插脚式陶瓷电容器的焊接工艺技术研究

2022-09-11

插脚式陶瓷电容器, 是指将陶瓷电容器焊接两个引脚, 然后用包封材料将本体包封住, 以适合自动插件需要。引线在电容器装配时起接触导通作用, 引线和电容器的焊接强度直接影响电容器的使用。由于引脚使得传热距离加大, 散热更好, 使得产品可以承受波峰焊接高温, 同时, 由于增加了环氧封装, 使得产品拥有良好的防潮性, 从而可以适用于污染较大的环境。

陶瓷电容器使用广泛, 如有可见或不可见裂纹会导致电路失效, 甚至发生极大的损失事件。常见的通电后击穿现象大多是裂纹原因导致。陶瓷电容器现在做到几百层甚至上千层了, 每层是微米级的厚度。所以稍微有点变形就容易使其产生裂纹。另外同样材质、尺寸和耐压下的陶瓷电容器, 容量越高, 层数就越多, 每层也越薄, 于是越容易断裂。另外一个方面是, 相同材质、容量和耐压时, 尺寸小的电容要求每层介质更薄, 导致更容易断裂。裂纹的危害是漏电, 严重时引起内部层间错位短路等安全问题。而且裂纹有一个很麻烦的问题是, 有时比较隐蔽, 在电子元件出厂检验时可能发现不了, 到了客户端才正式暴露出来。所以防止陶瓷电容器产生裂纹意义重大。

除了本身的设计和工艺问题外, 在后续的加工和使用过程中焊接条件不当是陶瓷电容器裂纹产生的重要原因之一, 由于陶瓷电容器是陶瓷和金属的结合体, 陶瓷体部分热传导性极差, 受到急冷和急热的情况下, 陶瓷体容易产生宏观裂纹。金属内电极部分的热传导性很好, 热膨胀系数较大, 在受热的情况下, 金属部分和陶瓷部分存在一定程度膨胀不一致的情况, 从而出现内部应力, 容易造成瓷体微裂纹。

陶瓷电容器受到温度冲击时, 容易从焊端开始产生裂纹。在这点上, 小尺寸电容比大尺寸电容相对来说会好一点, 其原理就是大尺寸的电容导热没这么快到达整个电容, 于是电容本体的不同点的温差大, 所以膨胀大小不同, 从而产生应力。这个道理和倒入开水时厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一样。所以在焊接时需要特别注意以下几点:预热时间要充分、预热温度尽量高、焊接温度尽量低。行业内通常推荐在焊接时, 陶瓷电容器本体和焊料的温度相差不超过100℃~130℃为最佳。

插脚式陶瓷电容器在生产过程中焊接常用的几种发热方式:烙铁、热空气、锡浆及红外线等。几种方式各有优缺点, 烙铁方式设备简单投资小, 但是由于焊接效率低、焊接质量难以控制, 主要用于产品返修和返工, 一般不用于批量生产;热空气加热为对流传导温度均匀、焊接质量好, 但是温度梯度不易控制;红外线加热为辐射传导热效率高, 温度陡度大, 易控制温度曲线, 但是因为有阴影效应, 温度不均匀、容易造成元件局部烧坏。因此, 也有些工艺是采用强制热风加热方式, 即红外热风混合加热结合红外和热风炉的优点, 在产品焊接时, 可得到优良的焊接效果。随着焊接技术的发展, 现在还有一种激光回流炉焊接, 它是利用激光束直接照射焊接部位, 焊点吸收光能变为热能, 使焊料加热熔化, 然后光照停止后焊料迅速冷却凝固。完成焊接。

目前市场上用于生产插脚式1206以下尺寸多层陶瓷电容器及常规电压的圆片陶瓷电容器比较常用的自动设备均是采用隧道式预热, 然后浸入锡浆的焊接方式。但对于1206以上的规格的多层陶瓷电容器普遍还是采用手工上陶瓷电容器, 烘灯预热, 然后手工浸入锡浆的方式来焊接, 这种焊接方式由于预热的温度、时间及焊接的时间都依靠人为控制, 存在一定的不确定因素, 因此焊接后有产生裂纹的隐患。

1 实验

由于焊接是将加热熔化的液态锡基焊料, 在助焊剂的作用下, 使焊接物和被焊接物连接在一起, 成为牢固的焊点。焊接是电子产品装配过程中的一个重要步骤, 每一个焊接点的质量都关系着整个电子产品的质量, 它要求每一个焊接点都有一定的机械强度和良好的电气性能, 焊点质量是保证产品质量的关键环节。

由于强制热风加热方式具有比较明显的优势, 陶瓷电容器芯片所受热冲击小, 因此在芯片质量有保障的前提下, 我们试验了如何提高焊点抗拉强度的不同方式。试验方案如下。

方案1:将成型引线头打扁沾上焊膏然后将陶瓷电容器芯片上到成型引线上放入强制热风式的隧道炉中, 使焊料熔化从而使引线和陶瓷电容器芯片端头焊接起来。

方案2:将成型引线头打扁, 然后沾上锡浆, 待锡浆冷却后沾上助焊剂, 再将陶瓷电容器芯片上到成型引线上, 放入强制热风隧道炉中, 使锡重新熔化从而使引线和陶瓷电容器芯片端头焊接起来。

2 结果与讨论

为了确保引线和芯片端头的接触面积尽可能大, 对于多层陶瓷电容器, 由于是在左右方向夹片固定芯片, 因此务必注意引线头打扁的方向应为左右方向, 而圆片陶瓷电容器由于是在上下方向夹片来固定芯片的, 因此务必注意引线头打扁的方向应为上下方向。

通过以上试验后, 用拉力机测定焊接后引线端子强度, 及两种材料的使用对电容器电气性能的影响。

采用方案1, 由于焊膏本身具有一定的黏度, 因此芯片固定好, 焊接后, 焊点的抗拉强度为0.8kg~1.0kg。但由于焊膏尚未固化, 因此需手工上芯片。

采用方案2, 由于多层陶瓷电容器的引线打扁方向为左右方向, 因此在淋锡浆时沾锡量非常少, 焊接后抗拉强度仅0.2kg~0.4kg, 且多掉片;对于圆片陶瓷电容器, 由于引线打扁方向为上下方向, 因此沾锡量大, 且对芯片固定很好, 焊接后, 焊点的抗拉强度为0.8kg~1.2kg。

对于多层陶瓷电容器只有方案1适用, 对于圆片陶瓷电容器则两种方案都适用, 但是方案1由于需要手工上芯片, 生产效率较低, 因此不适宜用于大批量生产。另外, 从以上结果来看, 焊接定位后均在电容器引线边缘形成了一均匀锡圈, 该锡圈增加了引线和芯片电极之间的焊接强度。焊接后焊点强度高, 表面美观, 光洁。

另外, 把按以上方案焊接引线的陶瓷电容器在焊接前后进行常规电性能测试及电晕试验, 结果表明, 电性能如:容量、损耗角正切、绝缘电阻及耐电压等均无不良影响。