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MLCC的装焊质量控制
材料来源:SMT CHINA           录入时间:2018/1/8 12:30:05

(本文摘自《SMT China表面组装技术》杂志2017年12月/2018年1月刊技术文章,仅限于SMTC读者及业内人士参考,不得作为商业用途!版权所有,违者必究!)

                                        ——张 伟 (中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所)

片式陶瓷电容采用陶瓷材料作为绝缘介质,其内部由多个电容错位叠压而成,简称MLCC。MLCC具有体积小、单位体积电容量大、受温度等环境因素对性能影响小等优点,在军用通讯、雷达、炮弹引信、航空、航天、武器系统等领域被广泛应用。为了适应集成电路和表面贴装技术的发展, MLCC朝着高容量和小型化的方向发展, 力求使多层陶瓷电容器叠层层数多, 介质层厚度薄。但随着MLCC 变得越来越小(薄), MLCC 装配的难度加大且易出现失效问题。本文作者结合生产现状,对装焊过程中出现的MLCC失效问题进行归纳总结,从优化生产工艺和设计改进着手,最终实现MLCC的高可靠性装焊。

一、 MLCC
失效类型

MLCC可靠性高,可长时间稳定使用,但如果器件存在来料缺陷或者在装焊过程中产生缺陷,则会对其可靠性产生影响。器件的来料缺陷,包含MLCC烧结过程中产生的空洞、烧结裂纹、分层等缺陷;器件的引入缺陷主要包括装焊过程中的各种应力损伤。

本文以下内容着重讲述装焊过程MLCC的引入缺陷产生的原因,引入缺陷造成的微裂纹往往很难从外观上进行分辨,随着温度变化、组装过程或者试验阶段才会彻底暴露出来。对于引入性缺陷采取破坏性物理分析(DPA: Destructive Physical Analysis)是一种有效手段,通过对电容器的剖面进行金相物理检查,检查器件内部分层、空洞、裂纹等缺陷,可有效的对器件失效模式进行判断,预防设计与工艺相关的缺陷,最终达到保证产品质量和可靠性的目的。

根据国内某实验室归纳总结,以DPA分析最终结论进行统计,MLCC在装焊过程中常见的失效类型比例如图1所示。

1.1 板弯失效

板弯失效,又称45°角失效。从金相切片图示上显示,见图2,一般会在瓷体和金属电极的交接点斜向上呈线一条近似45°角的裂纹线。经过温度冲击、振动试验后,电流集中在裂纹位置并使之逐渐发热升温,温度过高将导致内部电极熔化及瓷体向外膨胀,最终发生爆裂。

板弯失效形成的原因是主要是装配过程中印制板受外力弯曲或焊接后印制板、MLCC电极端、陶瓷介质三者的热膨胀系数不同,最终使两焊接端产生相反方向的机械应力,见图3,应力集中在电容最弱的位置,一般在瓷体和金属电极的交接点, 最终产生裂缝。

在生产装配过程中,板弯失效多发生在拼板分割、印制板焊接后、机械安装等装焊环节。

1.2 热冲击失效

当MLCC焊接时,由于MLCC的内外陶瓷的膨胀幅度不一样,易从焊接端头开始形成带有弧形的裂痕,图4为MLCC热冲击失效外观图,图5为热冲击失效DPA图。

热冲击失效形成的主要原因是温度曲线缺陷、焊接过程或焊接后温度跳跃变化、未充分考虑器件的温度特性而选用不适合工艺方法等造成。

在生产装配过程中,热冲击失效多发生在波峰焊、补焊、手工焊等环节。

1.3 机械损伤失效

MLCC由多个电容错位叠压而成。陶瓷材料本身特性脆弱,多层叠加后,受外力作用易断开而导致电容失效。

在生产装配过程中,由机械损伤引发的失效多发生在器件周转、表面贴装、手工焊接、印制板清洗等环节。

1)   器件周转环节:器件磕碰、跌落,可造成开裂;见图6。

2)   表面贴装环节:吸嘴下行设置高度误差,板面布局较集中无法使用支撑柱或未使用支撑柱,可造成开裂;见图7。

3)   手工焊接环节:焊接过程烙铁头或防静电镊子按压器件本体、器件两端头焊锡量过多或不均匀,可造成开裂,见图8。

4)   印制板清洗环节:手工清洗用力过大、清洗方法错误或清洗刷头过硬,可造成开裂;若器件在前工序已造成了内部裂纹存在,则MLCC在清洗工序中可能造成电极和陶瓷本体脱落的现象,见图9。


1.4 过压过流失效

施加在元器件上的激励稳定性是保证元器件正常工作的重要条件,而当外界电压或电流超过器件的最大技术条件时,器件的性能会减弱甚至损坏,而这种伤害俗称过度电性应力,简称EOS;从DPA分析图可以看出,遭受过度电性应以伤害的MLCC,其裂纹从内部开始呈爆炸状分散,如图10所示。

除去产品电路系统未设计限压、限流保护方案因素外,在生产装配过程中,造成器件过应力伤害最有可能的原因就是静电伤害,因此装焊过程的静电防护应该贯穿于产品的整个生产、调试期。

1.5 其它类型失效

器件的保管与存放是容易忽视的环节,比如湿敏器件的存放,空气中的湿气通过扩散进去器件材料的内部,而在回流焊过程中器件暴露于200℃的温度下,快速的湿气膨胀,材料的不匹配以及材料界面的劣化等因素的共同作用会导致器件内部的开裂或分层;另外存储环境不匹配或者超保质期器件氧化造成可焊性差等因素都是器件失效原因之一,图11为MLCC焊接端头因为可焊性差造成的焊点空洞缺陷。

