表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究.pdf

电工材料 2023 No.4初英男等：表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究初英男，王春克，阎鹏朋，郭玉莹（航天科工惯性技术有限公司，北京 100074）摘要：本研究对表贴片式元器件焊点控制进行了详细介绍，分析焊膏印刷用网板厚度和常用片式元器件焊盘设计对焊点形态和焊点强度的影响。经过工艺试验，确定了网板厚度对焊点形态的影响，对后续产品生产过程中加工网板厚度提供理论依据。通过分析焊点剪切强度，得出所内常用片式元器件焊盘设计中优先选用各封装焊盘的设计参数，并给出了片式电容器焊盘设计原则。关键词：表贴片式元器件；焊点质量；工艺研究中图分类号：TM53 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.04.018Reserch on Solder Joint Quality Control Technology of SMT ComponentsCHU Yingnan,WANG Chunke,YAN Pengpeng,GUO Yuying(Aerospace Science and Industry Inertial Technology Co.,Ltd.,Beijing 100074,China)Abstract:This study provides a detailed introduction to the solder joint control of surface mount components(SMT),analyzing the effects of the thickness of the screen plate used for solder paste printing and the design of commonly used solder pads for chip components on the shape and strength of the solder joints.After process experiments,the influence of mesh plate thickness on the shape of solder joints was determined,providing a theoretical basis for processing mesh plate thickness in subsequent production processes.By analyzing the shear strength of solder joints,the design parameters of each packaging pad are given priority in the pad design of chip components commonly used in the institute,and the design principles of chip capacitor pads are given.Key words:surface mount components;solder joint quality;process research0引言随着电子电气产品多功能集成化的发展，对电子电气产品中元器件的封装尺寸要求也各不相同。对于片式元器件（片式电阻器、片式电容器等）1，由于元器件尺寸、焊盘设计以及网板设计的差异等原因，导致焊接过程中焊点爬升高度、焊接面积差别较大。航天电子电气产品安装通用技术要求（QJ 165B2014）中要求侧面焊锡爬升最小高度F应满足G+0.3 H或G+0.5 mm中较小者，其中H为元器件本体高度，G为印制板与元器件底部填充厚度，如图1所示。表贴片式元器件焊点质量与焊盘设计、网板厚度、元器件外形尺寸以及SMT生产过程控制等因素均相关，如1812封装电容器的外形尺寸，715厂电容器本体高度为3.0 mm，北京元六鸿远电子技术有限公司生产的电容器本体高度为3.5 mm，因此在相同焊接条件下，会导致焊锡爬升高度不同。目前表贴片式元器件在各型号产品中应用十分广泛，而焊盘设计、网板设计与焊锡爬升高度之间的关系以及与焊点强度关系均有待进一步探究，亟需解决焊盘设图1片式元器件焊接示意图作者简介：初英男（1994-），男（汉族），天津人，工程师，主要从事电装工艺的研究。收稿日期：2022-07-0571电工材料 2023 No.4初英男等：表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究计、网板设计对片式元器件焊点控制的难题。1表贴片式元器件调研在实际生产中，表贴片式元器件主要包括电阻器、电容器、电感器。表贴电容器为5面端子，电阻器为3面端子，电感器为2面端子。在军品元器件厂家的合格供方中电容器的厂家主要为北京元六、715-6厂，电阻器的厂家为振华云科和718友晟，电感器厂家为振华富。因为产品中常用电容器厂家为北京元六和715-6厂，所以调研了这两个厂家不同封装片式电容器外形尺寸，其尺寸参数如表 1所示。