上海电子展|国产化背景下表面贴装元器件装焊的挑战与应对
电子元器件作为航天电子产品的基本单元，电子元器件可靠性直接决定了航天电子产品的可靠性。由于集成电路的技术壁垒，之前，航天电子产品用集成电路大部分均是依靠进口。航天电子产品使用进口器件主要存在研制生产没有保障、信息安全隐患、装备质量风险等问题。此外，以美国为先的西方国家形成联盟，长期对我国实行严格的出口限制政策。美国商务部制定了商品管制清单，严禁将清单内的电子器件出口到相关国家和地区。部分电子元器件禁运给我国高性能航天装备的研制和生产造成了一定影响。这促使我国必须解决关键器件卡脖子的问题，随着航天装备不断向高集成度、多功能、低功耗方向发展，迫切需要小型化、高性能、高效率、高可靠性的电子元器件。近年，随着新品等项目的牵引和国内各元器件研制单位的技术攻关，国产电子元器件的性能水平取得了长足发展，国产化集成电路已逐步在取代进口工业级电路。今天上海电子展小编就来聊一聊国产化背景下表面贴装元器件装焊的挑战与应对。
近年，航天电子产品中国产化器件开始大量使用，国产元器件的装焊可靠性直接影响产品的可靠性。由于国产元器件自主可控，质量等级高、一般均采用陶瓷封装，芯片引线均是从器件底部或顶部出，虽然此类封装具有良好的气密性及散热性能，但存在重量大、热膨胀系数与印制板有较大差异、器件引线材质软且镀金等问题。本文为了提高表贴国产器件的装焊可靠性，从国产元器件转运、搪锡、成形、焊接、粘固、防护等方面对表贴国产器件的装焊工艺进行了研究，通过设计工装、优化焊接参数、设定相关管理制度等方法，提出了所遇到工艺难题的解决办法。
上海电子展浅谈国产元器件装焊的工艺难点
航天电子产品国产化工作在近两年集中展开，国产元器件尤其国产表贴集成电路大规模使用，给产品的装焊带来了巨大的挑战。主要表现在：
1. 国产化器件封装材料与进口塑封材料差异巨大,导致热膨胀系数与印制板热膨胀系数差异大。
2.国产化器件的焊端材料与镀层同进口器件存在较大差异。
3.国产器件由于近些年才大规模应用，质量一致性差。
4.国产器件封装尺寸普遍较大、质量重、引脚宽度小，对焊点可靠性提出了更高要求。
5.国产军品级器件均为陶瓷封装，气密性及散热性好，但引线的出线方式只能从底部或顶部出现，易出现桥连等缺陷。
6.业界国产器件的装焊工艺研究以及相关经验较少。
上海电子展浅谈国产元器件装焊的主要挑战与应对
1、国产集成电路的转运
国产高密度封装集成电路引线材质较软，容易在运输或传递过程中将引脚磕碰，造成引脚歪斜。若不能及时发现，将导致贴片机在进行该器件贴片时抛料或歪斜引脚无法搭接焊盘的情况，严重影响器件的焊接质量。这类器件的由于器件引脚密，若发生歪斜，不易进行校准，校准不当可能直接造成器件的损伤而导致报废。
为改善此类情况，必须保证物料在转运传输过程中，采用相应的保护措施，避免器件引脚受到外力而受损。转运中器件不能仅依靠下模固定，还应有相应的上模固定，以确保器件的任何情况下都不应存在引线与边缘接触的可能。
2 、国产元器件搪锡
航天电子产品使用到的国产表贴器件多为引线均为镀金器件，在焊接前均须进行除金处理。目前，表贴器件除金的方式主要有锡锅除金、烙铁除金、返修工作站除金三种方式，其中烙铁除金及返修工作站除金效率低，且易发生桥连，桥连后仍需使用吸锡绳将多余的锡除掉，易造成引线歪斜，共面性不好的缺陷发生，不适合批产产品的元器件除金。但若采用锡锅搪锡，易出现搪锡深度一致性差、桥连、器件跌落锡锅等缺陷。目前，市场上已有全自动搪锡机，但由于航天电子产品多品种，小批量的特点，使用自动搪锡机成本高，效率低。
器件的搪锡质量直接影响焊接的可靠性，表贴器件搪锡主要易出现桥连、爬锡深度不易控制、器件表面易受焊锡污染的情况发生。以国产底部出线的欧翼型为例，若搪锡出现桥连，使用吸锡绳去除桥连时易对引脚造成损伤。若搪锡搪锡深度过深，将导致锡爬至器件本体与引线之间的位置，影响器件的引线的应力释放，容易造成焊点失效，影响产品可靠性。
为了提高表贴器件锡锅搪锡的合格率，设计了一种用于锡锅搪锡的工装，该工装可保证搪锡深度的一致性、避免桥连及器件表面污染等缺陷，彻底解决了锡锅搪锡的主要缺陷。该工装可使用于所有带引线的表贴器件搪锡，具体使用方法是将工装放置于锡锅锡面，将器件从对应间距的空中插入。该工装的厚度可控制器件的搪锡深度，该工装通过每个引线开孔避免了搪锡桥连的问题，此外，该工装避免了器件搪锡深度过深厚而导致锡渣污染器件表面的情况。
