貼片變壓器回流焊起泡不良分析及解決方案

葉 華

（廈門柏恩氏電子有限公司，福建 廈門 361006）

在PCBA加工過程中，會用到貼片元器件和插件元器件。貼片元器件是通過錫膏印刷在PCB板后經(jīng)回流焊固化，DIP插件是將元器件插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的PCB板孔中。與插件元器件相比，貼片元器件的體積只有傳統(tǒng)插件元件的1/10；經(jīng)過SMT貼裝[1]，電子產(chǎn)品的體積可減少40%～60%；貼片元器件的質(zhì)量僅為傳統(tǒng)插件元件的10%；一般來說，采用SMT后，產(chǎn)品的質(zhì)量減少60%～80%。貼片元器件通常采用回流焊這種工藝焊接到線路板上，在回流焊工藝中，電子元件首先通過一層黏合劑被固定在PCB上，然后將PCB置于熱氣流中，使焊錫熔化并在電子元件和PCB之間形成可靠的焊點連接。由于回流焊工藝的特點，貼片元器件的整體需要耐受的高溫為250 ℃～260℃。而不是像波峰焊那樣只是局部受熱。這對貼片元器件本體耐短時高溫性能提出要求。

1 貼片變壓器基本原理及制造工藝

1.1 貼片變壓器基本原理

貼片變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理在不同電壓等級之間轉(zhuǎn)換交流電能的器件。它主要由磁芯和繞組構(gòu)成，磁芯是變壓器的磁路通道，繞組是變壓器的電路部分。貼片變壓器的原理如下：當(dāng)一次繞組通入交流電時，磁芯中產(chǎn)生交變磁通，這個磁通在一次繞組和二次繞組中都有穿過，從而在二次繞組中感應(yīng)出交流電壓。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，一次繞組和二次繞組的電壓比例與它們的匝數(shù)比例相等。貼片變壓器的結(jié)構(gòu)是磁芯由沖壓并燒制成型的鐵氧體組成，形成一個封閉的磁路。磁芯上有兩個或多個線圈，分別作為一次繞組和二次繞組。貼片變壓器的特點是體積小、質(zhì)量輕、安裝方便、可靠性高等優(yōu)點，被廣泛用于小型化、輕量化和高性能的設(shè)備中。

1.2 貼片元器件的回流焊制程

回流焊[2]是一種將電子元件與印刷電路板（PCB）焊接在一起的方法，主要利用焊膏（由焊料和助焊劑混合而成的糊狀物）作為連接介質(zhì)，通過控制加熱使焊膏熔化并與焊盤連接，從而完成元件與PCB之間的電氣連接和機械固定。回流焊是表面貼裝技術(shù)（SMT）的常用工藝，適用于生產(chǎn)高密度、高可靠性、高性能的電子產(chǎn)品?；亓骱傅倪^程一般分為4個階段，分別是預(yù)熱、浸熱、回流和冷卻。

1.3 貼片元器件的注塑成型工藝

注塑成型是制造塑貼片封裝最常用的工藝之一，它可以在短時間內(nèi)生產(chǎn)大量的高質(zhì)量塑料制品。注塑成型的基本原理是將加熱熔融的塑料注入到模具中，然后在模具中冷卻和凝固形成所需的形狀。注塑成型工藝可以分為兩類，即熱流道注塑和冷流道注塑。熱流道注塑是將塑料材料加熱到熔化點后通過熱流道系統(tǒng)直接注入模具中。熱流道注塑具有生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點，因此在大規(guī)模生產(chǎn)中被廣泛采用。冷流道注塑則是將塑料材料通過冷卻后的注射機從模具的側(cè)面注入到模具中，這種方法可以減少浪費和塑料殘留的問題，因此適用于生產(chǎn)高精度要求的產(chǎn)品。注塑成型工藝有許多參數(shù)需要控制[3]，其中最重要的是控制溫度、壓力和速度。正確控制這些參數(shù)可以確保成品質(zhì)量穩(wěn)定，而不良的控制可能會導(dǎo)致產(chǎn)品的缺陷或損壞。

