某型钽电容装焊开裂原因及控制措施_巫应刚.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology302023年1月第44卷第1期摘要：片式固体钽电容在回流焊接过程中产生开裂失效的质量问题。对片式钽电容开裂从切片和结构机理分析，通过烘烤试验和称量对比，找到钽电容开裂具体原因，并对烘烤工艺参数实施优化，有效控制该型号钽电容回流焊接过程中的开裂问题。关键词：钽电容；开裂；树脂封装层；吸湿；热膨胀系数中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0030-03Abstract:Aiming at the quality problem of cracking failure of chip solid tantalum capacitors during refl ow soldering,the cracking of the capacitors is analyzed from the slicing and structural mechanism.And the specifi c reasons for the cracking of capacitors are found through the baking and weighing comparison.By optimizing the baking parameters,the cracking problem during refl ow soldering of this type of capacitor can be effectively controlled.Keywords:tantalum capacitor;cracking;resin coating;inhalation moisture;coefficient of thermal expansion Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0030-03某型钽电容装焊开裂原因及控制措施Causes and Control Measures for Cracking of A Type of Tantalum Capacitor巫应刚，邴继兵，李霖，刘春莲，袁小梅，毛久兵WU Yinggang,BIN Jibin,LI Lin,LIU Chunlian,YUAN Xiaomei,MAO Jiubin（中国电子科技集团公司第三十研究所，成都 610041）(The 30th Research Institute of CETC,Chengdu 611730,China)0 引言随着PCBA组装密度的不断提升，要求封装元器件小型化，具备高性能和高可靠性。钽电容能量密度高、工作温度范围宽、电性能稳定，体积小又能达到较大电容量，在电子、船舶、通讯、军工、航天等领域受到广泛应用1-2。但钽电容在焊接过程中易产生鼓胀、开裂等质量问题，本文针对某型高分子钽电容焊接过程开裂现象开展工艺研究，分析其开裂原因以及工艺参数控制，避免在回流焊接过程中出现钽电容开裂失效，具有一定的工程借鉴意义。在2021年生产某批次板卡时发现某型E封装贴片钽电容经回流焊接后出现开裂现象，开裂比例达到12%，另外批次该型C封装同样出现开裂现象，开裂比例为3%，开裂情况如图1所示，开裂位置处于随机分布，有正面、侧面，位置不固定。作者简介：巫应刚（1 9 8 1-），男，工程师，主要从事S MT 生产工艺的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.008E 封装 C 封装图1 钽电容开裂现象1 问题分析1.1 生产过程排查经调查本批次E型封装钽电容生产时主要涉及烘烤和回流环节，烘烤温度为55，时间48 h，卷盘和钽电容一起实施烘烤，回流过程中预热、升温、第44卷第1期31图2 钽电容切片图图3 钽电容内部示意图冷却、峰值温度均在厂家给出的技术资料手册范围内，生产过程未发现异常情况。