0 引言

多層瓷介電容器作為陶瓷電容器的一種，憑借容體比大、結(jié)構(gòu)致密、電損耗小、無極性、貯存方便等諸多優(yōu)勢，在航天、航空、兵器以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。將其組裝于印制電路板（printed circuit board，PCB）上形成穩(wěn)定電氣連接時，常采用回流焊接、波峰焊接及手工焊接等方式，各方式均有自身特點(diǎn)與適用場景。

手工焊接是利用電烙鐵加熱被焊金屬件和錫鉛焊料，借助熔融焊料對金屬表面的潤濕作用形成合金，待焊料凝固后實現(xiàn)連接的工藝。因無需復(fù)雜輔助設(shè)備且操作靈活方便，尤其適用于加工數(shù)量少或不易實現(xiàn)自動焊接的情況。然而，某所曾出現(xiàn)這樣的問題：使用電烙鐵更換多層瓷介電容器后，該電容器在溫度循環(huán)試驗時發(fā)生燒毀故障。經(jīng)破壞性物理分析（destructive physical analysis，DPA）發(fā)現(xiàn)，故障根源是手工焊接致使器件內(nèi)部生成微裂紋。這凸顯出手工焊接工藝應(yīng)用于多層瓷介電容器時存在隱患，為保障產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，避免后續(xù)手工焊接再引入裂紋，對其焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要，最終經(jīng)多方考量與實踐驗證，決定引進(jìn)大研智造的激光錫球焊接設(shè)備來解決這一難題。

1 故障分析

1.1 DPA 分析結(jié)果

對故障器件進(jìn)行 DPA 分析，從對應(yīng)的照片（如圖 1 所示，圖 1 展示了故障器件經(jīng) DPA 分析后的內(nèi)部裂紋情況）中可清晰看到，器件端電極瓷體內(nèi)部裂紋從焊點(diǎn)部位的瓷體表面沿約 45° 角向端頭內(nèi)部延伸，此形貌為典型熱沖擊產(chǎn)生的裂紋，表明在熱應(yīng)力作用下，器件本體在焊點(diǎn)末端或端電極附近出現(xiàn)了裂紋。

圖1 故障器件DPA分析照片

多層瓷介電容器由金屬內(nèi)電極、金屬外電極、陶瓷介質(zhì)構(gòu)成多晶多相體（其結(jié)構(gòu)示意可參考圖 2，圖 2 呈現(xiàn)了多層瓷介電容器各組成部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系），內(nèi)部各種材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)（δT）和熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）差異較大，內(nèi)電極、端電極、陶瓷的 CTE 分別為 16×10-6 K-1、18×10-6 K-1和（9.5 - 11.5）×10-6 K-1。受這種材料特性差異影響，在熱應(yīng)力作用下，陶瓷介質(zhì)極易生成裂紋。即便初始裂紋未進(jìn)入電極有效區(qū)，但在后續(xù)溫度循環(huán)試驗時，環(huán)境應(yīng)力會促使裂紋擴(kuò)展到內(nèi)電極有效區(qū)，最終導(dǎo)致器件失效，嚴(yán)重影響產(chǎn)品正常使用和性能穩(wěn)定性。

1.2 手工焊接流程及潛在問題

復(fù)查產(chǎn)品生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)，多層瓷介電容器最初采用回流焊進(jìn)行焊接，因產(chǎn)品使用中其器件損壞，后續(xù)改用手工焊接更換，具體器件更換操作流程如下：

1. 器件拆卸：用電烙鐵對需更換的電容進(jìn)行解焊操作，拆卸后的器件不再使用。
2. 焊盤除錫：借助電烙鐵和吸錫帶去除 PCB 焊盤上多余焊錫，為后續(xù)焊接做準(zhǔn)備。
3. 器件預(yù)熱：更換的器件在焊接前進(jìn)行預(yù)熱，旨在調(diào)整器件狀態(tài)，減輕焊接時熱沖擊影響。
4. 手工焊接：先在 PCB 焊盤上預(yù)加錫，再將預(yù)熱后的器件置于焊盤上，接著在焊盤上涂刷助焊劑，然后用電烙鐵對焊接位置加錫，要求焊錫爬錫高度控制在器件本體高度的 1/4 - 3/4 之間，以此規(guī)范焊接效果。
5. 清洗：對 PCB 器件更換位置附近區(qū)域進(jìn)行清洗，保持焊接部位及周邊環(huán)境清潔。

