1、贴片保险丝产品耐焊性能研究 陈镇 袁红红 丁晨晖 南京萨特科技发展有限公司 摘 要： 本文通过对相关标准中关于耐焊接热的测试要求进行了对比, 同时结合贴片保险丝产品的不同产品设计工艺特点, 及其经受耐焊接热测试后的可能发生的问题进行了相关分析说明。关键词： 耐焊接热; 贴片保险丝; 产品设计; Research on Soldering Resistance Performance of SMD FusesAbstract： Through comparing the test requirements for resistance to soldering heat in related s
2、tandards, and combined with the design technique characteristics of different SMD fuse products, this paper analyzes the existing problems after the test.Keyword： resistance to soldering heat; SMD fuses; product design; 耐焊接热性能是电子元件产品常规交收试验时需测试的性能项目之一, 也是可靠性测试的项目之一, 其目的是通过接近模拟波峰焊焊接的方式, 确定元件是否能经受得起在焊接
3、端电极过程中所产生的热效应, 焊接后是否能发挥其正常的电气特性, 外观是否会有机械损伤等不良影响。贴片保险丝产品的耐焊接热测试要求, 在相关国际标准 (IEC 60068-2-58/IEC 60127-4) 、国家标准 (GB/T 9364.4) 、国军标 (GJB 360B) 及美军标 (MIL-STD-202G) 等标准中都有规定。1 耐焊接热测试标准要求相关标准中都对耐焊接热测试项目有规定其试验要求, 本文对各个适用的标准之相关内容摘录说明如下:1) 国标 GB/T 9364.4 (IEC 6127-4) 中 8.7.2 条款标准内容:熔断体应经受 IEC 60068-2-58, 6.2
4、 试验, 试验后应符合下述条件:老化, 不进行 (按接收状态) ;浸渍条件:2605, 101 s;浸渍深度:10 mm;(4) 助焊剂类型:活性。试验之后, 熔断体不应破裂, 标志应清晰可辨, 且如有色码, 不应改变颜色。按标准中 9.1 条款要求测量电压降, 电压降应不超过标准中最大电压降和持续功耗表所允许的最大值。注:对某些设计, 可能需要进行非严格试验。这应按照制造商的建议进行, 并应在试验报告中注明。2) 国军标 GJB 360B 方法 210 (MIL-STD-202G Method 210) 中标准相关内容简化说明事下:试验条件 B 为浸焊 (注:通常贴片保险丝使用浸焊方式验证耐
5、焊接热性能) , 试验顺序如下:(1) 样品预处理应在有关标准或产品规范中规定;(2) 预备焊槽:应搅拌熔融状态下的焊液以使其均匀, 焊液的表面应保持清洁和光亮;(3) 使用助焊剂时, 样品的端电极应在室温条件下浸入助焊剂中, 其深度应与将浸渍的焊料的深度相同, 持续 510 s;(4) 将元件装配在适当的夹具之上, 夹具采用非可焊的材料制作, 应以最小面积接触被测元件且不可给被测元件施加不恰当的压力;(5) 当有规定时, 引出端电极涂助焊剂;(6) 试验温度、浸入和拔出速率、浸渍时间以及循环次数按标准中给出的测试条件表要求。除另有规定外, 引出端的浸渍位置应距离元件本体 1.27 mm 以内
6、。若安装结构允许, 所有引出端应同时浸渍;(7) 浸焊后, 将样品在室温下冷却到稳定温度。若使用了助焊剂, 应以适当的溶剂清除之;(8) 以 10 倍放大镜目检元件;(9) 检验与测量:适用时, 试验前后进行的检验和测量应按有关标准的规定。试验后, 元件应置于室温环境下冷却到稳定温度。恢复时间由有关标准规定;(10) 当有规定时, 应在试验后对元件进行内部检查以检测出有无焊料回流或热损伤。3) IEC 60068-2-58 标准是专业针对贴片器件环境试验中有关焊接的标准, 也是各标准中耐焊接热测试项目所参考及引用的标准, 如 IEC 60127-4 等标准就有引用。其对于耐焊接热的测试方法有很