3、国产元器件成形
国产扁平引脚器件在航天电子产品中大量使用，该类型器件须将其直线状态的引线弯曲成符合电子装联各项技术指标的形状。目前，进口引线成形模具随成形精度高，但结构复杂、造价昂贵，且部分不能满足所有种类集成电路引线成形的使用需求。而国内常用的引线成形模具虽结构简单，但工作效率和成形精度较低，成形一致性差。针对部分国产SOP/QFP表贴器件须引线成形的现状，同时兼顾多品种小批量的特点，通过设计专用的成形工装满足器件的成形需求。
设计采用两边引线同时成形的方案，运用组合模具对器件引线进行一次性成形，该方法主要有以下几个关键点控制：肩宽、引线成形半径、搭接长度、离板高度。
4、国产表贴器件防护
国产部分表贴器件的出现方式是从器件顶部引出，且由于封装密度高，引线间距小，此外，由于引脚材质多为可伐合金，硬度相对较低。印制板组装完成后在调试工序、喷漆工序、装整机工序等都容易对器件的引脚造成损伤。从而导致产品报废等情况发生。
为保证产品在装焊完成到装入整机前的中间工序器件不受到损伤，设计了一种用于周转环节对CQFP的防护工装。在电路板焊接完成后，使用可剥离阻焊胶将工装粘接在器件旁边的印制板上，用于保护器件。待所有中间工序完成后，只需用镊子将防护罩取下即可。该方法有效解决了CQFP封装器件引线受损的问题。
5、国产CQFP器件的钢网制作
表贴器件主要分为阻容类、扁平引脚器件、BGA类器件。国产阻容类封装元件与进口元件的封装尺寸和材料一致，因此，在工艺方法上与进口阻容类元件一致。国产扁平引脚类器件由于其封装材料、引脚材质、引脚镀层、出线方式都与进口的塑封器件有较大区别，因此，为保证焊接质量，在加工钢网时须考虑共面性、锡量等问题。国产军用BGA类产品均采用的是陶瓷封装，陶瓷封装BGA因为其质量大，焊球均采用的是PbSn10的非塌陷焊球，而进口的工业级器件均采用的塑料封装器件，焊球均为无铅焊球。因此，在焊接国产BGA时，钢网制作时须考虑焊接后的锡量能否满足要求。
5.1 扁平引脚类器件钢网制作要求
国产扁平引脚器件在焊接时主要存在的问题是：一、引脚共面性差，导致容易产生虚焊。二、引线出线方式均为底部出线，焊接后容易产生桥连，且底部桥连不易修复。经过大量实验，发现虚焊的主要问题是引脚共面性大于锡膏厚度时，焊接时焊料就难以将焊盘与器件引脚可靠焊接而导致。因此，避免此类问题主要的途径是增加锡量，但若只是增加钢网厚度，将非常大的导致焊接桥连缺陷的发生，该方法不适用于国产的扁平引脚类器件。经试验验证，解决此问题好的办法是将钢网的开孔进行外扩来增加锡量，同时，未避免器件底部桥连，须内切避免器件根部焊接桥联的发生。
5.2国产陶瓷封装BGA类器件钢网制作要求
对于塑封BGA而言，其大部分焊料由元器件本身的焊球提供，而焊膏量并不是那么关键。但对于使用高温PbSn10焊球（熔点302℃）陶瓷封装BGA焊膏量和模板厚度有着非常大的影响。由于陶瓷封装器件的热膨胀系数不匹配，后期会因热应力和机械应力导致焊点的开裂。高度与剪切应力成反比关系。增加焊点高度能提高焊点的寿命。
但若直接增加钢网厚度，将导致印制板上其他密间距引线器件发生桥连，阻容类器件锡膏太多的情况发生。因此，对于需要较厚焊料的带非塌陷焊球的CBGA，需要使用阶梯式钢网。同时，模板开孔也应远比连接盘大以达到非塌陷焊球所需的焊膏量。为了保证焊接质量，通过试验验证，确定了CBGA焊接所需的锡量，并根据此确定了CBGA的钢网开孔要求。
6、试验验证
在焊接完成后，焊点外观检验合格后，对焊接的单板进行调试、测试，其结果均满足单板设计指标要求。同时对装有使用以上工艺方法焊接器件的各单板进行温度循环、随机振动、老炼试验以及随整机进行了相关整机试验及例试试验，试验测试结果满足要求。
总结
航天产品的全面国产化已开始，航天电子产品由进口与国产混合状态转向全面国产化的装焊挑战也将长期存在。
以上就是上海电子展小编整理的内容，想了解更多，推荐您来参观上海电子展。
文章来源：SMT技术网