深入分析故障器件加工路線后，發(fā)現(xiàn)以下因素會影響器件在手工焊接時所受熱應(yīng)力：

1. 助焊劑涂敷位置：焊接中，助焊劑有傳遞熱量和減少熱量損失的作用，其涂敷位置不同，器件和焊料所受熱應(yīng)力不同。例如，將助焊劑涂敷位置由焊盤改為焊絲上甚至不涂敷，能在一定程度上降低器件本體在焊接過程中受到的熱沖擊。
2. 電烙鐵溫度：焊接時電烙鐵給焊盤加熱，熱量經(jīng)焊盤傳遞到器件上造成熱沖擊，適當(dāng)降低電烙鐵溫度，有助于減少器件本體受到的熱沖擊。
3. PCB 預(yù)熱：焊接前對 PCB 預(yù)熱，可降低器件和 PCB 間的溫差，從而減輕焊接時器件本體受到的熱應(yīng)力，利于提高焊接質(zhì)量和器件穩(wěn)定性。

2 試驗驗證

基于對多層瓷介電容器手工焊接過程的梳理，以助焊劑不同涂敷位置、手工焊接溫度、PCB 是否預(yù)熱為變量，開展手工焊接試驗驗證工作，試驗流程如圖 3 所示（圖 3 詳細(xì)展示了整個試驗從準(zhǔn)備到檢測的具體步驟流程），試驗分組與結(jié)果見表 1（表 1 列出了各試驗分組的變量設(shè)置及對應(yīng)檢測結(jié)果數(shù)據(jù)）。

2.1 檢測結(jié)果概述

1. 光學(xué)檢測方面：采用 20 倍放大鏡對焊接后的多層瓷介電容器外觀逐一檢測，器件外觀均無損傷，從外觀初步判斷焊接質(zhì)量尚可。
2. 電性能測試方面：針對焊接后電容器的電容量、損耗角正切及絕緣電阻等關(guān)鍵電性能指標(biāo)進(jìn)行專業(yè)測試，結(jié)果顯示器件各項電性能均符合要求，表明焊接操作未對器件電性能造成不良影響。
3. 超聲波無損檢測方面：運(yùn)用 50MHz 頻率探頭對焊接后的多層瓷介電容器進(jìn)行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部有異常氣孔類缺陷，說明焊接過程未引發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性方面的明顯問題。

然而，通過 DPA 分析發(fā)現(xiàn)部分器件本體有裂紋生成，這意味著盡管手工焊接產(chǎn)生的裂紋初始未進(jìn)入內(nèi)電極有效區(qū)，但在后續(xù)溫度循環(huán)試驗中，裂紋存在擴(kuò)展到內(nèi)電極有效區(qū)的風(fēng)險，一旦擴(kuò)展，必然導(dǎo)致器件功能失效，影響產(chǎn)品可靠性和使用壽命。

2.2 變量影響分析

1. 助焊劑涂敷位置影響：對比分組 1 - 3 的試驗結(jié)果可知，在 280℃的焊接溫度下，助焊劑涂敷位置對器件本體是否產(chǎn)生裂紋無直接影響，但會影響手工焊接質(zhì)量。因助焊劑除傳遞熱量外，還兼具去除焊盤表面氧化物、降低液態(tài)釬料對焊盤潤濕難度的作用，當(dāng)不涂敷助焊劑或僅涂敷在焊錫絲上時，不利于液態(tài)釬料充分潤濕焊接界面，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不符合要求，影響焊接效果穩(wěn)定性。
2. 焊接溫度與 PCB 預(yù)熱影響：對比分組 3 - 5 的試驗情況，在 PCB 預(yù)熱條件下，當(dāng)焊接溫度達(dá)到 320℃時，器件本體開始產(chǎn)生裂紋，即器件本體和 PCB 預(yù)熱溫度不變時，焊接溫度達(dá) 320℃便會出現(xiàn)裂紋，可見降低手工焊接溫度對避免器件產(chǎn)生裂紋很有必要。