7、详细的规定, 本文对其中浸焊法简要说明如下:(1) 首先, 确认端电极的材料。当前电子元件的端电极使用的合金材料有两类:一类是无铅材料、另一类为锡铅合金, 他们的耐焊接热测试就去是有差别的。目前电子元件产品都必须符合欧盟关于有害物质管理的 Ro HS2.0 标准要求, 各制造商进行产品设计时都选择无铅设计工艺生产, 但因各制造商设计工艺不同, 实际使用的材料也各有不同, 标准中针对不同的端电极材料, 做无铅焊接测试时选择的测试温度也是有区别的。由于贴片保险丝产品工艺设计时大多采用铜锡合金材料 (也有使用铜帽镀金或铜帽镀银材料) 为端电极, 故确认产品焊接温度属于最高温度组, 其温度范围为 25
8、0260;图 1 测试夹具与浸渍说明 下载原图(2) 预处理。如无特殊说明或要求, 样品应以接收时状态保存, 注意不受污染或手指接触等;(3) 浸焊法:其测试装置、材料、助焊剂等都按相关标准规定或产品规格书要求;(4) 测试夹具:使用不锈钢材质的夹具, 如镊子等, 按图 1 的方式进行装夹, 注意不要接触到焊接区域, 且样品在浸泡助焊剂和浸焊的整个测试过程中应保持装在夹具上;(5) 助焊剂:除非有规定, 助焊剂浸渍和拔离时应缓慢, 多余的助焊剂需用纸吸走;(6) 浸焊:对有预热要求的, 应在浸焊之前立即进行, 测试前需对于锡浴中的氧化物立即进行清除, 测试时浸焊和拔离速率应在 2025 mm/
9、s 之间;(7) 对大多数样本, 浸渍深度应不低于焊液面 2 mm, 且与底座面垂直, 具体可参看图 1 的示意方式;(8) 焊接方式与条件:有浸焊方式, 回流焊方式, 根据不同的焊接测试方式, 其温度与时间需相应进行调整, 具体可参看相关规格书要求;(9) 最终测试:产品完成焊接后允许进行恢复, 自然冷却至室温, 冷却后去助焊剂, 然后进行电性检查及外观评价等, 具体可参看相关规格书要求。各个标准在表述方面详略程度各有不同, 在此对各个标准描述的情况做了对比说明, 具体有关内容列于表 1 中。2 贴片保险丝产品设计方式现今, 电子行业的产品越做越小, 集成化程度也越来越高, 保险丝产品也向小
10、体积、表面贴装工艺等方向做设计。各保险丝产品制造商根据其各自掌握的产品技术, 设计开发出不同工艺的贴片保险丝产品, 其设计方式主要有以下几种:表 1 对各个标准描述的情况对比说明 下载原表 1) 贴片电阻器工艺:在陶瓷基板上印刷厚膜熔体浆料或敷设合金薄膜的设计方式;2) 陶瓷管组装或拼装工艺:使用陶瓷管组装或拼装方法, 且在陶瓷管两端加金属帽及通过内部焊锡焊接熔丝的设计方式;3) 独石工艺:使用流延及熔体印刷工艺, 经高温烧结后再封端形成独石结构;4) 聚合物胶合工艺:使用聚合物树脂基板做本体及用导电胶粘合熔丝的方式;5) 合金丝绑定工艺:在环氧树脂或其他材质的基板表面, 把合金丝用绑定的工艺
11、绑定在合金片上, 再使用绝缘胶封装的工艺方式。各种不同设计的产品各有其特色, 在性能特性方面也各有优劣, 且其适用的电路环境也各有要求, 而从耐焊接热性能项目看, 也各有其优劣, 在选用时也需根据制造商规格书或选型指南的说明进行产品的选用。3 各种不同设计产品耐焊接热产品不同的设计方法, 由于制造工艺及选用材料的不同, 故在耐焊接热测试项目下的阻值变化率方面体现也各不相同:3.1 贴片电阻器工艺 (产品示意图可参看图 2) 用贴片电阻器工艺设计的贴片保险丝产品, 其端电极工艺有两种:一种为使用磁控溅射连接正面与背面电极, 另一种使用低温银浆浸封整个端电极。前者用磁控溅射工艺设计的连接方式, 端
12、头厚度总体较薄, 且由于熔体浆料是印刷在陶瓷基板的一面, 故其存在正面与背面的电阻值差的问题 (通常会有 35m 的差值, 具体差值大小与侧面电极层厚度有关) , 在耐焊接热测试后, 产品阻值会因有接触电阻而略有增加, 对于冷电阻为毫欧级的贴片保险丝产品, 耐焊接热测试后的阻值变化率通常在 5%以内, 但对于大电流规格产品, 因初始阻值就在1 m 左右, 有时会有超过阻值变化超出10%的情况, 从而导致产品耐焊接热测试后阻值飘移问题 (通常定义耐焊接热阻值变化率标准为允许偏差10%, 有部分产品在规格书中把标准定义为允许偏差20%) , 当然此问题可通过增加侧面电极层厚度的方式解决, 但会导致