通过调研北京元六和715-6厂两个厂家不同封装电容器外形尺寸，发现表贴片式电容器尺寸长度和宽度，两个厂家均保持一致，但0805封装以上本体厚度北京元六较 715-6 厂的厚度高 0.1 mm0.5 mm。调研振华云科和718友晟两个厂家不同封装电阻器外形尺寸，发现718友晟0603封装以上的电阻器本体厚度较振华云科生产的电阻器的厚度高0.05 mm0.12 mm。通过对以上片式元器件厂家调研的元器件外形尺寸参数，可明显发现，不同厂家其元器件长度和宽度尺寸参数基本一致，但厚度存在较大差异，特别是针对表贴片式电容器本体厚度，最大差异为0.5 mm。因此，本研究主要针对表贴电容器进行。2试验2.1印制板设计高密度印制板组件因片式元器件布局空间有限，在保证焊点强度的前提下，需满足设计尺寸受限的要求，重点研究焊盘设计参数，包括焊盘长度、宽度以及间距对焊点爬升高度的影响。在工艺设计中，网板厚度依据印制板上最小间距或焊盘尺寸对应的常用厚度，分析常用网板厚度对片式元器件焊点形态的影响。为了验证焊盘设计参数和网板厚度对焊点强度的影响，设计并制作了6块试验板，试验板中选用0402、0603、0805、1206、1210、1812封装焊盘，每种封装采用常用的焊盘设计尺寸参数，共 18 组样本，分别命名为：C0402、P0402、C0603、P0603、TR0603、0603、C0805、P0805、TR0805、0805、C1206、P1206、1206、C1210、C1210-1、1210、1812-1、1812。每组的样本数量为5个。印制电路板为FR4基材，印制电路板焊盘镀层与元件端电极镀层均为Sn63Pb37。在使用相同焊接工艺的条件下进行焊接。试验板中每组封装焊盘设计均采用设计人员常用尺寸参数，18组样本的焊盘设计具体参数如表2所示。2.2网板设计试验板网板采用不锈钢，网板厚度分别为0.12 mm、0.13 mm、0.15 mm、0.18 mm四种。网板开孔尺寸按内凹8%面积做防锡球处理。2.3焊接过程为对比焊盘设计、网板厚度对焊点的影响，分别焊接试验板1#4#，对应的网板厚度分别为0.12 mm、0.13 mm、0.15 mm、0.18 mm。试验板组件采用相同的印刷参数、贴片参数和焊接温度曲线。2.4焊点高度测量将完成焊接的试验板采用 VS8视觉检测设备和X-Ray测量焊点高度，测量结果如表3所示。2.5网板厚度对焊点爬升高度的影响通过分析片式电容器焊点爬升高度的试验数据（如图2所示），发现网板厚度的增加对0805及以下封装电容器焊点爬升高度影响较小。0805及以下封装电容器随着网板厚度的增加，焊点钎料量也逐渐增加，引起焊点形态由凹凸的变化,并使钎料表1电容器尺寸参数名称040206030805120612101812长度/mm1.01.01.61.62.02.03.23.23.23.24.54.5宽度/mm0.50.50.80.81.251.251.61.62.52.53.23.2最大厚度/mm0.60.551.00.81.51.31.81.72.82.53.53.0焊端尺/mm0.30.30.40.50.60.7制造商北京元六715-6北京元六715-6北京元六715-6北京元六715-6北京元六715-6北京元六715-672电工材料 2023 No.4初英男等：表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究的润湿铺展达到相应的金属表面极限尺寸，接触角1和2增大，如图3所示。通过分析 0.12 mm 网板厚度对各封装焊点形态，发现0402封装焊点爬升高度介于工艺要求的要求下限，TR0603的焊盘设计的焊点爬升高度甚至不满足要求，因此对于高密度印制板组件，应对0402、0603封装的焊盘设计进行优化，且网板厚度不应低于0.12 mm，确保焊点爬升高度符合工艺要求。3焊点强度3.1剪切试验剪切试验主要用于评估焊点的剪切强度（用剪切力表示）。通过剪切试验可以测定各类焊点所能承受的最大剪切负荷。剪切试验根据 GJB548 标准，选用 Condor 试验机。电容器按 GJB 548B2015方法2019A进行剪切试验。剪切力不小于图4中2.0X曲线所示值。试验中所需焊接面积按其样品最大平面的面积计。电容器剪切力应符合Y=12X要求，其中Y为剪切力，X为焊接面积。表2焊盘设计尺寸参数焊盘设计名称C0402P0402C0603P0603TR06030603C0805P0805TR08050805C1206P12061206C1210C1210-112101812-11812封装040206030805120612101812焊盘尺寸焊盘宽度X/mm0.660.660.900.900.751.101.301.301.151.501.651.301.802.002.402.803.203.20焊盘长度Y/mm0.550.450.650.750.651.000.901.000.901.201.301.151.401.151.151.401.501.50中心间距G/mm1.151.001.601.551.601.701.702.101.701.903.103.152.803.153.152.804