焊接金属基板的制造工艺改良

杜红兵 纪成光 陈正清

（生益电子股份有限公司，广东 东莞 523127）

0 前言

金属基板主要使用于高功率、高频率设备功放器件上，在热传导、电气性能、机械性能等方面具有优良的特性。金属基板加工工艺包括：Pre-Bonding（预粘结）工艺、Post-Bonding（粘结）工艺、Sweat-Soldering（焊接）工艺。由于焊接工艺的特殊性，焊接金属基板在批量生产过程中，会出现以下品质缺陷：（1）板面锡珠；（2）安装孔、槽位流锡；（3）板边缝隙/流锡；（4）焊接空洞这些缺陷影响产品的表观、电子元器件贴装和使用可靠性，本文将对这些缺陷进行全方位彻底改良，以实现焊接金属基板批量生产。

1 产品设计

1.1 结构设计

焊接金属基板结构如图1所示，它是在金属基上的丝网印刷锡膏，然后利用回流焊接工艺将PCB与金属基焊接在一起形成金属基板，同时，为预防二次贴装电子元器件时焊接层熔融导致的PCB与金属基分层偏位，选用高温锡膏（熔点大于235 ℃）。

1.2 流程设计

1.2.1 子板流程

多层PCB板：开料→内层图形制作→棕化→层压→钻孔→沉铜→外层图形制作→阻焊→选择性沉金→铣板→铣阶梯槽→电子测试→终检→与金属基配套（PCB为双面板则不需压合前流程）。

图1 焊接金属基板示意图

金属基流程：金属基加工→IQC检查→选择印油→沉金→褪膜→与PCB配套。

1.2.2 母板流程

焊接金属基板：开料→回流焊接→电子测试→终检→包装→出货（回流焊接流程为：金属基先丝印锡膏，上回流夹具，然后过回流炉，最后拆夹具，退销钉，清洁松香）

针对生产过程的板面锡珠、安装孔/槽位、板边缝隙和流锡、焊接空洞等品质缺陷，制定研究方法并提出改善措施，彻底解决焊接品质缺陷。

2 板面锡珠改良

2.1 问题背景

焊接过程中，锡膏熔融流动沿通孔冒出留在板面上（如图2），影响电子元器件在金属基板上的装配。

图2 板面锡珠

2.2 原因分析

板面锡珠影响因素的鱼骨图分析（如图3）。

板面冒锡珠的主要影响因素是：（1）锡膏中松香含量高，锡膏活性大，焊接过程松香挥发导致锡珠冒出；（2）PCB通孔孔径设计较小，锡膏熔融流动，在毛细作用下沿通孔冒出形成锡珠；（3）PCB通孔位置对应丝印钢网挡锡避让补偿小，锡膏熔融流动沿通孔孔壁上爬形成锡珠；（4）焊接治具压力大，焊接过程中将焊料挤出在通孔孔口形成锡珠。

2.3 试验设计

为解决焊接冒锡珠问题，从以下4个原因入手设计试验评估。

2.3.1 松香助焊剂含量对板面锡珠的影响

PCB通孔孔径设计0.6 mm，PCB通孔位置对应丝印钢网不设计挡锡避让，选用两种高温锡膏A和B，设计不同的松香助焊剂配比研究松香助焊剂含量对板面锡珠的影响（见表1）。

2.3.2 丝印钢网通孔挡锡避让内缩补偿对板面锡珠的影响

PCB通孔孔径多为0.6 mm设计，为避免焊接金属基板板面锡珠，对PCB通孔位置对应丝印钢网进行挡锡避让（通孔位置不漏锡），并进行一定的内缩补偿。本试验采用B锡膏（助焊剂配比9.5%，下同），设计丝印钢网通孔挡锡避让内缩补偿0.3 mm和0.5 mm，研究丝印钢网通孔挡锡避让内缩补偿对板面锡珠的影响。

2.3.3 PCB通孔孔径设计对板面锡珠的影响

在PCB上设计0.6 mm、0.9 mm、1.2 mm和1.5 mm四种孔径通孔，PCB通孔位置对应丝印钢网不加挡锡点进行金属基板焊接，采用B锡膏（9.5%）、弹簧触点式治具（触点弹簧形变量设计0.5 mm）焊接确认不冒锡珠孔径，为金属基板PCB过电孔孔径设计指导。