對比分組 6 和 7 的試驗數(shù)據(jù)，PCB 不預(yù)熱時，焊接溫度達(dá)到 300℃器件本體就開始出現(xiàn)裂紋，相較于 PCB 預(yù)熱的分組，其出現(xiàn)裂紋的焊接溫度低了 20℃（此處明確了溫度差值，增強(qiáng)對比效果），表明 PCB 預(yù)熱能有效降低器件本體與焊點(diǎn)間的溫度差，提高器件耐手工焊接的溫度。

3 激光錫球焊接設(shè)備的引入及優(yōu)勢

3.1 引入背景

鑒于手工焊接在多層瓷介電容器焊接中面臨的諸多問題，盡管通過調(diào)整助焊劑涂敷位置、控制電烙鐵溫度以及進(jìn)行 PCB 預(yù)熱等措施可在一定程度上緩解熱應(yīng)力影響，但仍難以徹底避免裂紋產(chǎn)生及由此引發(fā)的器件失效風(fēng)險。為根本解決這一難題，保障多層瓷介電容器焊接質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性，經(jīng)對各類焊接技術(shù)及設(shè)備綜合評估與篩選，最終決定引進(jìn)大研智造的激光錫球焊接設(shè)備。

3.2 激光錫球焊接設(shè)備優(yōu)勢

能量集中，熱影響小：大研智造激光錫球焊錫機(jī)采用激光焊接方式，能量高度集中于焊接部位，可實現(xiàn)局部精準(zhǔn)加熱。與傳統(tǒng)手工焊接靠電烙鐵傳導(dǎo)熱量至整個焊接區(qū)域及周邊不同，激光焊接的熱影響區(qū)域極小，能大幅減少熱應(yīng)力對多層瓷介電容器內(nèi)部不同材料的不良影響，有效避免因熱膨脹系數(shù)差異引發(fā)的裂紋問題，確保器件在焊接過程中的結(jié)構(gòu)完整性。

溫度精確控制：該設(shè)備配備先進(jìn)智能控制系統(tǒng)，能實時精確監(jiān)測和調(diào)控焊接溫度。操作人員可依據(jù)多層瓷介電容器的材料特性及具體焊接要求，精準(zhǔn)設(shè)定溫度參數(shù)，使焊接過程始終處于最適宜的溫度區(qū)間。這既避免了因溫度過高致使陶瓷介質(zhì)等材料性能受損、產(chǎn)生裂紋，又確保焊料充分熔化，形成高質(zhì)量焊點(diǎn)，保障焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

高精度焊接保障：借助高精度定位系統(tǒng)與精細(xì)的激光束聚焦技術(shù)，激光錫球焊錫機(jī)可將激光光斑聚焦到極小范圍，精確對準(zhǔn)多層瓷介電容器的焊接點(diǎn)位。無論對于尺寸較小的多層瓷介電容器，還是其精細(xì)的電極部位，都能實現(xiàn)高精度焊接操作，保證各焊點(diǎn)的大小、形狀及焊接深度等關(guān)鍵指標(biāo)高度一致，滿足多層瓷介電容器對焊接精度的嚴(yán)格要求，進(jìn)一步提升焊接質(zhì)量，降低因焊接不良導(dǎo)致的器件失效風(fēng)險。