2 貼片變壓器回流焊起泡不良分析

2.1 回流焊制程中的塑料形變

該文針對于某產(chǎn)線小型化PA6T高絕緣貼片變壓器量產(chǎn)生產(chǎn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投入500顆產(chǎn)品時，經(jīng)過回流焊工藝，存在不良現(xiàn)象產(chǎn)品為1顆，產(chǎn)品良率為99.5%，不良現(xiàn)象為產(chǎn)品上蓋表面鼓包凸起，但是電性能符合規(guī)格要求。所采用的回流焊工藝為斜升式回流焊，溫度曲線圖及不良現(xiàn)象如圖1和圖2所示。

圖1 回流焊溫度曲線

圖2 貼片變壓器不良現(xiàn)象

從圖中可以看出，產(chǎn)品在回流焊爐中前進，在60s后進入預(yù)熱溫區(qū)，溫度快速上升超過150℃，并且逐漸升至190℃以上。然后進入焊接溫區(qū)，溫度迅速升至250℃，持續(xù)大約60s。不良品經(jīng)過磨切片后觀察，在上蓋的鼓包起泡位置截面有空洞分層。這種現(xiàn)象影響后續(xù)的裝配工藝。因此需要解決回流焊制程中的形變問題。

2.2 不良原因分析

該文小型化高絕緣貼片變壓器外圍由兩種塑料零件包裹，其中頂層零件（上蓋）由熱塑型塑膠材料PA6T的制成，下層零件（包殼）由熱固型塑膠材料DAP制成，并采用注塑成型工藝塑形。熱塑型塑膠（如PA6T）具有良好的熱塑性，可在一定溫度范圍內(nèi)軟化、流動，并且可以多次重復(fù)加工。而熱固型塑膠（如DAP）在加熱后會發(fā)生化學(xué)固化反應(yīng)，形成固態(tài)結(jié)構(gòu)，無法再次軟化和流動。

根據(jù)注塑成型工藝流程及原理可知，原料烘烤不足導(dǎo)致水分殘余和模具溫度過高會導(dǎo)致在回流焊制程中受熱膨脹形變。在回流焊制程中，高溫環(huán)境下原料中殘留的水分可能會蒸發(fā)形成氣泡，由于熱塑型塑膠的可流動性，氣泡會導(dǎo)致塑料材料發(fā)生膨脹，從而在產(chǎn)品表面形成鼓包凸起現(xiàn)象。而熱固型塑膠由于無法軟化和流動，氣泡無法擴散和釋放，可能會導(dǎo)致更明顯的起泡不良現(xiàn)象。

因此該文從原材料含水量定性分析、含水率對鼓包形變影響、產(chǎn)品吸水率驗證、環(huán)境溫濕度驗證及不同材料驗證等5個角度進行貼片變壓器回流焊起泡不良分析。通過試驗步驟和理論原理的擴展，可以更全面地了解貼片變壓器回流焊起泡不良的原因。試驗中的不同產(chǎn)品吸水率試驗環(huán)境的設(shè)置可以幫助確定原材料烘烤水分對不良現(xiàn)象的影響。試驗結(jié)果將提供有關(guān)水分控制和烘烤條件優(yōu)化的重要信息，以減少起泡不良產(chǎn)品的發(fā)生率，提高貼片變壓器的制程良率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3 貼片變壓器注塑成型工藝分析

3.1 原材料含水量分析

注塑成型工藝的第一步是原材料烘烤，因此將采用烘烤工藝制作完成后的料管直接取出并進行回流焊，將PCB和元件迅速加熱到峰值溫度，使焊膏中的焊料完全熔化并與焊盤和元件端頭潤濕、擴散、混合，形成均勻、完整、可靠的焊點，即可確定原料水分殘余對回流焊制程的影響。分為3組對照試驗進行探究。