13、成本的增加。而后者使用浸封工艺封端的产品, 端头使用银浆连接, 正面背面阻值测试时差异值正常不会超过 0.5 m, 在做完耐焊接热测试后, 其阻值变化率一般不超过5%, 但浸封工艺的缺点是使用低温银浆, 端电极附着力相对差一些。3.2 陶瓷管组装或拼装工艺 (产品示意图可参看图 3) 陶瓷管组装工艺一般使用专业的组装机生产 (或使用板焊的方式生产) , 通过熔化金属帽内的高温焊锡, 把熔丝、金属帽与陶瓷管组装在一起, 组装机生产方式生产自动化程度高, 产品一致性可得保证, 目前主要用于 2410 规格及以上尺寸产品的生产。由于设计使用焊锡来连接熔丝与金属帽, 故金属帽内的焊锡需要做耐高温化特殊
14、设计, 以确保可以经受耐焊接热测试时的热效应, 确保在耐焊接热测试过程中, 产品内部的焊锡不会熔化导致产品开路的问题。3.3 独石工艺 (产品示意图可参看图 4) 独石工艺设计方式把熔体设计在产品内部的中间位置, 不仅可以单层印刷, 还可以进行多层印刷, 其端电极为浸封工艺, 产品端电极四周都有电极层包裹, 故产品没有正面与背面阻值差的影响, 且可以做成大电流规格的产品。此设计方式生产的贴片保险丝产品经受耐焊接热测试后发生阻值飘移与开路的风险小, 但由于此种工艺为实心设计, 产品散热性能好, 不适用于做小电流的贴片保险丝产品。3.4 聚合物胶合工艺使用聚合物树脂基板工艺生产的方式, 这种方式由
15、于本体选材为聚合物树脂材料, 内部熔丝放在聚合物基板的空腔中, 通过胶体粘合成产品。故此种工艺生产的产品耐高温能力差, 经受耐焊接热测试后有时会有阻值飘移问题发生, 而且这种材料在高温下测试时还可能会发生聚合物基板分层的问题 (如图 5 所示) , 甚至会有发生开路的风险。图 2 片式电阻器工艺生产的贴片保险丝产品 下载原图图 3 陶瓷管组装或拼装工艺生产的贴片保险丝产品 下载原图图 4 独石工艺生产的贴片保险丝产品 下载原图3.5 合金丝绑定工艺 (产品示意图可参看图 6) 使用绑定工艺生产的贴片保险丝产品, 可以使用单根合金丝, 也可以使用多组合金丝组合成不同规格的产品, 其端电极材料以铜
16、或铜合金为主, 优势是产品正面与背面的阻值差小, 其经受耐焊接热测试后发生阻值飘移与开路的风险小。但由于使用多组合金熔丝并联或串并联组合的绑定方式, 需要在生产过程中保证各组合金熔丝的材质均匀性与加工质量的一致性。除上述五种产品设计工艺外, 还有其他设计工艺的生产方式, 不同设计工艺的贴片保险丝产品在性能指标上各有其优势与劣势, 从耐焊接热性能的角度看, 用户也需根据整机的实际加工制程条件与实际的应用情况进行合理的选型。同时各贴片保险丝制造商也都在持续对产品质量进行改善, 对制作工艺进行完善, 以不断提升其产品的市场竞争力。图 5 耐焊接热测试后聚合物分层问题 下载原图图 6 绑定工艺方式生产
17、的贴片保险丝 下载原图4 结论由于实际分析测试的样品数量有限, 本文的结论不一定完全正确, 希望各位专家不吝指正。同时建议用户在对贴片保险丝产品选型时, 除了关注贴片保险丝产品的熔断特性、分断能力、It 等重要指标外, 也需关注其他相关指标:如耐焊接热、温升、电压降等。参考文献1IEC 60127.4, Miniature fusesPart4:Universal modular fuselinks (UMF) Through-hole and surface mount typesS. 2GB/T 9364.4, 小型熔断器第 4 部分通用模件熔断体S. 3GJB 360B, 电子及电气元件试验方法S. 4MIL-STD-202G, Test Method Standard Electronic and Electronic Component PartsS. 5IEC 60068-2-58, Environmental TestingPart 2-58:TestsTest Td:Test methods for solderability, resistance to dissolution of metallization and to soldering heat of surface mounting devices (SMD) S.
