小孔徑Hot-bar工藝管理及失效模式探究

合肥鑫晟光電科技有限公司□彭媛媛 陳 紅 吳學咿 王 鑫 趙 濤 熊鵬輝 宋飛飛 趙凱旋 王曉磊

1 緒論

（1）背景

Hot-bar工藝即通過錫膏焊接技術將FPC和PCB相互連接，從而達到輕、薄、短、小的目的。Hot-bar工藝錫膏溫度最高達到265℃以上；Hot-bar工藝為錫膏二次加熱，適合于以下情況，如助焊劑、壓力、溫度和時間等條件無法滿足，很容易出現冷焊、冒錫不均勻等現象，從而大大降低了焊接強度，急需優化工藝條件，此時即可引入Hot-bar。

（2）Hot-bar焊接的原理

PCB焊點印刷錫膏后過回流焊形成錫膏焊點，在焊點上涂覆助焊劑，將FPC對位到PCB上面進行加熱壓合，見圖1。區別于傳統使用發熱棒的人工焊接，Hot-bar是設備提供脈沖電源，利用電流經過壓頭治具產生電阻熱加熱壓頭實施焊接，在整個加熱回流和冷卻周期內施加壓力，使得焊錫二次充分熔化，冷卻固化后形成永久的電氣連接。

圖1 Hot-bar工藝及實物圖示

（3）Hot-bar焊接工藝

Hot-bar焊接是通過控制通電加熱時間控制接入的能量，保證接頭可靠連接。那些不能使用SMT回流爐進行焊接的器件，原本可以使用恒溫烙鐵進行手工焊接，但是手工焊接容易出現焊接外觀不一致、不平整，甚至虛焊或焊壞產品等缺陷，且效率低下，而全自動設備價格高昂，此時即可使用Hot-bar，其升溫、降溫快，對焊接物旁元器件無損害。

本文引入半自動Hot-bar機臺適合于單個熱壓區壓頭連接，成本低廉、加熱加壓穩定且人員易操作，便于日常維護，通過常規的測試監控，可確保品質穩定，提高生產效率。見圖2。

圖2 雙夾具半自動Hot-bar機

2 Hot-bar 工藝條件探究

（1）印刷工藝及監控規范

本設計方案適用于焊接焊點數多達70個，焊點冒錫孔徑多見于0.05mm～0.3mm等常見小孔徑。Hot-bar焊點PAD涂覆錫膏量多少決定冒錫高度。要求鋼網開孔1：1設計，常規厚度0.08mm。傳統監控模式為SPI監控范圍為70%～180%。可通過管控印刷工藝穩定性，將SPI體積、面積和高度監控范圍縮小至90%～130%。通過100%SPI監控錫膏爐前印刷狀態，錫膏體積波動小，焊接時冒錫均勻。

（2）助焊劑涂覆

1）助焊劑特性：PCB與flex熱壓之前錫膏已經經歷過一次回流焊，印刷在PCB板上的錫膏已經失去了原有的去氧化能力，所以在Hotbar之前要加入助焊劑去除回流焊后Hot-bar PAD上的氧化物，同時增加錫膏的熱焊接流動活性。

2）助焊劑涂覆方式：傳統的涂覆方式為助焊劑手動涂抹或者半自動氣動針閥式，助焊劑量大且擴散不均勻。本方案為提高效率首次使用全自動撞針涂覆，通過雙向兩次多點線性涂覆，助使焊劑潤濕擴散均勻，所有焊點被全部覆蓋，涂覆狀況最佳。

（3）Hot-bar焊接條件探究

1）Hot-bar材料設計和壓頭選擇

一般來說，壓力的要求并不是特別高，在壓合過程中，壓頭下壓是為了將熔融的焊錫把FPC與PCB互相貼緊，所以設定的壓力主要看FPC是否在壓合面上有下壓的痕跡，壓合后軟板和硬板之間有錫膏充滿，軟硬板之間間隙略大于10μm即可。若PCB設計將Hot-bar Pad低于PCB阻焊面時或FPC設計將FPC表面Pad低于FPC阻焊層，則需適當增加壓力。PCB阻焊層與PAD高度差不要超過20μm設計，一般水準為5μm～15μm左右。FPC表面阻焊層與PAD高度差要求更加嚴格，一般要小于12μm。GAP越小越有利于冒錫均一性，這就要求FPC和PCB原材廠商調整制程，做常規切片進行數據監控。

Hot-bar壓頭選擇同樣重要，既要完全覆蓋焊接面PAD且上下左右要預留出0.2mm以上空間，保證壓頭避開焊接面附近軟板多層區域，防止壓頭被墊起，進而阻焊面出現冷焊或空焊問題。壓合前要考慮Hot-bar機臺的穩定性，如氣缸輸出壓力下限是0.9kgf，則實驗條件設定至少為1.1kgf以上，防止氣缸臨界點重復性較差問題，需提前做機臺Hardware關鍵參數驗證。

