鍍金工藝多腳位連接器波峰焊接可靠性研究

摘要：2021年A公司GMV多聯(lián)機主控制器在實(shí)際生產(chǎn)組裝過(guò)程中，使用甲公司鍍金排針，大量鍍金排針在波峰焊接過(guò)程出現批量浮高，浮高率達到30%。在同條件生產(chǎn)環(huán)境下，切換使用乙廠(chǎng)家物料生產(chǎn)使用故障消失。在經(jīng)過(guò)大量的數據統計分析，對鍍金排針浮高原因及異常失效機理分析并實(shí)際生產(chǎn)對比驗證，確認是排針焊接性能差，鍍金層表面存在氧化，在波峰焊接過(guò)程中焊接拒錫且同時(shí)受到波峰焊波峰上涌力的作用導致器件整體浮高。分析結果表明：在鍍金排針生產(chǎn)加工過(guò)程中極容易對鍍金鍍層產(chǎn)生損傷，不恰當的加工工藝會(huì )加劇鍍金工藝的氧化，同時(shí)鍍金層鍍層質(zhì)量同樣決定排針焊接質(zhì)量水平，經(jīng)過(guò)對加工工藝流程的優(yōu)化和鍍金鍍層質(zhì)量的提升，經(jīng)實(shí)際驗證可以大幅度提高鍍金針座的焊接質(zhì)量及整體焊接可靠性。

關(guān)鍵詞：鍍金；連接器（排針）；波峰焊；焊接質(zhì)量

1 引言

排針，連接器的一種，英文名稱(chēng)：Pin Header，這種連接器廣泛應用于電子、電器、儀表中的 PCB 電路板中，其作用是在電路內被阻斷處或孤立不通的電路之間，起到了橋梁的功能，擔負起電流或信號傳輸的任務(wù)。通常與排母配套使用，構成板對板連接；或與電子線(xiàn)束端子配套使用，構成板對線(xiàn)的連接；亦可獨立用于板與板的連接。

2 異常原因及失效機理分析

連接器的基底材料是銅合金，表面鍍層是金及合金，這是因為全是惰性金屬，且電導率低，與基體材料有良好的附著(zhù)性，保護基體材料不被腐蝕，且電阻率性能優(yōu)越。此處涉及甲乙兩款工藝產(chǎn)品均為銅 + 鎳 + 金鍍層結構。

在同條件生產(chǎn)環(huán)境下同時(shí)使用甲乙兩個(gè)廠(chǎng)家制品，僅甲廠(chǎng)家出現浮高異常。

2.1 設備

排查波峰焊助焊劑噴霧速率無(wú)異常。排查錫爐高度無(wú)異常，波峰高度無(wú)異常，浸錫時(shí)間無(wú)異常，數據調試匹配值較好。波峰焊運輸鏈條平穩，未發(fā)現異常抖動(dòng)，運輸鏈速符合工藝文件要求。上線(xiàn)驗證未發(fā)現排針未插裝到位的情況，排查設備原因后故障未消失，設備制程影響非導致器件批量浮高的關(guān)鍵因素。

2.2 PCB板孔徑

對該款針座使用 PCB 板共兩款，此處鉆孔為正常圓形孔，A 款圖紙要求開(kāi)孔為 1.00 mm，B 款圖紙要求開(kāi)孔直徑為0.90 mm。而排針針芯尺寸為0.64±0.05 mm, 使用板子孔徑都達到了 0.96 mm 以上，兩端針芯和 PCB 孔位未做結構收縮處理，理論上孔徑過(guò)大會(huì )加劇元器件波峰焊接異常浮高，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中甲廠(chǎng)家針座在 AB 兩款 PCB 板均出現浮高異常，乙廠(chǎng)家針座在 AB 兩款 PCB 板板生產(chǎn)過(guò)程均未出現浮高異常，經(jīng)對比分析孔徑非此次浮高異常的關(guān)鍵影響因素。

2.3 針座結構差異

通過(guò)對比甲乙兩廠(chǎng)家排針重量，發(fā)現兩款排針重量接近，無(wú)明顯異常。

通過(guò)對比甲乙兩廠(chǎng)家結構發(fā)現，兩款排針底部針槽開(kāi)口尺寸存在差異，甲廠(chǎng)家開(kāi)口尺寸相較于乙廠(chǎng)家開(kāi)口尺寸更大，在波峰焊接過(guò)程中，其波峰上涌熱量影響時(shí)間更長(cháng)，經(jīng)試驗對比發(fā)現，同條件進(jìn)行波峰焊接，甲廠(chǎng)家針芯滑針情況更嚴重（針芯受熱注塑件熱脹冷縮，兩者保持力下降出現滑針）各抽取 10 pcs 異常批次波峰焊接后測試針芯保持力，均符合標準要求，故障排針浮高為整體浮高，通過(guò)對上錫異常品進(jìn)行金相分析，未發(fā)現出現受熱滑針出現的長(cháng)短針問(wèn)題，分析此項非關(guān)鍵影響原因。數據如下：