二、
改进与要求

根据上述造成MLCC器件失效的原因,从以3个方面进行改进、优化和加强。

2.1 设计与结构的改进

针对板弯失效模式应首先从结构设计布局上进行优化,应充分考虑MLCC的尺寸、容量和电压特性对比。同等材质、尺寸和电压值的MLCC,容值越高,介质层数就越多,每层就越薄;同等材质、容量和耐压值的,尺寸越小,每层就越薄;介质越薄越容易断裂。因此,布局时要充分考虑印制板的变形方向与MLCC的安装方向以及器件的特性,板面尺寸。比如拼板分割时,分割线边缘处所受的机械应力最大,见图12,在EDA板面布局时,器件位置应尽量远离分割线且选择平行于分割线布置,可减少所受应力;通孔元器件布局和铆接接线柱的焊盘孔应与MLCC布局留有安全距离。PCB板安装时应,板上的连接器附近加装滤波电容,进行连接器插拔时,若连接器周围没有板面支撑设计,PCB板产生翘曲变形也可导致附近的器件产生裂纹,因此可考虑在连接器周围增加安装孔或垫柱设计,以减少插拔过程印制板的变形。其次,从工艺设计流程上进行优化,通过制作托盘工装,将丝网印刷→表面贴装→回流焊接→裁板这种工艺流程改为表贴喷印→表面贴装→回流焊接工艺流程,以托盘工装为载体连接各小板,可省去拼板后再裁板的工步,图13为某产品使用托盘工装后的效果图。

若板面布局受结构因素影响无法更改,可适当考虑降档选择引线封装的电容或者采用开路式设计的电容器或带有支架的电容进行替代。

2.2 工艺的改进

工艺方法选择上应多考虑MLCC的温度特性和尺寸,避免热应力造成的缺陷。比如1210以上的大尺寸MLCC,在选择焊接工序时,不宜采用波峰焊接,因为大尺寸的电容导热设计不如小尺寸,容易造成电容受热不均匀,从而产生破坏性应力。而一但焊接方法确定为波峰焊接或回流焊接时,应注意焊接设备的温度曲线设置,温度曲线应由授权的工艺技术人员负责设定,验证、修改和发布;参数设置中跳跃温度不能大于150℃,温度变化不能大于2℃/秒,预热时间应大于2分钟以上,焊接完毕不能采取辅助降温设备,应自然随炉温冷却。典型有铅的MLCC波峰焊接曲线见图14所示,典型有铅的MLCC回流焊曲线见图15所示。

手工焊接前,应增加焊接前的预热工序,根据尺寸的不同,预热时间也有所不同,见表1;预热时ESD镊子和MLCC应同时放置在加热台上,可以避免镊子接触MLCC时产生温度变化;同时为避免器件的过热损伤,应逐个预热、逐个焊接。焊接时,焊料高度应有所控制,因为焊锡冷却后产生收缩力,若器件电极两端焊料高度不一致则产生大小不等的收缩力,后期环节外力作用于MLCC本体易造成电极拉脱现象。因此,手工焊接时,电极两端的焊料高度已控制在电容本体高度的1/3~2/3位置为宜,见图16。手工焊接全过程,禁止烙铁头直接接触电容电极或本体;若在工艺文件规定时间内未焊好,应等焊点冷却后再复焊,复焊次数不得超过两次;以上的内容,应切实落实到相关文件中。

2.3 产品防护及其它要求

由于陶瓷介质的脆性,任何环节所受的机械外力损伤都有可能对MLCC造成潜在的失效隐患。因此,全程的防护思想应该深入产品的全流程环节,在以下可能对MLCC产生失效的环节应做到“六应该、六禁止”原则。

1)   存储环节,MLCC的存储温度范围应控制在-10℃~30℃,相对湿度小于70%RH;且周围不能有氯、硫磺之类的腐蚀性物质存在。超期使用的器件应检测器件的可焊性方能使用,严禁破坏电容的原包装存储或可焊性测试不合格器件进行装焊。

2)   周转配送环节,器件应装入专用料带中周转和配送,严禁裸放或多料周转。

3)   贴装环节,吸嘴的下行高度应设置准确,器件更换或布局调整后应及时对参数进行调整,基板的支撑杆应均匀放置于贴装电容的附近,严禁无支撑或支撑分布不均衡现象存在。

4)   焊接环节,器件应轻拿轻放,预热焊接,为求贴板安装严禁钮子按压器件本体,焊接温度和次数应在工艺文件可允许的范围进行。

5)   清洗环节,动作应轻柔,严禁垂直于器件方向进行手工清洗,且慎用或禁用超声清洗工艺。

6)   测试环节,应合理优化测试方案,周期性通断和环境温度的周期性变化,会使PCB、陶瓷、电极三者的热膨胀失配从而使器件产生裂纹的可能性;测试电路中无限压、限流保护设计,可引起器件过压、过流失效。

以上任意环节,有可能造成MLCC瓷体破损或微裂纹的动作或不确定的判断,都应对器件进行更换,以免增加后期排故难度。

、 
结论

MLCC属于新型电子元器件,是电子信息产品不可或缺的基本组件之一;它在各类军用、民用电子产品的多种电路中被广泛应用。因此,MLCC的装焊质量控制显得尤为重要,所以产品的可靠性不仅是设计出来的,也是生产出来的,而检验只能验证产品的可靠性,不能提高产品的可靠性;从产品设计、生产工艺、过程管控三管齐下,才是实现高可靠MLCC装焊的三个基本途径。(SMTC@ACT)


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