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@所有人!焊点可靠性分析技术要点
发布时间:2017-10-9 9:45:37  浏览次数:943 次  来源:顺星电子科技集团有限公司

1. 可焊性的评估和测试  

     可焊性一般指金属表面被熔融焊料润湿的能力,润湿的过程如上所述,在电子行业中,可焊性评估的目的是验证元器件引脚或焊端的可焊性是否满足规定的要求和判断存储对元器件焊接到单板上的能力是否产生了不良影响,可焊性测试主要是测试镀层可润湿能力的稳健性(robustness)。可焊性测试通常用于判断元器件和PCB在组装前的可焊性是否满足要求。  焊料润湿性能的试验方法有很多种,包括静滴法(Sessile drop)、润湿称量法(Wetting balance也称润湿平衡法)、浸锡法等。图1为静滴法的示意图,该法是将液体滴落在洁净光滑的试样表面上,待达到平衡稳定状态后,拍照放大,直接测出润湿角θ,并可通过θ角计算相应的液—固界面张力。该法中接触角θ可用于表征润湿合格与否,θ≤90°,称为润湿,θ>90°,称为不润湿,θ=0°,称为完全润湿,θ=180°,为完全不润湿。 

       润湿称量法则是将试样浸入焊锡中,测量提升时的荷重曲线,然后根据该荷重曲线,得出对润湿时间以及浮力进行修正后的润湿力。  

        以上两种方法为定量的方法,浸锡法则是定性的方法,是将试样浸入熔融焊料炉,观察焊料在镀层上的爬锡情况,凭经验定性评估镀层对焊料润湿情况,从而得出可焊性结论。

       这种方法具有快捷、方便和费用少等特点,但是它的重复性和再现性Gauge R&R差,两个人在不同时间进行同一测试可能会得出不同的结论。   可焊性的测试方法,代表性的标准为“IPC/EIA J-STD-003B印制板可焊性试验”和“IPC/EIA/JEDEC J-STD-002C元件引线、焊接端头、接线片及导线的可焊性测试”。润湿称量法由于其具有良好的重复性和再现性,受到多个标准的推荐使用。

     影响可焊性的因素很多,主要有:焊料的合金组成、表面镀层(或者表面处理)、温度、助焊剂和时间等。目前用于电子装配的焊料合金,主要以锡添加其它金属组成,添加的金属类型和量的比例,对润湿性能有很大影响。镀层对润湿性能的影响,主要表现为两个方面:镀层的类型和镀层的老化。不同的镀层类型,其可焊性不同,另外,随着镀层由于存储时间的延长或其它原因造成老化时,其可焊性越来越差,但是不同类型的镀层老化对其可焊性的影响各不相同。温度对润湿性能也有很大影响,通常温度越高润湿性能越好。焊剂的活性越高,越能破坏镀层表面的氧化膜,越有助于提高润湿性能。时间的长短对于金属间化合物层结构的形成会造成影响。作为测量的标准并且确保测量的重复性和再现性,这些因素在试验前必须得到明确的规定。 

2.焊接能力的评估和测试

       焊接能力用于评价在特定的工艺条件下,助焊剂和焊料一起确保元器件焊接到PCB上的能力,与可焊性不能混为一谈。焊接能力涉及的是实际生产条件中,应用的工艺条件、材料包括助焊剂和焊料、元器件、PCB甚至包括设备、以及设计等这样一个组合。换句话说,焊接能力的良好与否,是工艺、材料、设备和设计等搭配的结果,不单单是镀层润湿能力是否良好所决定的。一个因素中的问题,可能通过调整另一个因素来获得优化。经过测试具有良好可焊性的PCB和元器件,如果工艺条件等不能配合,焊接同样会出问题,说明焊接能力太差。

     由于焊接能力涉及如此之多的因素,因此目前并没有测试标准,这是因为,业界存在太多的工艺、设备和材料的组合,标准根本无法罗列清楚,因此标准的制定变得不现实。因此焊接能力的评估和测试并不是通过试验决定,而是通过对实际的焊接后的产品来进行的。可用的措施,如外观的检查,通过利用X光进行的检查、各种功能的测试如,ICT测试等。目前还没有完整的评价体系。

  3. 焊点可靠性的评估和测试 

    焊点可靠性指的是,焊点在规定的时间和规定的条件下,完成规定的功能而没有失效的可能性,用公式表示为R(t)=1-F(t),F(t)为“累计失效概率函数”,它是一个焊点寿命的理论分布模型。R(t)就是一个焊点经试验后而没有发生故障的百分比。焊点的可靠性是电子产品可靠性中的一个方面,且是一个关键的也是最容易引起产品失效的因素。

     焊点可靠性是通过可靠性试验来获得的,通常是通过对少量的样本进行可靠性试验,然后对获得的数据进行统计分析得出关于寿命分布的函数,从而得出其可靠性。如果按照产品正常运行时的环境和条件进行试验的话,将会经历很长的时间,因此,可靠性试验往往利用加速试验的方法,即采用比产品正常运行情况下更严酷的条件,如提高温度或湿度,加快物理化学失效退化过程,以尽快获得数据。这就要求在计算时必须把加速模型中的失效概率、可靠性函数、失效率和平均失效时间等从加速试验条件转换到产品正常的运行条件。