端子與塑殼之間保持力推力速度約為 25 mm/min，測試時(shí)力從上往下推（下圖所示方向），施加 PH2.54 ≥800 g/pin.，力不允許發(fā)生位移。

通過(guò)對兩款針座和注塑件材料進(jìn)行測試，發(fā)現甲乙廠(chǎng)家注塑件材質(zhì)無(wú)差異 ( 均為 PBT)。測試設備：傅里葉紅外光譜儀。

通過(guò)各抽取 20 pcs 甲乙兩廠(chǎng)家物料進(jìn)行可焊性實(shí)驗，實(shí)驗后乙廠(chǎng)家制品上錫質(zhì)量均無(wú)異常，甲廠(chǎng)家物料存在 2 pcs 上錫異常（潤濕較差，存在明顯拒錫區域，上錫不良）。

可焊性條件：錫爐溫度：250 ℃、上錫時(shí)間：2 s、助焊劑廠(chǎng)家：同某進(jìn)口成熟廠(chǎng)家品牌。未避免受焊接溫度及焊接時(shí)長(cháng)影響實(shí)驗結果，調整 260 ℃，過(guò)爐4 s（模擬波峰焊接條件），試驗后故障批次仍發(fā)現 2 pcs 上錫不良異常品。

放大鏡下查看甲廠(chǎng)家上錫不良樣品頂部針芯位置顏色相較于正常品偏深，初步分析鍍層存在氧化污染，對未上線(xiàn)異常批次制品進(jìn)行排查，發(fā)現同樣存在鍍層損傷的情況。因此分析波峰焊接據錫引起排針浮高。

分析結論：屬甲廠(chǎng)家排針鍍金層存在氧化污染且存在鍍層脫落現象，波峰焊接過(guò)程出現據錫引起排針整體浮高。為進(jìn)一步了解現象差異原因，組織對比甲乙兩個(gè)鍍層情況，鍍金厚度測試（鍍金要求為：≥ 0.5 μm，Fischer scope XRAY XULM XYm）, 經(jīng)鍍層對比情況如下：甲廠(chǎng)家測試情況 ( 鍍層情況銅基底 + 鎳 + 金 )：

經(jīng)過(guò)測試數據比對發(fā)現，甲廠(chǎng)家鎳鍍層厚度要明顯高于乙廠(chǎng)家，兩者相差近 80 μm，經(jīng)了解鍍鎳層過(guò)厚在特定情況下會(huì )使鍍層的應力表現更為突出，使鍍層變脆，結合力降低，在加工和使用過(guò)程中容易出現鍍層脫落的現象。

結論：經(jīng)過(guò)全流程人機料法環(huán)相關(guān)影響因素實(shí)驗分析，針芯氧化和金層鍍層脫落，是導致排針整體可焊性不佳從而引起針座浮高的主要原因。

3 排針波峰焊浮高解決方案

針對排針氧化問(wèn)題解決方案：優(yōu)化生產(chǎn)流程，過(guò)程生產(chǎn)注意避免排針引腳受氧化污染。在驗收供應商質(zhì)量整改過(guò)程中了解該批排針屬于冬季生產(chǎn)制品，由于生產(chǎn)訂單交付周期緊急，注塑件在注塑成型當天就安排了壓針，為防止注塑件出現開(kāi)裂和脆斷，臨時(shí)對排針進(jìn)行了加熱加濕處理，由于此款排針塑殼材質(zhì)屬于 PBT（含玻纖）材料，其具有較低的吸濕性，加濕處理后按 PA66 材料同工藝處理，即離心機脫水處理塑殼表面會(huì )存在部分殘留水份，由于 PBT 的低吸濕特性，以致表面的水份不能吸收，在尼龍包裝袋內形成水霧狀，增加了袋內的濕度而導致銅針氧化反應，影響產(chǎn)品的可焊性。針對此類(lèi)現象，需從生產(chǎn)工藝方面出發(fā)，禁止 PBT 材料按尼龍材料方案進(jìn)行加熱加濕處理，注塑后的產(chǎn)品須存放 3 天以上，讓其釋放應力后再進(jìn)行壓針組裝，防止產(chǎn)品出現開(kāi)裂和脆斷的現象發(fā)生，同時(shí)輸出指導生產(chǎn)和監督文件，強化生產(chǎn)過(guò)程監督；出貨方面加強對銅針外觀(guān)、 可焊性和耐鹽霧性測試，以避免批量異常。

