焊接膜层脱落的攻关研究

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1、焊接膜层脱落的攻关研究黄磊连云港杰瑞电子有限公司摘要：某电源产品筛选试验后电容焊接处导体膜层断裂、脱落，通过导体印刷烧结在陶瓷材质和增加膜层厚度两种方式，攻克了难题，使产品完好、可靠，同时也为后期新产品的设计及产品批产提供了设计经验。关键词：厚膜膜层;附着力;膜层厚度;电源;1•问题现象某厚膜混合集成电路产品在经过温度循环筛选实验后，成膜基片上1210陶瓷贴片电容焊接处的膜层断裂，引起断路故障。故障点的示意图如图1所示。图1故障点的剖面图下载原图2.原因分析混合集成电路(HIC)采用厚膜、薄膜等工艺将

2、贴片式电阻、电容、电感、薄膜元件、裸芯片等通过焊接、粘接、键合等工艺实现装联，元件集成度相比PCB产品高岀几倍，口产品散热性能优，产品可靠性高。该电源产品的电路板采用厚膜工艺制造，在陶瓷基片上通过印刷浆料、干燥、烧结工艺制成电路板。引起膜层断裂的原因是产品膜层附着力不足，在温度循环试验的环境中，因电容与陶瓷基片的热膨胀系数不一致，电容对焊盘膜层存在剪切方向受力，在试验中电容反复伸缩，使故障点处出现断裂。产品的膜层附着力不足的原因有三点:(1)膜层烧结曲线异常;(1)膜层附着表面材质差界引起附着力下降;

3、（3）卬刷膜层厚度不足引起附着力下降。烧结使卬刷膜中的金属、氧化物和无机成份烧结在一起，并通过一系列物理化学变化，形成光滑、致密、附着牢固、有一定功能的膜层。烧结过程是一种固相反应过程，即固态颗粒混合物Z间的反应。烧结过程中产生有机气体的挥发和燃烧,玻璃粉的熔融，齐组份间的化学反应以及晶粒生长等一系列变化。烧结曲线是指产品烧结过程中温度变化曲线，曲线界常将影响玻璃粉的熔融及晶粒的生长，宏观表现为膜层附着力。2.1膜层烧结曲线异常厚膜混合集成电路生产线屮的烧结炉使用烧结曲线按程序文件规定每月需对使用的烧

4、结曲线进行检测，且要求每批产品生产时需有详细的生产记录。经查相关记录，烧结炉该使用年已经做过设备鉴定，设备鉴定结论为完好设备。每刀温度曲线测试记录完整，温度曲线测试合格，且每批产品牛产时有详尽记录，温度并无异常，测试图见图2。因此，膜层烧结曲线异常不是引起本次膜层附着力不足的因素。图2烧结曲线图下载原图2.2膜层附着表面材质差异引起附着力下降在该批次产品，金属膜层主要附着面有两种材质：绝缘介质和96%A12O3陶瓷，金属膜层在两种材质上的原始附着力和筛选试验后的附着力怎样变化，我们设计如下试验验证。试

5、验方法设计丝印网版（图3）,图形上有20个lmmXlmm焊盘，将金属导体分别印刷在介质、陶瓷两种界面上，经烧结后，焊盘附着在介质表面或陶瓷表面上，金属膜层的厚度12Mn）o严格控制烙铁温度及焊接时间，分别在焊盘上焊接一根相同长度的导线，用带记录的拉力计勾住导线垂直于基片拉脱焊盘，记录下焊盘脱落时的拉力作为膜层附着力，筛选试验前分别拉测10根线，筛选试验后拉测10根线，记录数据分析。其中，筛选试验为3项，分别是温度循环（-65°C~150°C,10次）、老炼（125°C,160h）、高低温（-55°C保

6、温2h,125°C保温2h）。图3基片图形下载原图从表1试验数据可看出，相同膜层厚度的导体焊盘，在陶瓷上的附着力明显高于介质材质上的附着力。因此，膜层附着表面材质差异引起附着力下降是影响因素之一，不可排除。2.3印刷膜层厚度不足引起附着力下降成膜基片导体选用的导体材料为耙银导体，具有较好的耐焊性，耙银导体的锡焊是铅锡焊料与银在界面形成合金的过程，会“吃”掉部分耙银导体，焊接过程越长，“吃”得越多，耙银导体的膜层厚度会降低。我们用图2图形的陶瓷板2块，印刷的耙银膜层厚度分别为12口叭25“11,按上述试

7、验方法进行试验，测得数据如表2所示。表■■试验数据(单位:N)下载原表从试验数据可看出，膜层厚度高的导体焊盘附着力明显高于膜层厚度低导体焊盘附着力。因此，印刷膜层厚度不足引起附着力下降是影响因素之一，不可排除。2.故障机理及复现导体膜层印刷烧结在介质材质上，膜层附着力下降，且导体膜层厚度不足，附着力不足，在焊接过程中，铅锡焊料与部分耙银共融，致使导体膜层附着力下降明显，不能承受1210陶瓷贴片电容在温度循环试验下伸缩产生的机械疲劳，引起膜层断裂。我们用原批次成膜基片焊接1210电容后，进行筛选试验，试

8、验后，1210电容焊盘膜层断裂脱落，故障复现。3.解决措施针对两种因素的影响，提出的解决方案如下：(1)产品重新绘制电路图，要求所有焊接元件焊盘布在底层陶瓷上，尽量较少介质层使用，若必须多层布线使用介质层，介质上元件采用粘接工艺；⑵提高导体膜层厚度，底层焊接导体膜层厚度控制在25ym±5ymo根据解决方案，我们对产品版图重新设计，膜层的工艺参数进行更改，并投产验证批次进行攻关验证。2.试验验证根据方案，新产品布局采用单层布线，版图无介质层，导体层烧结完的