1.2 开裂电容电性能检测将开裂的钽电容取下后做常温电参数检查，钽电容规格为470 uF/10 V，具体见表1。表1 钽电容电参数检测表2 I P C J-S T D-0 3 3 潮敏器件烘烤参数表3 去湿与不去湿验证及结果序号电容测量值/F损耗角正切漏电流/A1 号样4 6 7.3 20.0 6 3 4 72 号样4 6 6.5 20.0 6 4 4 73 号样4 7 1.6 10.0 6 4 4 7判定结果无异常无异常无异常封装厚度湿敏等级 烘烤1 2 5 的时间/h烘烤4 0 、湿度5%R H 的时间/d1.4 mm2 a4 537 1 149 1 351 0 1 45 a1 4 1 9材料试验数量/只 去湿条件关键回流参数试验结果该型E 封装5 01 2 0 8 h无铅2 1 7 8 0 s，峰值温度2 3 0 未开裂该型E 封装5 0不去湿无铅2 1 7 8 0 s，峰值温度2 3 0 2 8 只开裂从电性能测试结果判定钽电容开裂暂时未影响电气性能。1.3 开裂电容切片分析将开裂的钽电容做切片分析，沿裂纹处一直打磨，直到打磨至内部导电银层，具体如图2所示。切片分析得出裂纹深度主要集中于树脂封装层，树脂下层导电银层未出现裂纹等异常。1.4 开裂原因分析钽电容内部结构如图3所示。从钽电容内部结构分析，钽电容主要由内部钽芯、引线框架、外层封装树脂组成，裂纹深度仅位于外层树脂封装层。树脂层裂纹分析原因主要是：1）钽电容在回流炉中经历了高温过程，外层树脂封装材料与引线框架、钽芯热膨胀系数不一致，本次开裂情况集中于外层树脂封装材料和钽芯之间，外层树脂封装材料主要成分是环氧树脂，其玻璃化转变温度（Tg）在140 左右，回流焊接温度远高于封装材料Tg，钽芯和外层树脂封装材料在回流过程中热膨胀系数相差较大，其中环氧树脂热膨胀系数为17.910-5/K，钽芯热膨胀系数约6.510-6/K，两者相差接近28倍，热膨胀系数的差异性在回流焊后产生的收缩效应可能导致封装材料开裂。2）多品种小批量采购方式使得钽电容在采购、来料检验、库房存放、物料齐套等多个环节均可能暴露在自然环境中，外层封装树脂具有吸湿特性，少量水分子与环氧树脂形成氢键，随着树脂吸收的水分子增加，水分子在环氧树脂交联系统内部形成更大的水团，低温烘烤对于水团容易去除，但难以去除与环氧树脂亲水基团结合的水分子。在回流焊接过程中峰值温度达到了230，树脂中水分子的运动能力大大提升，水分子挣脱环氧树脂的限制而形成水蒸气，树脂中吸收水分子越多，回流焊接过程中产生水蒸气越多，树脂经交联固化后比较致密，水蒸气来不及快速扩散逸出，内部将产生压力，可能导致树脂层开裂或鼓胀。经查器件资料本批次开裂某型E封装钽电容湿敏等级为3级，器件外层树脂封装层最大厚度1.4 mm，参照IPC J-STD-033中的烘烤参数（见表2）。依据表2数据，3级潮敏器件40 低温烘烤周期达11 d，本批次生产按照厂家提供的器件资料手册中建议的烘烤参数，实际烘烤条件为55/48 h，可能是除潮不彻底而导致的质量问题。2 试验验证经上述初步原因分析后，拟定验证试验方案，即选取同型号同批次E封装和另一种规格C封装钽电容各300只，在温度为25，湿度为60%的环境中放置720 h，依据环氧树脂静态吸湿和动态吸湿速率性能曲线，720 h已能达到树脂吸湿平衡3-4。2.1 第一组试验第一组试验用于判定开裂因素与吸湿、材料膨胀系数不一致的关联性，试验条件见表3。从第一组试验表明，钽电容开裂现象与电容器本身各类材质热膨胀系数没有关联，与电容器树脂吸潮相关联。2.2 第二组试验第一组试验结果表明钽电容开裂与器件吸湿相银黏合剂巫应刚，等：某型钽电容装焊开裂原因及控制措施2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology32关联，本组试验条件主要验证不同吸湿条件对开裂的影响，试验条件见表4。