第一組：料管溫度325℃，原料120 ℃，烘烤4h生產(chǎn)，測出結(jié)果原料水分小于0.1%以下，實測數(shù)據(jù)為0.05%。第二組：料管溫度300℃，原料120℃，烘烤4h生產(chǎn)，測出結(jié)果原料水分小于0.1%以下，實測數(shù)據(jù)為0.05%。第三組：料管溫度325℃，原料66℃，烘烤4h生產(chǎn)，測出結(jié)果原料水分大于0.1%以上，實測數(shù)據(jù)為0.12%。

根據(jù)試驗結(jié)果可以得出結(jié)論，前兩組試驗條件下生產(chǎn)的成品測得的水分含量為0.48%，經(jīng)過2h的放置后進行回流焊制程，沒有出現(xiàn)起泡的不良品。第三組試驗條件下生產(chǎn)的產(chǎn)品測得的水分含量為0.97%，經(jīng)過2h的放置后回流焊制程，出現(xiàn)了5個起泡的不良品，占0.5%。因此可以認(rèn)為，引起上蓋起泡不良與原材料烘烤水分不達(dá)標(biāo)有關(guān)。

3.2 含水率對鼓包形變的影響

根據(jù)原材料含水量分析可知，烘烤水分是導(dǎo)致上蓋形變的關(guān)鍵原因。因此通過生產(chǎn)制程改良后提升了原料烘烤溫度。將經(jīng)過供應(yīng)商改良生產(chǎn)制程的貼片變壓器進一步進行驗證分析，首先將貼片變壓器成品分為兩組，第一組直接進行回流焊工藝，另一組分先放置在120 C°烤箱里烘烤4h后，再通過回流焊工藝。1）未經(jīng)過烘烤直接通過回流焊爐，在上蓋通過回流焊前外觀檢驗投入7523EA，未發(fā)現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；上蓋通過回流焊后外觀檢驗發(fā)現(xiàn)有鼓包不良現(xiàn)象，不良品數(shù)為8EA，不良率為0.11%，不良率從0.5%降至現(xiàn)在的0.11%，說明提升原料烘烤溫度的供應(yīng)商改良制程有效。2）上蓋先放在120℃烤爐內(nèi)烘烤4h，再通過回流焊，上蓋試驗前外觀檢驗投入2000EA，未發(fā)現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；上蓋烘烤后外觀檢驗投入2000個，未發(fā)現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；最后上蓋通過回流焊后外觀檢驗投入2000個，未發(fā)現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。

考慮到產(chǎn)品使用了塑膠材料，塑膠材料會吸收周圍環(huán)境中的水汽，使自身含水量增加。為精確確認(rèn)含水率對鼓包形變的影響，做了以下對比試驗：準(zhǔn)備上蓋15000個，分為3組，放在120℃烤爐內(nèi)烘烤，每2h取出一組（5000個），得出烘烤時間與含水量關(guān)系見表1。

表1 含水率對鼓包形變的影響

3.3 產(chǎn)品吸水率驗證

由于塑膠材料置于空氣中，會不斷吸取空氣中的水汽，直至達(dá)到飽和，因此進行以下試驗，驗證產(chǎn)品吸水能力。取上蓋 1000 EA，120℃烘烤6h后放在開放空間（環(huán)境溫度為25℃±5℃，濕度為70%±5%）。分別監(jiān)控第0，1，3，5，7，10天早中晚含水率，記錄溫濕度值作為監(jiān)控，直到含水率不再上升為止，每次測3組含水量，并記錄所有含水率數(shù)值。得到的靜置時間與含水量關(guān)系見表2。

表2 產(chǎn)品吸水率隨時間變化情況

試驗證明在開放空間（環(huán)境溫度為25℃±5℃，濕度為70%±5%）靜置5天基本達(dá)到烘烤前的含水率，靜置7天含水率不再明顯提高（即達(dá)到飽和狀態(tài)）。

