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,金屬基板的應用較為廣泛。但是,在金屬基板發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量,促進金屬基板行業發展的關鍵。

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,金屬基板因其優異的散熱性能。電磁屏蔽性能與機械加工性能等在電源設備領域得到廣泛應用。金屬基板的制造工藝包括預粘結工藝、粘結工藝及焊接工藝等,其中焊接工藝對金屬基板的質量影響最大。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,選用熔點大于235℃的高溫錫膏預防貼裝電子元器件時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,散熱性能好也導致了金屬基板在焊接過程在局部熱損失快,實際焊接溫度低于烙鐵設置溫度,焊條溶化后因為溫度低無法充分流動形成冷焊,給焊接工作增大了難度。另外,在金屬基板的生產制造中還存在板面錫珠、板邊縫隙、焊接空洞等質量問題,具體內容如下:

2.1 板面錫珠 在焊接過程在高溫使得錫膏熔融流動在金屬板上形成錫珠,導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:一是一碗內錫膏內松香含量高,錫膏活性大,焊接溫度造成松香揮發,從而導致錫珠冒出;二是PCB的通孔孔徑尺寸小,錫膏熔融流動時會沿通孔冒出,小孔內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到板邊距離不合理,焊接時發生熱應力變形會導致PCB板的邊緣翹起,造成錫膏流出板邊。PCB安裝孔對應的絲印鋼網擋錫避讓補償不合理,板面錫膏與板邊距離過小與過大都會導致安裝孔與板邊產生縫隙與流錫。安裝孔縫隙、板邊縫隙、流錫等情況都會影響金屬基板的使用性能,導致電子元器件無法正常運轉,焊接金屬基板質量不合格。

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,板面表面的焊錫內由氣泡痕跡,焊接空洞會影響PCB與金屬基的黏結效果。造成焊接空洞的原因有很多,焊接治具使用不合理、用錯絲印參數、用錯錫膏類型、回流爐溫度不準確、印刷機不符合印刷錫膏使用要求、觸點高度不一致、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,某些細節處理不當就會導致焊接空洞,影響金屬基板的制造質量。

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 合理設計PCB通孔孔徑,不同孔徑大小板面冒錫珠的情況不同,在設計通孔孔徑時可以設計的大一點,如1.2mm或1.5mm。PCB的通孔位置與絲印鋼網對應,進行擋錫避讓和內縮補償,內縮補償0.3～0.5mm,通孔位置不漏錫。內縮補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。結果表明,高溫錫膏A助焊劑配比11.7%,板面會有大量錫珠冒出;高溫錫膏B助焊劑配比9.5板面冒出的錫珠少于10個,最終選用助焊劑配比9.5%的高溫錫膏B。板面錫珠的數量與錫膏中的松香助焊劑配比有關,使用助焊劑配比9.5%的錫膏可以減少板面錫珠數量,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,找出導致安裝孔、板邊縫隙與流錫的原因。設計蓋板觸點到板邊的尺寸為0.5mm,擋錫避讓補償0.2～0.3mm[3]。蓋板觸點到板邊的尺寸合理時,在焊接過程中不會造成板邊翹起,有效避免了板邊縫隙與流錫的發生率。安裝孔位置對應絲印鋼網做擋錫避讓補償,設計參數為1.0～1.5mm,安裝孔無縫隙與流錫缺陷。

3.3 解決焊接空洞 PCB表面出現氣泡和空洞缺陷時,先測試表面處理方式是否與焊接空洞有關,試驗結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計選擇是影響錫膏鋪展的關鍵因素,焊接壓力過大會導致PCB與金屬基的連接部分出現空洞,焊接壓力過小會導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計焊接壓力,選用彈簧觸點式治具,觸點彈簧形變量設計參數為0.2～0.3mm。優化焊接工藝流程,實現金屬基板的批量生產。

結語

LED行業的發展帶動了金屬基板制造業的蓬勃發展,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,導致焊接金屬基板質量不合格。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量。