2）Hot-bar溫度、時間條件選擇

為了壓合過程中溫度更均一，升溫更快，需給機臺一個backup恒定溫度，作為溫度補償，起到保溫效果。理想二次回流焊曲線分為兩段三個溫區，但加熱、恒溫和回流時間相對較短，見圖3。

圖3 理想回流焊曲線

預熱區：將PCB的溫度從周圍環境溫度提升到所需的活性溫度。升溫過快會產生熱沖擊，升溫過慢錫膏會感溫過度，溶劑揮發不充分，影響效率。Ts1：2s～6s。

恒溫區：助焊劑活化區域，去除表面的金屬氧化層，二次熔錫。W1：180℃～190℃，Tb：4s～6s。

回流區：焊錫充分熔融，峰值溫度主要與焊錫的種類相關，一般無鉛焊錫最低溫PAD需＞240℃，Ts2：2s～6s，W2：240℃～250℃，Th：4s～6s。

冷卻區：盡可能快的速度冷卻，有助于得到明亮的焊點并形成好外形。緩慢冷卻會產生灰暗毛糙的焊點，引起焊點結合力減弱。W3：140℃～150℃，Tt：3s～6s。

3）Hot-bar溫差要求

由于線路設計的影響，Hot-bar區域每一個PAD的實測溫度都不同，接地PAD實測溫度較低，無效PAD溫度較高，溫度直接影響熔錫效果，要想保證低溫PAD的達到熔錫效果，同時高溫PAD溫度又不能過高，應不以超過300℃為限，以免燙傷FPC。理想的溫差控制在60℃以內。本案例35個PAD中實測最低溫度為246℃，最高溫度305℃，溫差為59℃，這就要求FPC材料的耐熱溫度在305℃以上，同時SMT廠日常監控高低溫PAD溫度變化。

4）Hot-bar條件DOE方案設計

為了找出最佳Hot-bar條件，需設計DOE實驗。如首次試做可進行全因子設計，輸入變量X選擇助焊劑質量、焊接壓力、焊接溫度和焊接時間，相應變量Y選擇Hot-bar焊接后拉力值，拉力越大焊接效果越好，見表1。

表1 全因子DOE設計方案

本案例實驗結論，壓力、焊接溫度、焊接時間是影響拉力的顯著因子，助焊劑質量的影響不顯著；壓力、焊接溫度、焊接時間主效應顯著，且焊接時間與焊接溫度存在明顯交互作用。得出Hot-bar焊接的最佳工藝條件為助焊劑0.5mg，壓力1.3kgf，焊接溫度245℃，焊接時間5s。

3 Hot-bar 焊接質量分析

（1）Hot-bar制程品質管理

為了確保量產品質穩定，對設備穩定性點檢非常重要，如班別進行設備溫度曲線量測、壓力測試、平整度、位置度測試并記錄，以便異常時追溯。IPQC增加關鍵CTQ過程品質監控項目，見表2。

表2 過CTQ管控項目

（2）Hot-bar失效類型及原因探究

1）橋接：當錫膏量過多，FPC材料油墨厚度出現波動時，焊錫溢出不均一，會流出PAD區域導致PAD之間連錫，形成短路不良。需排查錫膏量和FPC材料油墨厚度。

2）空焊：錫膏過少或壓力過小導致孔內錫膏未完全熔融在一起，形成開路，見圖4。主要排查錫膏印刷量和是否有有效壓力。

圖4 空焊無冒錫

3）冷焊：焊點表面呈現灰暗色，表面不圓潤呈顆粒狀，橫向切片可見孔內錫膏為凸起倒U形；正常品為錫膏四周掛壁呈現凹陷正U形，見圖5。溫度過低、恒溫和回流時間過短、助焊劑過少等易造成冷焊。

圖5 孔內錫膏凸起vs凹陷掛壁

4）少錫：孔內冒錫不足，冒錫高度不夠，需排查錫膏量、有效壓力、FPC&PCB材料阻焊油墨厚度是否均勻。

5）錫裂開路：軟硬結合底部GAP過大，易造成錫裂，形成類似虛焊的Open不良。需做充分DOE實驗。

6）FPC表面燙傷：FPC表面有明顯的發白氣泡，需排查FPC材料是否受潮或者高溫PAD溫度是否超標。

4 總結與展望

本論文詳細闡述Hot-bar基本工藝原理，結合半自動設備應用特點，對熱焊接工藝中的設備治具、材料設計和工藝條件等多方面影響因素進行詳細梳理。輸出DOE實驗方案和品質精益管理經驗，較易形成標準化文件。對Hotbar常見不良失效模式研究，可有效預防批量性不良，具有較強的水平展開性，大幅提升產品競爭力。

Hot-bar工藝具有生產效率高、成本低、節省材料、易于自動化等特點，是重要的焊接工藝之一。對工藝管理和失效模式的探究，為之后相關制程提供了經驗與方向，有著普適性和前沿性。