工藝一致性高：設(shè)備具備自動化焊接流程，操作人員只需按多層瓷介電容器的型號、規(guī)格等參數(shù)簡單設(shè)置，即可啟動設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定且一致的焊接操作。整個焊接過程由精確程序控制，不受人為因素（如操作手法、精力狀態(tài)等）影響，無論是單個焊接還是批量生產(chǎn)，都能保證每次焊接的工藝參數(shù)、焊點(diǎn)質(zhì)量等高度一致，有效解決手工焊接中因操作人員差異導(dǎo)致的質(zhì)量參差不齊問題，提高產(chǎn)品整體一致性和穩(wěn)定性，為大規(guī)模生產(chǎn)多層瓷介電容器提供有力保障。

4 激光錫球焊接設(shè)備在多層瓷介電容器焊接中的實際應(yīng)用

某所引入大研智造激光錫球焊錫機(jī)后，其技術(shù)團(tuán)隊依據(jù)多層瓷介電容器的具體特性，對焊錫機(jī)進(jìn)行針對性參數(shù)設(shè)置。例如，參照電容器陶瓷介質(zhì)的耐熱性能，將焊接溫度精確設(shè)定在合適數(shù)值，同時結(jié)合電極尺寸和間距等因素，合理調(diào)整激光光斑的聚焦精度以及焊接時間等參數(shù)。

實際應(yīng)用效果顯著，經(jīng)激光錫球焊接后的多層瓷介電容器，在后續(xù)嚴(yán)格的溫度循環(huán)試驗以及各項性能檢測中，均未再出現(xiàn)因焊接導(dǎo)致的裂紋問題。產(chǎn)品的一次通過率從原來手工焊接時的不足 70% 提升到了 95% 以上，大幅減少了因焊接質(zhì)量問題引發(fā)的返工和維修環(huán)節(jié)，降低了生產(chǎn)成本，有力保障了航天電子產(chǎn)品的高質(zhì)量交付，進(jìn)一步鞏固了該所在航天領(lǐng)域的市場競爭力。

不僅如此，在其他如消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造等領(lǐng)域，類似的積極效果也不斷顯現(xiàn)。眾多企業(yè)引入該設(shè)備后，充分利用其優(yōu)勢，有效解決了多層瓷介電容器焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，提升了產(chǎn)品整體質(zhì)量，增強(qiáng)了市場競爭力，進(jìn)一步驗證了大研智造激光錫球焊錫機(jī)在多層瓷介電容器焊接應(yīng)用中的可靠性和價值。

5 總結(jié)與展望

通過深入分析多層瓷介電容器手工焊接過程中因熱應(yīng)力導(dǎo)致裂紋及器件失效的問題，并開展系列試驗驗證，清晰認(rèn)識到手工焊接應(yīng)對此類問題存在局限性，即便采取多種優(yōu)化措施，也難以徹底解決問題。

大研智造激光錫球焊錫機(jī)的引入，憑借能量集中、溫度精確控制、高精度焊接保障以及工藝一致性高等顯著優(yōu)勢，有效攻克了多層瓷介電容器焊接難題，在實際應(yīng)用中為航天、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等相關(guān)制造企業(yè)帶來產(chǎn)品質(zhì)量提升、生產(chǎn)效率提高、成本降低以及市場競爭力增強(qiáng)等諸多益處。

展望未來，隨著電子技術(shù)持續(xù)發(fā)展，多層瓷介電容器在更多高端、精密電子產(chǎn)品中的應(yīng)用將越發(fā)廣泛，對其焊接質(zhì)量要求也會愈發(fā)嚴(yán)苛。大研智造激光錫球焊錫機(jī)有望通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化升級，進(jìn)一步提升焊接性能，例如實現(xiàn)更精細(xì)化的溫度調(diào)控、更高的焊接精度以及更強(qiáng)的兼容性等，從而更好地適應(yīng)未來復(fù)雜多變的焊接需求，在多層瓷介電容器乃至整個電子制造行業(yè)的發(fā)展中持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力我國電子產(chǎn)業(yè)在全球市場占據(jù)更有利地位，不斷書寫高質(zhì)量發(fā)展新篇章。

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