       尽管采用了加速试验的方法,但仍然有可能需要很长的试验时间,因此对于产品可靠性是否可以接受,客户往往要求供应商通过“可靠性认证试验”来决定。客户预先规定试验的时间、条件和方法,只要产品在规定的条件和方法下试验时间达到规定的时间后没有发生失效,即算是通过“可靠性认证”。 

  4. 名词解释 

蠕变:固体材料在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同,塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现,而蠕变只要应力的作用时间相当长,它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。许多材料(如金属、塑料、岩石和冰)在一定条件下都表现出蠕变的性质。由于蠕变,材料在某瞬时的应力状态,一般不仅与该瞬时的变形有关,而且与该瞬时以前的变形过程有关。许多工程问题都涉及蠕变。在维持恒定变形的材料中,应力会随时间的增长而减小,这种现象为应力松弛,它可理解为一种广义的蠕变。  

金相切片:又名切片,cross-section, x-section, 是用特制液态树脂将样品包裹固封,然后进行研磨抛光的一种制样方法,检测流程包括取样、固封、研磨、抛光、最后提供形貌照片、开裂分层大小判断、或尺寸等数据。是一种观察样品截面组织结构情况的最常用的制样手段。

第五代真空汽相回流焊


第五代真空汽相回流焊可以在让焊接仓形成一个负压焊接环境,在负压的焊接环境下,焊料的表面张力大为减少,焊料润湿能力可以提升到一个新的水平。



 不同类型回流焊接的润湿效果

通过将焊接环境变为负压的焊接环境(所有温区都成为大气压力可以精确控制的过程),我们发现可以完美的解决大部分焊料润湿不良的现象,提高焊点的可靠性。

1、助焊剂污染比较大,清洗后的残留危害大。助焊剂残留中的氯离子和钠离子遇到湿蒸汽会形成盐,腐蚀焊点。造成开路和虚焊的问题。有清洗死角的位置最容易出现问题。

2、目前的回流焊设备焊接过程不可控制。军工产品的特点是种类多,数量少。有些贵重产品没有多余的样品去反复做回流曲线的测试。一旦出现温度曲线参数设置错误或者疏忽,板子在炉子内部的焊接过程是完全无法控制的,会直接导致产品的报废和失效。需要一种新型的回流焊设备,不仅能观察整个焊接的过程(通过可视化的系统和各种传感器),还要能实时干预控制焊接中的各种参数。有了这样的功能,即便是出现人为设置失误,也能在焊接过程中及时发现并及时纠正。保证重点型号的重点产品顺利安全的焊接。

3、目前回流焊设备都有可能发生卡板和烧板的问题,因为炉膛内有高温热风和传动系统以及众多感应器,一旦传动系统和感应器出现小问题,就有可能出现烧板的问题,给单位带来不少的损失。新的回流焊内部没有任何传动系统,产品的焊接都是静止的。不会有卡板和掉板的问题。即便发现人为操作失误导致的焊接温度或者超过要求,也可以使用一键防烧板功能(快速抽真空),保障产品的安全。

正确的回流工艺做法:

  回流焊接技术,事实上并不如许多人所认为的那么简单。尤其是当您要求达到零缺陷和焊接可靠性(寿命)保证的情况下。我也只能暂时在做法上和大家分享经验。

 

  要确保有良好的回流焊接工艺,应该有以下的做法:

 1.了解您PCBA上的质量和焊接要求,例如最高温度要求和最需要在寿命上得到照顾的焊点和器件;

2.了解PCBA上的焊接难点,例如锡膏印刷大于焊盘的部分,间距特小的部分等等;

3.找出PCBA上最热和最冷的点,并在点上焊接测温热耦;

4.决定其他必需接热耦测温的地方,例如BGA封装和底部焊点,热敏感器件本体等等(尽量利用所有测温通道来获得最多信息);

5.设置初始参数,并和工艺规范比较(注九)以及调整;

6.对焊接后的PCBA在显微镜下进行仔细观察,观察焊点形状和表面状况、润湿程度、锡流方向、残留物和PCBA上的焊球等等。尤其是对以上第2点记录下的焊接难点处更要注意。一般而言,经过以上的调整后不会出现什么焊接故障。但如果有故障出现,针对故障模式分析,再针对其机理配合上下温区控制进行调整。如果没有故障,从所得曲线和板上焊点情况决定是否要进行微调优化。目的是要使设置的工艺最稳定以及风险最小。调整时一并考虑炉子负荷问题以及生产线速度问题,以便在质量和产量上得到较好的平衡。

 

以上的工艺曲线的设置调整,必须用实际产品进行才会有把握。使用实际产品的测试板,成本可能是个问题。有些用户所组装的板价格十分昂贵,这造成用户不愿意经常测试温度的原因。用户应该对调试成本和一旦出现问题的成本进行评估。此外,测试板的成本还可以通过使用假件、废板和选择性贴片等做法来进一步节省资源。

