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2020-03-06

微波组件助焊剂松香清洗韦德国际1946官方网站分享:微波组件中多层陶瓷电容器装联工艺研究

发布者:韦德国际1946官方网站Unibright ; 浏览次数:114

微波组件助焊剂松香清洗韦德国际1946官方网站分享:微波组件中多层陶瓷电容器装联工艺研究


摘 要:多层陶瓷电容器(MLCC)在微波模块或组件电子装联焊接过程中,经常出现裂纹、断裂故障。通过模拟MLCC多种焊接方式,制备样品,进行DPA分析,发现目前常用的手工焊接方式会使MLCC产生不同程度的裂纹缺陷。这些裂纹在后续的环境试验中将不断扩大,从而导致产品失效。分析了MLCC裂纹产生的原因和机理,给出了MLCC无损伤的焊接方式。

关键词:微波组件;MLCC;DPA;无损伤焊接

 

多层陶瓷电容器(MLCC)是微波组件或模块中常用元件。由于组件或模块的体积较小,数量小、品种多、结构复杂,元器件的装联不适用钢版印刷涂胶、自动贴片等工艺,多采用手工电烙铁焊接方式进行装联。然而,经手工电烙铁焊接装联后的MLCC,在后续的测试调试、环境适应性试验中,经常出现因热损伤产生的裂纹,严重的可导致产品失效。

MLCC是由印刷金属电极(内电极)的生陶瓷介质膜(介质层)交替叠层,经高温烧结,制作端头电极而成[1],结构如图1所示。陶瓷介质、金属内电极材料和端电极材料的热膨胀系数相差较大,导热系数也有较大差异[2]。排除MLCC的制造缺陷,装联焊接是其产生失效的主要原因[3,4]。


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微波组件结构紧凑,在微波印制电路板设计时,可能使用片状元件共焊盘的方式以节省空间;另一方面,装联元器件可操作空间小,手工焊接时容易造成烙铁头触碰MLCC的端电极。这些现象都是导致MLCC热损伤的根源。当手工装联电烙铁焊接时,极易造成MLCC受热不均,其内部的热失配而产生热应力,在足够大的交变热应力作用下,MLCC可能发生热疲劳失效—电容器内部出现裂纹或多层结构内部脱落,甚至电容器本体断裂[5]。作者针对装联工艺中经常出现的问题,采用3种装联焊接工艺,制备了多组MLCC装联焊接样品,将焊接样品分组进行DPA(Destructive Physical Analysis),部分样品进行了温度冲击和循环试验,对结果进行了分析讨论,明确指出不适用于MLCC装联焊接的操作方法,并给出合理的工艺条件。

1 样品制备

试验选用智能恒温电烙铁和恒温加热台,Sn62Pb36Ag2含银铅锡焊料,国产某品牌0805规格MLCCs,厚度为1.6 mm的 FR-4印制电路板。样品PCB和电容器的编号如图2所示,左图为A组,右图为B组,并按照元器件位图进行安装焊接。

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烙铁设置温度280 ℃,实际焊接温度不低于220 ℃,焊接时间不大于3 s。焊接方法一(A、B分组,以下类推),采用较大规格烙铁头,1.5mm的焊锡丝,先焊接MLCC一端,然后分别焊接另一端;焊接方法二,采用与0805规格MLCC宽度匹配的烙铁头,0.6 mm的焊锡丝,按方法一操作,焊料量容易控制;焊接方法三,在MLCC装配焊接前,将印制电路板与电容器一起在设置温度为120 ℃的恒温加热台上预热5 min后,用元器件固定胶将MLCC粘固在PCB上,按方法二焊接操作。焊接方法四,采用SMT方法贴片焊接。安装焊接后的样品,一部分切片制作DPA样品,另一部分在温度试验后DPA,做分组对比。

2 试验过程

为了保证试验结果的可信度,全部样品制备由同一电装技师完成各分组MLCC的安装焊接操作。为了降低焊接热集中影响作用,每个MLCC先焊接一端后,再依次焊接另一端。

方法1和方法2,焊接操作难度较大,定位、焊料控制很难达到检验标准要求,焊接时MLCC受热时间相对稍长,且难免有烙铁头触碰MLCC电极的现象。方法3,MLCC焊接及焊料量的控制较方便,可以完全避免烙铁头触碰MLCC电极,经检验焊点外观除光亮度外与SMT的样品基本一致。

焊接件,按照GJB360B-2009,方法107(两箱法,空气介质),试验条件:-55~125℃,15 min,25次循环,进行温度冲击试验。

将安装好MLCCs的PCBA用包封树脂保护后,按照DPA显微分析制样程序制作样品,图2中箭头所示为DPA研磨方向。采用高倍率体视显微镜观察电容器内部结构,按照研磨进程,逐一对编号MLCC的内部结构进行扫描电子显微镜检测和图像记录。

3 试样陶瓷电容器DPA结果

3.1 外观检查

试验样品,在温度冲击试验前,经60倍显微镜下外观检查(正常检查放大倍率为5~10倍),未发现陶瓷电容器外观损伤缺陷。温度冲击试验后相同条件下检查,发现A1组a3位置和B1、B2组b1位置陶瓷电容器金属电极与陶瓷体结合处,存在疑似损伤微裂纹。

