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2020-01-15

引线框架除助焊剂清洗剂合明科技分享:高等级集成电路器件引线成形工艺研究

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:210

引线框架除助焊剂清洗剂合明科技分享:高等级集成电路器件引线成形工艺研究


摘 要:本文以高等级电子产品中已广泛使用的引脚未成形的高等级集成电路器件为研究对象,在分析其基本尺寸及装配需求的基础上,针对器件引线固有的特点,提出了成形过程中模具参数设计及印制板焊盘尺寸控制工艺技术难点,并给出了解决方案,最后通过工艺验证试验证了方案的正确性。

 

扁平封装集成器件(简称 QFP)封装时产生的寄生参数小,装配操作比较方便,可靠性较高,适合高频应用。随着电子技术的快速发展,QFP 器件被广泛应用于家电、汽车等民品领域,同时也广泛应用于军事电子产品中。为避免器件引线受外力变形,便于存储和运输,确保器件各引线间为等电位,部分高等级 QFP 器件出厂时引线未进行成形处理,如图 1 所示。因此,该类器件在电子装联之前,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。由于该类器件使用时需根据引脚成形情况进行 PCB 焊盘设计,因此引线成形工艺对器件焊接可靠性起着至关重要的作用。本文介绍了一种高等级 QFP 器件工装成形工艺技术,通过设计一体式成形工装,既解决了该类器件引线成形问题,又降低了生产成本。

成形过程工艺技术难点

高等级器件出厂时引线为图 1 所示的封装形式,由于器件未成形,给使用者提供更多的设计选择性,同时也容易出现印制板焊盘设计尺寸与器件引线成型后不匹配等问题。采用手工成形主要存在以下问题:

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成形工装可操作性差。工装为分立的模具,对操作人员要求较高,同时成形工装无肩部固定措施,导致成形过程中器件引线根部受力,存在开裂的风险,如图 2 所示。

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手工成形对引线的回弹控制难度大。标准规定器件成形后搭接焊盘的引线翘起或离开焊盘表面高度不应超过0.25mm,如图 3 所示。由于成形模具设计时未考虑器件引线的回弹系数,导致成形后器件引脚翘起或不共面,焊接及环境实验后焊点出现开裂等问题。

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引线成形半径、肩宽、搭接长度、离板高度等工艺参数控制,采用手工成形上述参数均由操作者手工控制,难度较大;

印制板封装设计不合理,焊盘间距较大,器件引线成形后平直部分 A 较长,如图 2 所示。由于器件未贴板安装,导致转运和使用时器件引线变形。

因此,分析得出该类器件成形工艺技术难点为:

引线根部固定。引线手工成形主要是通过刚性折弯工艺过程来完成,器件引线受力弯折成装配所需的形状,在成形过程中需保证引线与器件本体连接处未受应力影响,避免应力损伤;

上下模具引线成形半径、肩宽、成形高度及回弹角度的确定;

器件引线共面性控制;

器件及模具定位方法。


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成形方案

根据上述难点分析,通过查询电子元器件引线成形相关标准,确定采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需要控制:

肩宽(B):既引线根部到第一个弯折点的距离,如图5 所示,成形过程中应保证器件两边引线基本对称,器件本体与印制电路板表面之间基本平行,引线不得从器件根部进行成形,本体到引线弯曲点间的平直部分 B 最小尺寸为 2 倍引线直径或0.5mm;根据使用的器件外形特性将肩宽 B 设计为 1mm。

引线成形半径(R):既引线弯曲半径,引线的弯曲半径主要是消除应力。由于成形时,器件引线存在反弹,不同材料和不同厚度引线的反弹系数存在一定的差别,为确保器件引线成形后,焊接面的共面性(不大于 0.1mm)良好,应控制好引线的弯曲半径。IPC610D 中规定引线厚度小于0.8mm 时,最小引线弯曲半径为引线厚度的 1 倍;引线厚度(或直径)大于 0.8mm 时,最小引线弯曲半径为引线厚度的 1.5 ~ 2.0 倍。

搭接长度(C):既引线焊接到印制电路板焊盘上的长度,如图 5 所示。为保证焊接可靠性,扁平引线搭接在焊盘上的长度应为 3 ~ 5 倍引线的宽度;引线剪切后,趾部离焊盘边缘至少 0.25mm;扁平引线宽度小于 0.5mm 时,搭接长度不应小于 1.25mm。

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离板高度(D):既器件本体下表面与印制电路板之间的距离,离板高度最小值为 0.5mm,最大值为 1mm;若元器件本体下面没有印制导线或器件底部需接地焊接时,可以按贴板安装的方式进行成形。

通过上述数据收集、分析,确定采用组合工装进行器件引线成形,首先针对 QFP/SOP 封装器件进行工装设计;其次工装参数确定后,为保证成形后器件的可装配性,提出印制板焊盘设计规范;最后通过成形试验、装配试验及相关环境试验来验证工装及成形工艺的可行性。

成形工装参数确认

根据上述器件成形尺寸关键点控制要求,确认工装需具备如下特性:

上下模具成形边倒圆角,圆角半径为 0.5mm;

下模具控制引线肩宽的结构为 1mm;

离板高度 0.5mm,若底部需接地的器件,控制离板高度为 0 - 0.05mm;

防止引线反弹的角度 5°~ 8°;

上下模具通过定位销进行导向;

上模具与下模具之间的间隙应不小于引线厚度;