針對塑殼壓接開(kāi)裂問(wèn)題從設備方面進(jìn)行優(yōu)化，現有的油壓注塑機參數公差范圍大，注塑時(shí)間長(cháng)、壓力大，產(chǎn)品易變形且應力較強，所以造成過(guò)盈壓接脆裂。為了解決注塑問(wèn)題，通過(guò)購置電動(dòng)注塑機，其參數精度高，注塑成型時(shí)間短，應力小，以改善 PBT 材質(zhì)的注塑應力問(wèn)題。

同時(shí)針對過(guò)程明確加濕工藝要求，針對低吸濕性材料，內部杜絕采取加濕方式預防脆裂，內部針對已完成內部加濕工序的產(chǎn)品規格整理，僅保留了 PA66 材質(zhì)產(chǎn)品加濕處理要求。

針對鍍層脫落問(wèn)題的解決方案：測試甲廠(chǎng)家鍍鎳層平均厚度在 130 μm~145 μm 之間，而乙廠(chǎng)家鍍鎳層平均厚度在 30 μm~60 μm 之間。鍍鎳層的孔隙率較高，光亮鍍鎳層硬度高，脆性大，鉚接時(shí)易產(chǎn)生掉皮。一般化學(xué)鎳鍍層厚度不超過(guò) 35 μm，鍍層的韌性較好，鍍層不易出現發(fā)脆、起泡、掉皮的現象；當鍍層大于 40 μm 時(shí)，鍍層的韌性差、脆性大，尤其是工件邊緣尖腳處容易出現掉皮的現象。這種鍍層厚度較厚的工件，在剛鍍完化學(xué)鎳 后鍍層只有少量的小氣泡或沒(méi)有起泡，在存放幾天后鍍 層就會(huì )出現小氣泡或小氣泡變大氣泡的現象。同時(shí)化學(xué)鎳鍍層會(huì )出現氫脆的現象。工件在鍍化學(xué)鎳時(shí)鍍層會(huì )有滲氫的現象，當鍍層合適、存在少量的孔隙時(shí)，原子態(tài)氫進(jìn)入鍍層后相互作用形成氫氣在慢慢釋放出來(lái)，就會(huì )在鍍層較薄處或鍍層結合力較差的地方出現發(fā)脆、起泡的現象。當工件滲氫嚴重時(shí)，無(wú)需外加應力，鍍層就容易出現脆裂的現象。通過(guò)調整鍍鎳層的鍍層厚度，從現有的 130 μm~145 μm 調整至 35 μm~60 μm，來(lái)降低連接器鍍層的表面張應力，已優(yōu)化改善現在存在鍍層脫落問(wèn)題。

經(jīng)廠(chǎng)家針對鎳鍍層工藝參數方面進(jìn)行改善，入廠(chǎng)篩選外觀(guān)檢驗全檢，鍍層受應力缺損問(wèn)題已解決。經(jīng)過(guò)以上氧化污染和鍍層參數兩方面的調整優(yōu)化，甲廠(chǎng)家針座在入廠(chǎng)抽檢和產(chǎn)線(xiàn)波峰焊接其焊接質(zhì)量明顯好轉，浮高下線(xiàn)投訴情況大幅好轉。

4 結語(yǔ)

隨著(zhù)鍍金針座的廣泛運用，其焊接可靠性決定著(zhù)成品主板的質(zhì)量穩定水平，本文從可能造成涉及電子元器件組裝工藝連接器波峰焊接浮高的影響因素入手分析，找出最終的關(guān)鍵影響因素，提供了電子制造波峰焊接器件浮高的分析思路，為后續同類(lèi)涉及波峰焊接的器件浮高問(wèn)題提供了一種可借鑒的方法。連接器器件在我們平時(shí)的生產(chǎn)使用主要是起連接作用，受重視程度不高。通過(guò)異常分析與解決，我們得知需對待其他電子元件一樣，連接器同樣需注重連接器的防潮防氧化處理，鍍層也并不是一味的追求“越厚越好”，對最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數的探討研究仍值得我們去深入挖掘。連接器焊接質(zhì)量得到有效提升，波峰焊接浮高率出現明顯下降，主板連接穩定可靠性將再上一個(gè)臺階。

參考文獻：

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期)