图3 板面锡珠影响因素分析

表1 松香助焊剂含量对板面冒锡珠影响试验方案

2.3.4 焊接压力对板面锡珠的影响

由于弹簧触点式治具压力较其他类型治具压力均匀，且可通过改变压扣高度调节弹簧形变量达到改变压力的目的，因此采用弹簧触点式治具实验，设计三种弹簧触点式治具，触点弹簧形变量为1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm，根据板面冒锡珠状况，确定合适的触点弹簧形变量。

2.4 试验结果及分析

2.4.1 松香助焊剂含量对板面锡珠的影响

松香助焊剂含量对板面冒锡珠的影响试验结果（见表2）。

试验结果显示：（1）板面锡珠数量与锡膏中松香助焊剂配比成正比；（2）锡膏中助焊剂配比为9.5%时，丝印效果良好，且板面锡珠数量最少，满足丝印焊接要求。

2.4.2 丝印钢网通孔挡锡避让内缩补偿对板面锡珠的影响

丝印钢网通孔挡锡避让内缩补偿对板面锡珠的影响试验结果如图4所示。对PCB通孔位置挡锡造成焊接层的锡膏量减少，存在焊接层空洞风险，需超声波扫描查验焊接层空洞（见图4）。

由以上试验结果可以看出：（1）通过对PCB通孔位置对应丝印钢网进行挡锡避让并设计一定的内缩补偿，可有效避免板面锡珠；（2）丝印钢网挡锡避让补偿值不可过大，否则会导致焊接层空洞。

表2 松香助焊剂含量对板面冒锡珠的影响试验结果

综上所述，丝印钢网通孔挡锡避让内缩补偿对板面锡珠有一定改善，但会导致焊接层空洞。

2.4.3 PCB通孔孔径设计对板面锡珠的影响

PCB设计不同孔径通孔焊接后，板面锡珠状态为：0.9 mm通孔冒锡珠，1.2 mm和1.5 mm通孔没有发现锡珠冒出。批量生产时，PCB通孔孔径按1.2 mm设计，但由于焊接治具压力稳定性影响，熔融流动的锡膏会沿孔壁上爬在孔环周围形成凸起，（如图5）。为避免锡膏沿孔壁上爬，对PCB通孔位置对应丝印钢网设计挡锡环，避免锡膏印刷在PCB通孔孔环周围，挡锡环环宽0.4 mm（如图6）。

通过丝印钢网图形改进，并经批量验证，板面无锡珠冒出和孔环周围上锡凸起。

2.4.4 焊接压力对板面锡珠的影响

PCB通孔孔径1.2mm，丝印钢网通孔位置设计挡锡环，采用B锡膏（9.5%）和弹簧触点式治具，触点弹簧形变量设计为1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm。焊接压力对板面锡珠的影响试验结果（见表3）。由试验结果可以看出：触点弹簧形变量设计为0.5 mm时，板面无锡珠冒出。

2.5 小结

金属基板导通孔孔径设计≥1.2 mm，采用松香助焊剂配比为9.5%的B锡膏，丝印钢网通孔位置设计挡锡环。焊接治具弹簧形变量设计0.5 mm时，焊接金属基板板面无锡珠冒出。

3 板边、槽、安装孔的缝隙和流锡改良

3.1 问题背景

金属基板焊接后，会存在槽、安装孔和板边缝隙及流锡缺陷（如图7）。

3.2 原因分析

对焊接金属基板槽、安装孔及板边缝隙/流锡影响因素做鱼骨图分析（如图8）。

3.3 试验设计

锡膏采用B（9.5%）、焊接治具触点弹簧形变量设定0.5 mm，丝印参数和回流曲线已定，丝印时钢网紧贴板面保证板面锡膏印刷量的条件下，槽、安装孔及板边缝隙/流锡的主要影响因素是：