.304.70表3片式电容器焊点高度焊盘封装设计C0402P0402C0603P0603TR06030603C0805P0805TR08050805C1206P12061206C1210C1210-112101812-11812网板厚度/mm0.120.480.540.500.500.400.601.351.351.351.501.301.221.441.121.251.401.401.400.130.600.600.800.700.600.701.501.501.501.501.301.261.441.121.251.401.401.400.150.600.600.800.800.700.801.501.501.501.501.441.441.621.201.281.961.751.750.180.600.600.900.900.801.001.501.501.501.501.441.441.621.401.401.961.751.75图2网板厚度对焊点爬升高度影响图3焊点爬升示意图73电工材料 2023 No.4初英男等：表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究3.2焊点剪切强度1#4#试验板剪切后，各封装电容器剪切力如表4所示。3.3数据分析3.3.1网板厚度对焊点强度的影响选用 P0402、0603、0805、1206、1210、1812-1 焊盘设计，分析电容器的剪切强度，发现网板厚度的增加对1210及以下封装电容器焊点剪切强度影响较小，随着网板厚度的增加，焊锡爬升高度及润湿角度增加，焊点剪切强度也逐渐增大，如图5所示。3.3.2封装差异对焊点强度的影响通过分析剪切试验数据可以得到 0402、0603、0805、1206、1210及1812封装焊点剪切强度的趋势，如图6所示。随着封装尺寸增加，焊点剪切强度也逐渐增加。与其他焊盘设计的剪切强度对比分析得出，若焊盘设计不合理，如0603封装剪切强度甚至低于0402封装，从而降低了产品可靠性，由此可见，焊盘设计对焊点剪切强度影响较大。3.3.3焊盘设计对焊点强度影响依据GJB 548B2015中焊点强度标准，对各封装不同的焊盘设计的剪切力进行对比，表5为0.15 mm网板厚度的对比，从表5可知所有封装焊盘设计均满足焊点目标强度要求，但从试验数据分析注：芯片面积大于4.13 mm2，应最小承受25 N的力或其倍数；若芯片面积小于 0.32 mm2，应承受的最小力为 12 N/mm2。图4剪切强度标准（最小作用力与芯片附着面积的关系）表4不同网板厚度剪切力封装402603805120612101812焊盘设计C0402P0402C0603P0603TR0603603C0805P0805TR0805805C1206P12061206C1210C1210-1121018121812-10.12mm网板厚度剪切力/kgf1.3851.6461.8322.4411.6133.077.8646.9656.2779.5698.0935.8918.5488.02211.62611.24513.94916.9770.13mm网板厚度剪切力/kgf1.4121.7562.1982.5971.7733.1066.6127.1466.49811.3568.9366.2549.9068.1048.39011.44117.47817.3680.15mm网板厚度剪切力/kgf1.5891.842.2192.6271.7673.1195.2435.0475.1257.3488.4996.80810.2008.3669.81311.33123.15820.370.18mm网板厚度剪切力/kgf2.1622.0802.9503.1082.0593.8247.8208.1638.05612.20810.0847.95411.3558.31310.79812.13524.12624.00674电工材料 2023 No.4初英男等：表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究P0402、0603、0805、1206、1210、1812-1 的焊盘设计剪切强度最大，同样对其他网板厚度的剪切强度进行对比分析，与0.15mm网板厚度的结论一致。因此 P0402、0603、0805、1206、1210、1812-1 的焊盘设计较好，推荐为高密度组件中片式电容器的标准封装。进一步分析焊盘设计参数对焊点强度的影响，将焊盘长度Y由超出焊端长度F，焊端宽度T和后端长度E组成，以0.15 mm网板厚度的剪切强度数据为对象，如表6所示。分析发现，超出焊端长度F对焊点形态影响较大，而焊点强度与超出焊端长度F、后端长度E、焊盘宽度X有关。随着焊盘设计参数尺寸的增加，焊点剪切强度逐渐增大，但超出焊端长度F尺寸太长容易引起立碑，太短则导致焊点爬升高度不足；后端长度E太长易产生锡珠、连焊等问题。同时，发现焊盘宽度低于元器件宽度的焊盘设计有TR0603、TR0805、P1206、C1210，在焊盘设计时不推荐选用。3.3.4焊盘设计对焊接的影响在SMT焊接过程中，片式元器件常见焊接缺陷有立碑、偏移、焊点爬升高度不足、连焊等，而焊盘设计对焊接的影响也较为突出。