3.4 環(huán)境濕度對塑膠材料吸水率的影響

為驗證環(huán)境濕度對塑膠材料吸水率的影響，進行以下試驗驗證。取上蓋1000 EA，120℃烘烤6h后放在溫度為85℃，濕度為85%的環(huán)境試驗箱內(nèi)。分別監(jiān)控第0，1，3，5，7，10天早中晚含水率，記錄溫濕度值作為監(jiān)控，直到含水率不再上升為止，每次測3組含水量，并記錄所有含水率數(shù)值。得到的靜置時間與含水量關(guān)系見表3。

表3 環(huán)境濕度對塑膠材料吸水率的影響

試驗證明雙85環(huán)境下靜置2天基本達(dá)到烘烤前效果（相當(dāng)于在開放空間（環(huán)境溫度為25℃±5℃，濕度為70%±5%）下靜置5天效果），靜置10天基本飽和，飽和含水率比與環(huán)境濕度成正比。且烘烤不是必須的，只要能將上蓋的含水率降低到一定數(shù)值，那么也可以避免不良的發(fā)生。

3.5 不同塑膠材料吸水率的影響

另一個方案是更改材料，使用吸水率更低的材料PA10T。PA10T樹脂是一種生物基半芳香族聚酰胺，其分子式由長碳鏈葵二胺和芳香苯環(huán)結(jié)構(gòu)組成，是我國自主開發(fā)的一種耐高溫樹脂，作為目前唯一的生物基半芳香族聚酰胺，除了擁有脂肪族聚酰胺良好的加工性能和全芳香族聚酰胺突出的極高耐熱性，還兼具優(yōu)異的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、耐溶劑性、耐磨性和低吸水率等特點，在很寬的溫度范圍內(nèi)、高濕度環(huán)境中仍能保持良好機械強度和尺寸穩(wěn)定性，可應(yīng)用于航空航天、大型機械、軍工、化工、電子電氣和汽車領(lǐng)域。

3.5.1 PA10T產(chǎn)品吸水率試驗

取上蓋 1000 EA，120℃烘烤6h后放在開放空間（環(huán)境溫度未25℃±5℃，濕度為70%±5%）。分別監(jiān)控第0，1，3，5，7，10天早中晚含水率，記錄溫濕度值作為監(jiān)控，直到含水率不再上升為止，每次測3組含水量，并記錄所有含水率數(shù)值。得到的靜置時間與含水量關(guān)系見表4。

表4 環(huán)境濕度對PA10T材料吸水率的影響

3.5.2 高溫高濕環(huán)境影響

取上蓋 5000 EA，放在溫度為85℃，濕度為85%的環(huán)境實驗箱內(nèi)。48h后檢測含水率，通過回流焊制程，看是否有鼓包起泡的不良現(xiàn)象。得到結(jié)果見表5。

表5 含水率對PA10T材料鼓包形變的影響

試驗證明在開放空間（環(huán)境溫度為25℃±5℃，濕度為70%±5%）靜置5天基本達(dá)到烘烤前的含水率，靜置7天含水率不再明顯提高（即達(dá)到飽和狀態(tài)）。且使用吸水率低的塑膠材料，這樣可以解決產(chǎn)品在回流焊制程中的鼓包起泡的不良問題。

根據(jù)以上試驗可知，通過提高原料的烘烤溫度，優(yōu)化回流焊工藝參數(shù)以及注塑成型工藝參數(shù)，減少了貼片變壓器的形變現(xiàn)象。采用這些改進措施不僅提高了貼片變壓器的質(zhì)量，降低不良品率，還提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

該文根據(jù)量產(chǎn)產(chǎn)線的實際情況分析，進行原材料含水量定性分析、含水率對鼓包形變影響、產(chǎn)品吸水率驗證、環(huán)境溫濕度驗證及不同材料驗證等5個方面的試驗，證明無論是PA6T還是PA10材料，只要貼片變壓器含水率低于0.34%就可以解決產(chǎn)品在回流焊制程中的鼓包起泡的不良問題。這對貼片變壓器等高頻貼片元器件的量產(chǎn)研究具有重要的指導(dǎo)意義。