 

焊接工艺管制:

  上面我们谈的6个步骤是工艺的设置和调制。当我们对其效果满意后,便可以进入批量生产。由此刻起,工艺管制就十分重要了(注十)。一旦焊接参数(温度、时间、风量、风速、负载因子、排风等)决定了之后,确保这些参数有一定的稳定性是工艺监控的目标。

 

  目前较不理想的,是许多用户对于以上的工艺参数并未进行任何监控。做得稍微好的可能在固定时间段对温度曲线进行认证。做法是使用测试板和测温仪器过炉测量后和原先纪录进行比较。即使如此,这做法上仍然有些缺点。一是测量的频率和时间缺乏科学性的制定,以感性作决策为多。其二是抽样的可靠性偏低。这种做法如果要确保较高的效益,必须配合并建立在对设备有深入的研究和性能认证工作的基础上。

 

  对于从事高质量要求的行业,例如汽车电子、军用品、医疗设备、超级电脑、电力保护等等,以上的抽样式管制是不够的。目前市场上有一种实时监测系统,可以不间断的对炉子内的气流和温度情况进行监测。达到100%的工艺控制目的。唯一不足的,是目前该设计还未能和炉子的温控系统进行闭环整合,所以还是属于一种‘监测系统’而非‘控制系统’。不过这系统已经在工艺管制的领域中带给用户好处。据了解,目前这类技术在欧美使用很多,日本和韩国企业这两年也开始采用,台资企业由于受美国的影响也在近年较多的使用。而唯独中国企业使用得很少。这和采购观念(注十一)以及对技术应用和管理的认识有关。但我觉得只是个认识和学习的过程现象。相信将来中国的企业也会大量使用这门工艺管制技术。我曾对这系统和一些SMT用户交流过,不少用户其实并不了解这技术,常误以为它重复了炉子内部的温度控制功能。事实上炉子内部控制系统一般只监控‘温度’而不监控‘气流’,炉子的回温反应也有一定的延误,绝对不是预防性的。这也就是说,以目前的炉子控制技术来说,炉子本身并不能够保证不会出错。而这实时监测系统,虽然目前也不能预防质量问题的出现,但却有能力告诉用户炉子所不能够提供的故障信息。除了这点,该系统还具备‘风险预测’功能和QA功能。是个值得考虑的工具。


  从以上的特性中我们不难看到,超出一半的特性是不存在设备的技术指标书中的。而这就是为什么选择一台焊接炉子,是绝对不可能从纸面上的讨论和评估得到保障的。唯一的方法就是对实物进行测试(注十二)。

 

技术整合:

 最后我想再强调一个理念。任何工艺,如果要做得最好,就必须考虑到技术整合。这整合包括了设计(DFM)、设备、工艺、材料。,也包括了技术(如何焊接等等)和做法(质量管制方法等等)及管理(如何建立有效的流程和知识队伍等等)上的整合。和锡膏印刷或贴片等工艺一样,回流焊接也是个系统,一个不如我们许多人想象中那么简单的系统。

 

  我在本文较早时候提到工艺故障和回流温度曲线各工序间的关系。读者该紧记的一点,是这些故障并非都由焊接工艺所引起。SMT故障都是综合性的。,以下我举个例子说明。

 

  在处理J型引脚(例如PLCC和SOJ封装)的组装工艺时,如果出现少锡虚焊故障,并不意味就是个焊接问题。首先我们必须了解J型引脚的特点。J型引脚的结构是上方呈直立,到下方往器件的内部弯(接近半圆,底部和焊盘接触部分稍平)。这种结构在焊接时有几个特点:

1.不容易浮游;

2.直立部分容易吸锡(往上爬升);

3.底部往内弯所形成的夹角有助于焊点的形成(留锡);

4.质量的重点在于器件内部(封装本体下)的填充(fillet)。

 

  了解以上特点后,我们就可以知道如何处理整个焊接工艺了。首先在设计(DFM )上我们必须注意:

 

1.锡膏量不能够太多,适量的锡膏会在熔化时被引脚的夹角‘留’住。太多的锡膏容易助长引脚直立面往上‘拉’锡,而造成少锡问题。

2.由于不容易浮游,即使在器件轻的情况下,引脚材料的选择可以采用60Sn40以外润湿性较差的材料。这有助于防止吸锡现象和增加贴片的光学识别质量和稳定性。

3.焊盘内侧可以稍长,两侧稍窄,外侧稍短。这保证焊点的质量,同时防止吸锡问题。

4.所有焊盘引脚必须加入‘热阻’设计,避免造成‘冷’焊盘;

5.器件周边避免有高的器件以及距离太近;

6.锡膏印刷钢网开口偏内;

7.Ni/Au焊盘镀层为优选。如果因成本采用HASL保护层,裸板交货期短,保持‘新鲜’。(如果钢网稍厚,上述6项中的钢网开口形状最好做微调整).

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