬度對焊接空洞影響

錫膏采用B（助焊劑配比9.5%）、彈簧觸點式治具、觸點彈簧形變量設定0.5 mm，絲印參數和回流曲線不變焊接金屬基板。絲印鋼網連接筋寬度對焊接空洞影響試驗結果如圖13所示。試驗結果顯示：絲印鋼網連接筋寬度設計0.2 mm才能滿足絲印鋼網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%）、彈簧觸點式治具、觸點彈簧形變量設定0.5 mm，絲印參數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結果如圖14所示。

超聲波掃描結果顯示，采用彈簧觸點式治具、觸點彈簧形變量設計0.5 mm焊接，不同表面處理的焊接狀態差異不大，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結果（如圖15）。

圖12 焊接壓力對焊接空洞影響試驗設計

圖13 絲印鋼網連接筋寬度對焊接空洞影響試驗結果

圖14 焊接面表面處理對焊接空洞影響試驗結果

4.5 小結

（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）焊接壓力和治具設計是影響焊接時錫膏鋪展狀態的主要因素，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）絲印鋼網連接筋寬度設計0.2 mm，金屬基板焊接效果較好。

5 結論

通過一系列焊接金屬基板的制造工藝改良，并優化焊接治具和絲印鋼網的設計原則和制作方法，（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缺陷，實現了焊接金屬基板的批量生產。PCB產品通過客戶所有測試，無可靠性及信號傳輸缺陷，PCBA終端產品批量投放市場，得到市場認可。

圖15 焊接壓力對焊接空洞影響試驗結果

表16 焊接金屬基板的設計規范表