片式钽电容器红外线回流焊的应用指南
一、 简介
当考虑钽电容器的红外线回流焊性能时，首先重要的是考虑红外线回流焊在所有电子元器件应用中所产生的影响，同时也要充分了解回流焊的过程。
图2所示的是AVX推荐的红外线回流焊曲线，此曲线阐明了回流焊的四个阶段。第一个阶段是温度从室温开始提升的过程。在这个温度升高期间，锡膏中的溶剂会蒸发。如果温度斜率过高，则导致温度升高过快；由于溶剂从锡膏中蒸发过快，会在锡膏中引起“小型的爆炸”而产生锡珠。在这个区域，我们推荐升温速率是1℃/S到3℃/S之间。太高的温度倾斜率也能导致一些元件的爆裂。
回流焊过程中的第二阶段是把温度维持在一个稳定值。这个阶段被视为“保温时间”，为的是激活锡膏中的助焊剂。这个保温温度能在130℃到180℃之间变化。典型的保温时间是30到120秒之间。如果保温时间过长，会发生铅铜金属结合体过多生成，导致铅损耗。铅损耗的结果是产生易脆的焊接部位。
有时使用的保温时间不止一个，图2中所示是其中的一种，这可以试着去保证在温度时间升得更高之前，使得电路板上所有元件达到平衡。 这可以使施加在元件上的热应力达到最小。
红外线回流焊的第三阶段是达到最高回流温度的升温曲线。另外，推荐1℃/S到3℃/S升温速率是为了防止陶瓷和硅元件发生不良。
所有元件需要有1秒或2秒的时间超过200℃，以保证有一个好的焊接带。超过200℃
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时间应尽可能短，因为时间过长对许多电子元件可以引起不良应力。如果超过200℃时间过长，较窄的焊接带可以导致大量的焊剂损耗。最大回流焊温度应在220℃到230℃之间，温度超过230℃会对半导体集成电路中的硅造成破坏。
红外线回流焊加热在热吸收方面依靠着大的范围，因此电子元件所经历的条件对元件数量、使用回流焊系统的类型和红外线回流焊系统的条件、获得回流焊而使用能量波的波长是敏感的。
一般使用的红外线回流焊系统有两类。第一类使用面积发射源或面板做为热源。这两种热源发射3.5到7.0μm的中高频波长。第二种系统使用电子管发射器，这种系统能发射出接近0.3到3.0μm波长的光谱。无论哪一种能量源都是采用辐射、传导和传送的结合的方式从发射器向元件转换热量。
上面所描述的两种加热源实际要准确控制是困难的。脉冲开关发射器和改变带速是控制回流焊状态的正常方法。因为精确地控制曲线的最小回流焊温度有困难；而最小回流焊温度的使用不仅可以形成好的焊接焊脚，而且防止过大的应力对元件造成危害。
红外线回流焊热源对元件内部加热的厚度依靠热源的波长，显而易见不同的热源对具有不同高度的元件将提供不同的应力水平。考虑到回流焊期间元件遭受的应力水平，需要对元件的最高点以及电路板板面进行回流焊曲线的测量。这个问题会在下文有更多的讨论。
另外，由于辐射转化的高热量，通过吸收以及通过电路板过程中电路板的密度的变化能导致通过电路板在波峰温度有明显不同，会引起局部“高温点”。在相同的电路板上，安装在此区域的元件能受到比其他区域元件更大的应力作用。这个问题会在下文有更多的讨论。
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关于红外线回流焊的颜色对元件的性能有一点影响，这是因为颜色在可见光波长中是一种能量的属性，而红外线是在不可见光区域。
回流焊过程的最后阶段是把电路板和元件冷却到环境温度。这个过程应避免强空气制冷。因为这会引起非常大的应力，取而代之是自然冷却。
二、 钽电容器
现在我们考虑红外线回流焊如何影响钽电容器。钽电容器是由多种不同原材料组成的。烧结后的钽阳极块具有一种海绵状结构。钽是一种稀有金属，其氧化物生成在金属表面。钽电容器的电介质是通过电解生成。钽电容器的阴极是锰氧化物，它附着在电介质层上。这种氧化物是通过把阳极体浸渍到变化浓度的硝酸锰中，然后在加热条件下把硝酸锰分解成锰氧化物，最后把阳极体依次浸渍到石墨、银浆中形成良好的电性连接。
在表面装配包封中，通过焊接阳极体钽丝方式把引线框架和阳极体连接起来，并用银膏连接阳极体阴极。然后塑封到环氧料中。图1为片式钽电容器的结构示意图。
图1片式钽电容器的结构示意图 图2推荐红外线回流焊曲线
我们要努力去保证所有材料的热膨胀系数尽可能的相匹配。但是其间仍会有差异。当电容器遭受温度冲击时，如电容器受到浸渍焊或在红外线回流焊过程受到辐射加热，材料