（1）焊接治具盖板上触点到板边距离设计不合理，焊接时触点压力导致PCB板板边翘起，产生缝隙或锡膏流出板边；

（2） PCB槽位、安装孔及板边位置对应丝印钢网挡锡避让补偿不合理，板面锡膏距离板边过大或过小导致金属基板焊接后槽、安装孔及板边缝隙或流锡。

拟定试验设计见表4。

图4 丝印钢网通孔挡锡避让内缩补偿对板面锡珠的影响试验结果

图5 锡膏沿孔壁上爬形成凸起示意图

图6 丝印钢网挡锡避让设计及锡膏印刷示意图

表3 焊接压力对板面锡珠的影响试验结果

3.4 试验结果及分析

板边缝隙/流锡正交试验、槽/安装孔缝隙/流锡单因素影响试验结果（见表5）。

试验结果显示：

（1）焊接治具盖板弹簧触点距板边0.5 mm、PCB板边对应丝印钢网挡锡避让补偿设计0.2 mm～0.3 mm时，板边无缝隙和流锡缺陷；

（2）开放槽位置对应丝印钢网挡锡避让补偿设计1.0 mm～1.5 mm时，开放槽位无缝隙和流锡缺陷；

（3）安装孔对应丝印钢网挡锡避让补偿设计0.8 mm～1.0 mm时，安装孔无缝隙和流锡缺陷。

4 焊接空洞改良

4.1 问题背景

焊接金属基板经超声扫描发现PCB和金属基的焊接层存在空洞缺陷（如图9）。

图6 焊接金属基板板边缝隙和板边流锡缺陷示意图

图7 板边缝隙/流锡影响因素鱼骨图分析

表4 槽、安装孔和板边缝隙/流锡试验设计

表5 焊接缝隙/流锡试验结果

4.2 原因分析

将PCB和金属基剥离后发现金属基和PCB表面均有铺展流平的焊锡，但是明显存在气泡痕迹，导致PCB和金属基未能黏结在一起。焊接层空洞影响因素做鱼骨图分析（如图10）。

从以下三个方面改善焊接空洞：

（1）丝印钢网连接筋宽度，宽度过大，焊料熔融不能铺展流平；宽度过小，丝印时连接筋断裂影响丝印效果；

（2）不同的表面处理对焊料铺展有一定的影响；

图9 焊接空洞示意图

图10 焊接层空洞鱼骨图分析

（3）焊接治具压力，压力过大将熔融流动的锡膏挤走形成空洞，压力过小锡膏熔融时流动性不足产生空洞。

4.3 试验设计

4.3.1 丝印钢网连接筋宽度对焊接空洞影响

丝印钢网连接筋宽度设计0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm四种，研究丝印钢网连接筋宽度对焊接空洞的影响。丝印钢网实物，图中方格状连线即为连接筋（如图11）。

图11 丝印钢网实物图

4.3.2 焊接面表面处理对焊接空洞影响

对焊接面进行沉金、选择性沉金（铜面），研究焊接面表面处理对焊接空洞影响。

4.3.3 焊接压力对焊接空洞影响

采用盖板式治具和弹簧触点式治具焊接，研究焊接压力对焊接空洞影响，试验设计如图12所示。

4.4 试验结果及分析

4.4.1 丝印钢网连接筋宽度对焊接空洞影响

锡膏采用B（助焊剂配比9.5%）、弹簧触点式治具、触点弹簧形变量设定0.5 mm，丝印参数和回流曲线不变焊接金属基板。丝印钢网连接筋宽度对焊接空洞影响试验结果如图13所示。试验结果显示：丝印钢网连接筋宽度设计0.2 mm才能满足丝印钢网丝印和焊接无空洞要求。

4.4.2 焊接面表面处理对焊接空洞影响

锡膏采用B（助焊剂配比9.5%）、弹簧触点式治具、触点弹簧形变量设定0.5 mm，丝印参数和回流曲线不变焊接。焊接面表面处理对焊接空洞影响试验结果如图14所示。

超声波扫描结果显示，采用弹簧触点式治具、触点弹簧形变量设计0.5 mm焊接，不同表面处理的焊接状态差异不大，均有少量不影响可靠性的微小空洞存在，说明焊接面表面处理对焊接空洞影响不大。

4.4.3 焊接压力对焊接空洞影响

焊接压力对焊接空洞影响试验结果（如图15）。

图12 焊接压力对焊接空洞影响试验设计

图13 丝印钢网连接筋宽度对焊接空洞影响试验结果

图14 焊接面表面处理对焊接空洞影响试验结果

4.5 小结

（1）金属基板焊接面表面处理方式对焊接金属基板空洞影响不大；

（2）焊接压力和治具设计是影响焊接时锡膏铺展状态的主要因素，焊接时必须有一定的压力才能将PCB和金属基焊接在一起；

（3）丝印钢网连接筋宽度设计0.2 mm，金属基板焊接效果较好。

5 结论

通过一系列焊接金属基板的制造工艺改良，并优化焊接治具和丝印钢网的设计原则和制作方法，（见表6）彻底解决了焊接金属基板板面锡珠、槽/安装孔/板边流锡和缝隙及焊接空洞等品质缺陷，实现了焊接金属基板的批量生产。PCB产品通过客户所有测试，无可靠性及信号传输缺陷，PCBA终端产品批量投放市场，得到市场认可。

图15 焊接压力对焊接空洞影响试验结果

表16 焊接金属基板的设计规范表