根据上述分析发现，常见的电容器焊盘中 C0402、TR0603、P0805、TR0805、P1206、C1210、C1210-1、1812 的焊盘设计存在导致缺陷的风险，不建议使用，如表7所示。4结论（1）高密度印制板组件选用C0402、P0402以及TR0603 焊盘设计时，推荐网板厚度为 0.13 mm 或0.15 mm，以确保焊点爬升高度符合工艺要求。（2）网板厚度的增加对0805及以下封装电容器焊点爬升高度影响较小。随着网板厚度的增加，焊点钎料量也逐渐增加，引起焊点形态由凹凸的变化，并使钎料的润湿铺展达到相应的金属表面极限尺寸，接触角增大，对焊点爬升高度影响不大。（3）根据剪切试验分析，焊盘设计对焊点剪切强度影响较大，不同封装焊盘设计推荐采用P0402，0603，0805，1206，1210，1812-1焊盘尺寸，以提高焊接强度，而 C0402、TR0603、P0805、TR0805、P1206、C1210、1812 的焊盘设计焊点强度较低，不建议图6各封装焊点强度图5网板厚度对剪切强度的影响表50.15mm网板厚度剪切强度焊盘设计C0402P0402C0603P0603TR06030603C0805P0805TR08050805C1206P12061206C1210C1210-112101812-11812目标强度/N8.7127.12814.0416.211.726.428.0831.224.8443.251.4835.8860.4855.266.2494.08115.2115.2剪切力/N15.57218.03221.74625.74517.31730.56651.38149.46150.22572.0183.29066.71899.9681.98696.167111.044226.948199.626判定合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格75电工材料 2023 No.4初英男等：表贴片式元器件焊点质量控制工艺研究使用。（4）焊盘设计差异对焊点形态及剪切强度影响较大，因此片式电容器焊盘设计尤为重要，剪切强度仅是可靠焊点的一个指标，在实际生产中还需考虑立碑、锡珠、连焊等问题，结合试验过程，一般焊盘尺寸设计原则为：焊盘宽度X=元器件宽度W+2B，B 取值 0 mm0.1 mm；超出焊端长度 F=0.5 mm0.75 mm元器件厚度T；后端伸出长度E：0.1 mm0.20 mm。参考文献：1 张培燕.常用贴片式元器件的使用与检测J.家电检修技术,2008(1):44-45.表6焊盘设计与强度关系封装C0402P0402C0603P0603TR0603603C0805P0805TR0805805C1206P12061206C1210C1210-112101812-11812焊盘尺寸焊盘宽度X/mm0.660.660.900.900.751.101.301.301.151.501.651.301.802.002.402.803.203.20后端长度E/mm-0.100-0.0250.0250.100.0250.150.200.050.200.250.250.100.40000.300.15-0.05超出焊端长度F/mm0.350.2250.3250.350.3250.550.30.550.30.550.550.550.50.550.550.500.650.850.15mm剪切强度1.5891.8402.2192.6271.7673.1195.2435.0475.1257.3488.4996.80810.2008.3669.81311.33123.15820.370表7焊盘设计对焊接的影响焊盘设计C0402TR0603TR0805P1206C1210C1210-11812易导致缺陷类型立碑偏移、立碑，爬升高度不足偏移偏移偏移，爬升高度不足爬升高度不足爬升高度不足抑含风光储综合能源的微电网与上级电网交换的功率波动，提高电网系统运行的稳定性、可靠性。参考文献：1 祝荣,陈俊清,宋伟,等.风光储一体化综合能源系统柔性调度策略J.太阳能,2022(5):67-76.2 杨晓萍,刘浩杰,黄强.考虑分时电价的风光储联合“削峰”优化调度模型J.太阳能学报,2018,39(6):1752-1760.3 郭子健.风光储混合发电优化调度技术研究J.电力系统装备,2021(4):38-39.4 张露.基于输出功率变化的风光储发电系统能量分配策略的研究D.北京:华北电力大学,2013.5 KHORRAMDEL H,AGHAEI J,KHORRAMDEL B,et al.Optimal battery sizing in microgrids using probabilistic unit commitmentJ.IEEE Transactions on Industrial Informatics,2016,12(2):834-843.6 武志强.含风光储的综合能源系统多时间尺度调度研究D.北京:华北电力大学(北京),2020.7 谢鹏,蔡泽祥,刘平,等.考虑多时间尺度不确定性耦合影响的风光储微电网系统储能容量协同优化J.中国电机工程学报,2019,39(24):7126-7136,7486.（上接第70页）76