引线肩部需增加固定装置,确保器件成形过程中引线根部不受应力;

器件多余引脚采用专用刀具进行剪切。

引线成形工装由四部分组成,分别包括上模具、下模具、定位 / 导向装置、压紧机构。成形的基本原理为:成形前将压紧机构用螺钉及弹簧固定到上模具中,该结构主要用于固定引线肩部,避免成形时引线根部受力;将器件放入装有定位 / 导向装置的下模具中,将上模具合到下模具,由弹簧固定的压紧机构接触引线并压紧引线,保证在成形过程中引线根部不受力;上模具继续向下运动,完成引线成形,如图 6所示;多余引线剪切采用剪刀或留屑钳。

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规范印制板焊盘设计

在器件基本尺寸确定的情况下,印制板设计人员通过仿真设计,完成印制板焊盘设计优化方案,对类似器件的焊盘设计提出通用要求,通用要求如下:

器件丝印框尺寸取器件本体宽度(A 为范围值,如图 5所示)的平均值;

印制板焊盘与丝印框间的间隙四边均为 0.5mm,如图 7所示。

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焊盘长度 3.5mm。

成形试验、装配试验及相关环境试验

完成印制板焊盘设计及工装尺寸优化后,对工艺样件进行引线成形、器件装配及环境试验,主要项目如下:

器件引线成形试验,成形后的样品用 20~40 倍显微镜进行外观检查,查看本体及引线是否受损;

器件装配试验,成形合格后的器件进行焊接试验。

器件随印制板及整机进行环境试验,环境试验项目为:冲击试验、正弦振动试验、随机振动试验、热循环试验、工艺鉴定温度循环试验。

金相切片分析

方案实施和验证

成形试验

器件引线成形采用组合工装对 QFP 器件进行试验,成形流程如图 8 所示,成形操作如图 9 所示。

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准备:器件引线成形前用清洗液清洗成形工装,保证成形时器件不被多余物污染或损伤,如图 9(a)所示;器件预处理:用留屑钳将器件引线固定框四个角上的金属块剪掉,引脚四边的陶瓷固定框可保留,如图 9(b)所示;

工装固定:用吸笔将器件放入下模具器件槽内,将定位导向装置装入下模具,如图 9(c)所示;

成形:上模具沿定位导向销向下运动,器件取出后用剪刀修剪多余的引线,完成成形,如图 9(d)所示。

器件引线成形后,用显微镜放大 40 倍对器件引脚根部、肩部、两个折弯处及器件本体进行检查,成形试验检查结果如表 1,器件引线成形图 10。

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表 1 和图 10 表明,用 40 倍显微镜检查引线上无明显刻痕,成形后器件引线根部、肩部及两个折弯处由于金属与金属接触,有轻微磨擦,无明显裂纹及损伤,在标准接受范围内。


环境试验

为进一步确认器件成形质量和印制板焊盘设计规范的正确性,首先对成形后的器件进行装配试验,如图 11 所示;

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其次对焊接器件后的印制板进行工艺鉴定温度循环试验;最后印制板进行整机装配,随整机进行冲击试验、正弦振动试验、随机振动试验、热真空试验,如图 12 所示。

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环境试验后器件进行外观检查,器件引线折弯处和根部均未出现断裂现象,外观完好。

金相分析

环境试验后将装配有上述器件的印制板送广州赛宝进行金相分析,分析结果如图 13 所示。


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通过上述试验验证,器件焊点质量合格,引线根部及折弯处无损伤,因此确认器件引线成形质量合格,成形工艺方法可行。

结束语

成形工装以器件引线厚度为参照,确定器件成形半径、肩宽和回弹角度,采用成形 / 固定一体式设计,保证器件引线共面性;通过引线根部固定装置和定位导向装置确保成形过程中器件本体和引线根部无损伤,在小批量、多品种生产模式中,采用该方法进行器件引线成形既能满足产品质量要求,又能降低生产成本,具有较好的生产价值。

 

 杨 蓉 高可靠电子装联技术



合明科技谈:组件清洗的价值和适用性

 


文章关键词导读:IPC、组件清洗、表面贴装技术

 

表面贴装技术发展与创新的路径是对市场所要求的高功能性、降低成本、减少周期时间、提升质量压力的相应过程。为增加功能,当今的电路组件将多功能性的要求纳入较小面积的电路板设计。先进的封装设计需要更多的互联来支持功率需求和带宽。无源(被动)和有源(主动)元器件的尺寸变小以及许多面阵列节距和托高高度也降低,这都增加了枝晶生成及电话学迁移的风险。同时,在板上也会扩充功能性驱动封装尺寸和较高计数的输入/输出。考虑的关键指标是表面面积与Z轴高度比,这个比值的增加会使得进入和从大面积/小的Z轴高度的空间去除残留更加困难。

技术基准的市场压力增加了可靠性的要求,作为电子组装业者溯及上游的常规设计到临界以及前沿技术。在过去的二十年里,传统的表面贴装技术成功地采用了低残留免洗焊接工艺。今日对印制电路板厂商的挑战则取决于密度、无铅化、微型化。高性能电子组件的设计将由多层和叠层封装密度,增加输入/输出数量,缩小陈列节距,和更小的元器件托高高度等要求驱使着。额外的要求包括成本控制、制程限制、安全和环境法规(包括国家和国际约束以及地方性的规范和风气)制约的工艺变化,并且需要根据不断增加的供应链来控制程序的完成。



以上一文,仅供参考!

 

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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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