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热膨胀系数的差异可以引起电容器内部应力的增大。在极端的情况下，受到回流焊的影响，钽氧化物电介质层受到非常高的膨胀和收缩的作用，这可以引起其破裂。如此的破裂可导致电容器漏电流的增加。如产生过高的温度，产生的破裂可引起电容器短路。
如果我们考虑到所有元件被暴露到一条具有破坏性的红外线回流焊过程中，那么，对一些元件来谈，产生危害的几率以ppm计。然而，这些元件很容易在PCB检测的第一阶段就被发现，因为在使用线路检测仪去检查开路和短路期间，能检测出失效元件。可是，如果短路下限设定很低，比如1Ω，或者没有对电路板上元件进行开路和短路检测，那么会有残留的短路失效元件在通过电源开启阶段而失效。典型短路钽电容器电阻范围从0.1Ω到20Ω。有时这种失效也会因浪涌作用或电流冲击的错误而导致。只有通过组装电路板的生产者使用红外线回流焊能有助于正确地检测出这种失效的起因。
三、 红外线回流焊推荐
AVX已经推荐了红外线回流焊曲线，如图2所示。这个推荐与第一节“简介”中所讨论的回流焊相一致。另外，这与其他钽电容器制造商推荐也相同。
在钽电容器技术概述中，对上面具体的温度所经历的时间方面有一些推荐最多的准则，如图3所示的曲线，这与其他钽电容器制造商推荐的曲线也是一致的。
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图3最长时间与对应温度的指导图示
然而，需要注意的是，这些温度是最长时间-温度特性，并且AVX曾所推荐在红外线回流焊期间使用曲线波峰温度。在允许一个好的焊接连接的情况下使用最小温度具有很好的实际意义，因为这不会对电路板上元件产生不应有的应力，并同时应避免230℃以上的高温，因为这会对硅芯、一些陶瓷或塑料材料造成破坏。
四、 国际标准
有许多指南和标准与表面贴装电容器有关。其中有两个：一个是CECC00802规范（欧洲电工技术标准化委员会）———评价表面贴装元器件（SMDs）质量的标准方法，另一个是IEC68-2-58-可焊性以及抑制金属物质的分解和表面贴装设备（SMDs）的焊接热。
CECC00802规范陈述到“在红外线焊接炉内升温比率依靠材料表面的热量吸收系数和不同元器件对热的吸收量，与此相关的是表面积易受到红外线辐射的影响”。因此可以看出在电路板上，大壳号钽电容器的热吸收量将会比一些小壳号电容器更容易引起温度升高。可是标准中也承认“在红外线焊接炉中元器件的温度……是不清楚的”，并且推荐当元器件通过红外线炉时可对其温度进行测量。CECC规范表述一条“典型的”在几种电路板上测量出的红外线回流焊曲线，这条曲线仅作参考，不能作为已确定的最大参数的使用。
当提到元件经受焊接热的可靠性时，CECC00802规范使用了IEC68-2-58规范中的试验方法：把元件浸入焊锡槽，试验后确定电性参数的漂移水平。由于AVX钽电容器是A类元件，浸入焊锡槽的温度是260±5℃，时间10秒。这种试验引起不同类型的应力，也包括红外线回流焊，但是更接近模拟波峰回流焊。
为给表面贴装设备提供一个检测规范，以此规范去检验产品经受红外线回流焊可靠性，
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但由于回流焊加热源的波长的变化、带速的易变性以及元件之间不同基质类型的热量的差异，使得提供检测规范变得非常困难。双层FR4电路板与四层FR4电路板在热量方面有非常大的差异（四层FR4电路板中的两层是电源层）。因此当给新电路板设定回流焊曲线时，确定实际测量方式是主要的，以此保证电路板上的元件都不要受到过度应力作用。
五、 工业趋势
AVX公司工程部曾察觉到最近几年由于工业加大通过回流焊炉的电路板密度和追求更大的生产量，工业的红外线回流焊趋势已经有所提高，因此AVX公司曾在1993年最后几个月开展过对主要工业制造商回流焊曲线的调查。一些结果在表1中有概括。可以看出，波峰温度有一个十分宽的范围，从200℃到235℃。温度升高斜率也有一个宽的范围，从0.75℃/秒到3.5℃/秒。
和表2中所示的AVX推荐红外线曲线特征值比较起来，表1中所列的7条曲线趋势中的4条具有更高的波峰温度，2条曲线趋势中的倾斜率要高一点。
表1顾客红外线回流焊调查结果 表2推荐红外线回流焊曲线特性值
AVX预料当制造商趋向于在回流焊中使用无铅焊膏，波峰温度会继续升高。
六、 影响回流焊特性的因素
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6.1、电容器制造商对回流焊特性有影响的因素