3.2  DPA分析

按试验组编号,将安装有MLCC的PCBA按照DPA样品制作程序进行研磨、显微检验取样,本文采用DZ-3型体视显微镜观察陶瓷电容器研磨界面结构,研磨过程中如发现PCBA上电容器内部结构异常,即对研磨界面进行摄片。

研磨解剖结果显示,共有12只电容器内部发现裂纹缺陷。其中,PCBA上a3位置电容器存在裂纹缺陷的比例为:A1组为20%、A2组为10%、A3/A4组为0;PCBA上b2/b3位置电容器存在裂纹缺陷的比例为:B1组为30%、B2组为20%、B3/B4组为0。MLCCDPA分析统计结果见表1,部分缺陷部位形貌(图中箭头所指位置)如图3所示。

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从图3可以看出,几乎所有裂纹缺陷都出现在MLCC的电极附近。

4 陶瓷电容器DPA结果分析

4.1 MLCC焊接热应力

MLCC是由陶瓷介质、金属内电极、端电极3部分组成,陶瓷介质和金属内电极交错形成叠层结构。不同材料的物理性质各不相同,特别是无机非金属和金属材料之间差异更大。在MLCC装联焊接中,材料的热膨胀系数和焊接热的传导对焊接可靠性影响很大,陶瓷介质材料的热膨胀系数约为7×10-6/℃、热导率为5 W/(m·K),而电极和焊接材料的热膨胀系数为16×10-6~23×10-6/℃,热导率为35~50W/(m·K)[6]。因此,当结构的温度变化时,其内部将产生热不匹配,并产生热应力,在足够大的交变热应力作用下,MLCC易发生热疲劳失效、电容器内部出现裂纹以及多层结构内部脱落失效。


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另一方面,手工焊接过程中,PCB的焊盘在高温烙铁头的作用下,局部受热、膨胀,冷却后收缩使MLCC处于应力装联状态。在后续的温度循环试验或装配应力作用下,应力释放,造成MLCC损伤。

4.2 分组试验结果对比

对试样MLCC外观目视检验和DPA解剖分析结果,采用焊接方法3、4分组中所有电容器未发现结构内和外形热应力损伤,说明回流焊工艺进行焊接,由于焊接过程中回流曲线设置了预热区,MLCC由室温较缓慢的升至焊接温度,温度变化梯度小,温度场较均匀,这样的焊接条件能有效减小电容器在电装过程中受到的综合应力的影响,最大程度保障电容器在电装环节的可靠性。

由于手工烙铁焊接,难以避免烙铁头触碰MLCC的端电极,且焊料量不易控制,PCB焊盘局部受热产生形变,这些原因造成MLCC内部热场分布瞬间突变,在强烈的温度冲击下产生热应力,使得MLCC形成应力安装,是MLCC焊接失效的主要因素。

5 结论

综上所述,陶瓷电容器采用手工焊接方式下进行装联时,出现内部结构裂纹、电极损伤,主要原因是:MLCC端头电极温度的温度急剧变化,其内部产生热不匹配,并产生热应力,PCB焊盘局部受热产生形变,在足够大的交变热应力作用下,MLCC易发生热疲劳失效、电容器内部出现裂纹以及多层结构内部脱落失效。

通过分组焊接对比试验表明,传统的MLCC手工焊接方式,易产生陶瓷电容器的结构性损伤,在微波模块或组件使用中,成为MLCC可靠性下降的主要原因;在微波模块或组件中,MLCC装联焊接不适合选用回流焊接工艺时,应当将电容器预先采用红胶固定,在适当预热条件下用恒温智能烙铁焊接,且烙铁头不能触及MLCC端头电极,烙铁头温度不应超过260℃,焊接时间为2~3 s。

外观检查和DPA解剖分析结果中,回流焊接试验组中全部电容器内部结构均未见异常,说明采用回流焊工艺进行焊接,能有效减小陶瓷电容器在装联焊接过程中受到的综合应力的影响,最大程度保障陶瓷电容器在电装环节的可靠性。

 文章来源: 陈以钢,戴立强 高可靠电子装联技术

参考文献:

[1] Chowdsry R, Koripella, Henry Dematos V. Fractography ofthermalshock-cracked mutilayer capacitors [J]. J Am Ceram Soc, 1999,52(6):2234-2257.

[2] JIANG Wu-Cui, FENG Xi-Qiao. Three-dimensional TheoreticalModelfor Estimating the Thermal Residual Stresses in MicroMultilayer CeramicCapacitors[J]. Compos Sci Technol,2007,67:1016.

[3] 陈增生. MLCC常见问题及解决途径[J]. 电子工艺技术,2006,27(6):336-343.

[4] 朱正虎. MLCC装配质量优化研究[J]. 电子工艺技术,2008,29(6):319-323.

[5] 庄立波. 多层陶瓷电容器端电极耐焊接热性能下降原因分析[J].理化检验-物理分册,2010,46(2):97-99.

[6] 查尔斯A 哈珀. 电子封装材料与工艺[M]. 北京:化学工业出版社,2006:112-122.




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