表4 不同去湿条件验证及结果图4 烘烤质量损失曲线图图5 烘烤质量损失曲线图材料试验数量/只去湿条件关键回流参数试验结果C A K 5 5 型E 封装5 01 2 0 /8 h无铅2 1 7 8 0 s，峰值温度2 3 0 未开裂C A K 5 5 型E 封装5 05 5 /4 8 h无铅2 1 7 8 0 s，峰值温度2 3 0 1 1 只开裂C A K 5 5 型C 封装5 01 2 0 /8 h无铅2 1 7 8 0 s，峰值温度2 3 0 未开裂C A K 5 5 型C 封装5 05 5 /4 8 h无铅2 1 7 8 0 s，峰值温度2 3 0 2 只开裂从第二组试验表明，同一型号吸湿后钽电容去湿条件不同对回流后开裂影响较为明显，钽电容开裂现象由钽电容外层树脂吸潮后除潮程度不够所引起，需进一步对除潮条件实施验证。2.3 第三组试验通过第二组试验确认不同去湿条件对钽电容开裂影响明显，本组试验主要采取称量法确认具体去湿参数。1）取吸湿后CAK55型E封装钽电容100只，采用分析天平实施初始称量，放入120 烘箱中烘烤，每隔1 h测量其质量。试验结果：经过8次测量，从图4可知，烘烤6 h后质量变化较少，经8次测量，质量共计减少0.054 7 g，水汽占整个器件质量比为0.159%。时间/h质量/g0 2 4 6 83 4.4 13 4.3 93 4.3 73 4.3 53 4.3 33 4.3 1时间/h质量/g0 1 6 3 2 4 8 6 4 8 0 9 63 4.4 13 4.3 93 4.3 73 4.3 53 4.3 33 4.3 1从第一次烘烤去潮称量试验表明，钽电容饱和吸收水分的质量超过0.11%。IPC-SM-786标准中提出，塑封器件内部水汽含量大于其质量0.11%，经回流焊后会增加管壳开裂的风险5。第一组和第二组试验结果与IPC标准相吻合。2）采用第一次称量后的钽电容重新进行饱和吸湿，放入55 烘箱中烘烤，每隔4 h测量一次质量。试验结果：经过25次测量，从图5可知，烘烤96 h后质量变化较少，经过24次测得质量共计减少0.048 7 g，水汽占整个器件质量比为0.142%。从第二次烘烤去潮称量试验表明，钽电容在高温去潮效果优于低温去潮，其原因为钽电容外层包封环氧树脂亲水基团与水分子形成了氢键，低温情况下水分子难以脱开氢键的束缚，导致低温烘烤去除水分子的量低于高温烘烤。3）钽电容包装方式大部分为盘状卷带包装，120 高温烘烤时卷带包装材料易变形，上机贴片需重新编带，给生产上带来困扰；同时55 低温烘烤80 h相对其他器件等待时间较长，经查询卷带材料的Tg，结合现场试验，烘烤温度80 时不会损伤卷带包装材料，烘烤时间采用称量法确定。选取吸湿后该型E封装钽电容100只，烘烤温度80，每2 h称量一次，测得36 h后钽电容质量不再发生变化，经回流测试未发生开裂现象。3 结论回流焊接后钽电容开裂的原因为钽电容外封装树脂层吸潮所导致，吸潮后去湿工艺较为关键，去湿不当会导致回流焊接后钽电容开裂。针对某型E封装钽电容吸收潮气后烘烤温度为80，烘烤时间36 h去湿效果较好。鉴于钽电容具有吸湿特性，钽电容包装、存储、运输、分装、来料检验等环节均需采取防潮措施，避免钽电容吸收潮气后带来质量隐患。同时钽电容去潮工艺参数因各个厂家具体情况不一致也会存在差异性，但均需根据实际情况验证后再正确使用。参考文献1 刘家欣,肖大雏,徐征.片状钽电容失效分析J.电子工业专用设备,2004,114:79.2 王鲁宁.固体钽电容的可靠性筛选研究J.计算机与数字工程,2010,38(4):184.3 谢耀恒,雷红才,黄海波.环氧树脂湿热老化过程分子模拟仿真研究J.绝缘材料,2019,52(9):70.4 成钢,丁旭.塑封器件去潮工艺研究J.电子工艺技术,2019(5):291.5 封雪,焦瑞祥,张驰.片式钽电容器的耐焊接热性能与可靠性J.工业技术,2019(14):101.（收稿日期：2022-09-29）