大多数影响钽电容器回流焊稳定性的因素是波峰温度、108℃以上的受热时间和温度升高的最大斜率。
波峰温度有如此影响的原因是温度越高，膨胀/收缩更容易出现，因此元件所受应力越大。而且，如果出现更高温度，那么超过模塑料的玻璃体转换温度（178℃）所花费的时间通常增加，这也增加了设备是应力。很明显，应力越大，电介质击穿的概率会增加。
在AVX，通过抽取几个生产批次的样品，在波峰温度是235℃到310℃，这样变化的红外线回流焊曲线去检测它们，并且在循环前后去测量样品的漏电流，这种相关性已经被证实。
180℃以上所经历的时间对回流焊特性也是关键，因为元件在高温下时间越长所受应力作用越长，并且元件经受高应力作用的时间也越长，电介质被破坏的概率就越大。180℃接近标准60/40焊膏的金属熔点，因此超过此温度会发生回流焊焊接。（注意此温度也接近模塑料的玻璃体转换温度，正如上文所论述。）
最大温度斜率是重要的因素，因为它控制着升温速率，使得热量能均匀分布到电容器的阳极体。如果升温速率太高，钽金属将比周围环氧塑封体更快地加热。由此使阳极体处于大的收缩压力下，在这种状态下，可以致使钽氧化物电介质层破裂，使得电容器漏电流增加或是短路。
为检查红外线回流焊测量结果，作为AVX的持续生产改进承诺的一部分，AVX已着手研究，怎样改进电容器的回流焊特性。很明显，增加波峰回流焊温度，减小回流焊时间，可以增加温度升高斜率。
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图4回流焊试验结果
研究的结果之一是AVX已落实的增强所有C、D和E壳表面贴装钽电容器的二氧化锰层，以提高它们在工业日益趋向不利红外线回流焊状态下的特性。二氧化锰在密封模塑层和电介质层之间起缓冲层作用，
A和B这样小壳号产品对红外线回流焊并不敏感，因为其中含有少量的金属，因此不会很快被加热或通过模塑环氧层有很大的温度差。
6.2电路板组装制造商对回流焊特性有影响的因素
电路板组装制造商能通过以下几方面把红外线回流焊对固体钽电容器的影响减少到最小：
6.2.1、预防“热量点”
避免电容器过度集中，过度集中可引起局部加热效果。在许多设计中电路板会含几颗并联的钽电容器，以起到能量贮存和退耦的作用。一般这些电容器是C、D或E这样的大壳号产品。如果装配的电容器彼此之间相隔近，那么因为电容器内部金属的大量存在，电路板的这个区域会比周围环境优先加热。和仅2cm远的区域相比，这种温度差能达到20℃。
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围绕电容器可产生“局部加热点”。如图5所示。
因此在这个区域的元件比电路板其他区域安装的元件会受到更大的热应力作用。扩大电容器在电路板的位置是重要的。这已经有了进展，产品电性能特别是噪声抑制将有改善，现在通过紧挨着集成电路的电路板所贮存的充电能量可均匀分布，胜于在一点聚集。
6.2.2、把通过元件的热量差异维持到最小
红外线曲线在电容器的顶端面和电路板面之间产生大的热量差。大尺寸壳号或扩展范围产品在电容器顶端面和电路板之间的温度差有20℃。另一个引起温度差的原因是在超扩展范围产品中使用非常多的钽金属，经过回流焊它可在电容器内部引起大的应力。因此这些被加热的产品比起标准产品更加容易受到回流焊危害。当使用这些产品要采取谨慎态度，以确保电容器顶端面和电路板之间的温度差保持达到最小。图6显示的是确定钽电容器焊接曲线的最好方法。
图5局部热量点图示 图6测定温度差异
6.2.3、使红外线升温斜率受控
在回流焊期间应避免大温度斜率；大温度斜率会使元件波峰回流焊温度过快升高或吸收温度太快。最好的实际方法是确保最大升温速率在2℃/s左右。
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6.2.4、避免高波峰温度
焊接热量要求高的元件如手机内置天线经常使用非常高的温度焊接。这种会使电路板上的其它电子元件受到过度应力作用。
低波峰温度回流焊更具优越性，通过增加吸收热量时间能简单获取。
七、 结论
在结论中,应该记住大壳号尺寸钽电容器包含大量钽金属，和周围电路板比较起来这类电容器更易被加热。这可以引起电容器内几何结构形状的应力作用。几种性能提高的产品电容器制造商能生产，电路板组装厂家也要通过预防钽电容器大的集中以减小应力，因为钽电容器集中会引起热量点；另外还要减小温度斜率、温度差和尽可能低的保持波峰回流焊温度。
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