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焊膏分析:保持OEM和EMS公司之间的和谐

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-01-16  浏览次数:164

在电子业界,对制造缺陷的分析显示,焊接问题是产生失效的一个最
大成因;而且,随着表面贴装技术成为占统治地位的组装方法,大多
数的这类焊接失效可以被追溯为不良焊膏管理所造成的印刷、贴片和
焊接问题。

国际电工委员会(IEC)和电子互连行业协会(IPC)标准给出了焊膏
量化测试的标准(虽然当前的标准只覆盖了锡铅焊膏)。针对无铅合
金的相应标准计划在2009年出版。IEC 61189-5和IPC-TM-650分别
包括了四个和五个焊膏特性测试方法。

这些测试方法提供了一个框架,用来保证焊膏能够有效地发挥作用,
但是,这项工作通常是由焊膏制造商在发货前完成的。然而,直到现
在,这些测试方法仍然是复杂和耗时的,每项测试都需要单独的设备
来完成 。不过,一台新的多合一设备已经问世,它可以让一名中等技
术水平的操作员在15分钟内完成全套的测试。现在,通过使用前检查
焊膏的特性,产品制造商可以将现场缺陷做到最小化——如果此后再
加以纠正的话,不但代价高昂,而且给企业的声誉带来巨大的损失。

焊膏问题
当代的焊膏和模板印刷设备相当先进,足以满足细间距、高密度电子
组件的高产量或高混合制造要求。焊膏制造商会竭尽全力确保他们的
产品满足IEC和IPC标准所定义的规格。

然而,焊膏是一个由焊粉、助焊剂载体和其它用以增强焊膏在印刷过
程中性能(见焊膏剖析)的添加成分构成的复杂混合物,并且在制造
和使用的时间间隔中,焊膏的特性还会发生一定的变化。

更糟糕的是,一旦焊膏被打开并且“回温处理”(允许达到室温并搅拌,
以确保焊膏的均匀混合),它的特性就开始快速恶化。这一恶化是由
于溶剂的挥发以及在搅拌时被混入的空气导致的焊料球粉的氧化。焊
膏可接受用于生产的时间区间被称为“敞开时间”。

焊膏超过它的“敞开时间”,或由于不恰当的存储或超过它的存储期限
而被置于恶劣的条件下,将会导致在印刷、贴片和回流过程中产生差
错。定义“敞开时间”的关键要素,是确保各独立的工厂在制造相同的
产品时有相同的质量等级。这并不意味着在每个地方的“敞开时间”都是
相同的,举例来说,在一个温暖或更加潮湿的环境中,一个特定品牌
和型号的焊膏可能只有一个很短的“敞开时间”。

除“敞开时间”外,还有其它的关键特性决定着焊膏在制造过程各个阶
段的表现。在印刷中的关键特性是坍塌。坍塌描述了一个焊膏的物理
特性,它决定了印刷在焊盘上的焊膏图形在印刷后“松垮”的轮廓曲线
(见图1)。一定程度的坍塌是不可避免的,但是过度的坍塌能导致焊
膏将相邻焊盘间的间隔桥连,尤其是在细间距的PCB上。

 

粘力是焊膏和贴片密切相关的一个特性。粘力是测试焊膏粘性的一个
指标,它对贴片过程和在回流前操作中确保已经贴放的器件保持在原
位不动是很重要的。如果焊膏的粘力不够,器件可能从PCB上掉落/方
向偏离,或在回流中产生立碑。每个这样的缺陷都会导致高花费的返
修。在焊膏印刷到板上后保持焊膏的粘力(粘力随着焊膏内溶剂的挥
发而下降)以提供合理的贴片和回流间的时间间隔是必需的。

其它一些组件的失效是由于不合规定的焊膏在回流期间或回流后没有
保持其自身特性。更糟的是,一些这类失效可能直到产品在现场时才
被发现,这时纠正的成本相比较在自动测试阶段的返修已经增加了上
千倍。这些缺陷是过多的焊料球和扩散,以及差的润湿。

焊料成球是由热量不足和氧化产生的一种现象,氧化是由于焊接中助
焊剂对被焊物表面清洁不够(也就是差的可焊性)而造成的,而对焊
膏加热不够则导致热量不足。当焊料开始熔化时,是以小球的形态围
绕在焊点周围的,但是有一些熔化的焊料球却未能和主体部分凝结在
一起。此后,这些焊料球可能会从焊点上脱落并导致电路的短路。

润湿决定了焊点的完整性。当熔化的焊料在受污染或氧化的铜表面上
时,它将不能适当地润湿并且形成一个弱的或“干”的焊点,这种焊点
有可能立刻发生失效,或在现场使用中幸存很多年直至发生灾难性的
失效。助焊剂的一个任务就是去除污染和氧化物以达成好的润湿。

当助焊剂有太强的活性时会发生过度的扩散,并且可能导致两个缺点:
焊料回流超过了焊盘边界,和板上过多的残留物。助焊剂活性是确保
焊料恰当润湿和远离过度PCB污染间的一个平衡。不足的活性限制了
清理和去氧化,残留物会引起自动测试设备(ATE)的测试针污染导
致假故障。此外,过多的残留物会在湿气和偏置电压下引起电气化学
的反应,导致现场的电路短路。


 

一种多合一测试设备

 

当前,IEC或IPC还没有一个关于“敞开时间”的标准,但IEC 61189-5 和
IPC-TM-65包括了全部的坍塌、粘力、焊料球和润湿(以及下文中关于
扩散测试的情况)测试(见测试定义)。由来自OEM/EMS公司和设备
制造商的独立技术专家组成的委员会开发出了这些测试方法。它们给
出了适用于确定焊膏测试的重复性和再现性(GaugeR&R)的一种定性
基准。

将这些测试整合在一起是一个好办法,它可在任一时刻、任一地点由
任一操作员测试和证明焊膏的适用性。当确定谁将为制造过错负责时
,这种方法消除了所有的争议。实际上,如果焊膏通过了测试,那么
由于焊膏在差的条件下而造成的制造过程错误将被基本排除。然而,
测试是详细和耗时的,而且需要懂技巧的人来进行。

Gen3 Systems推出了一台单一的集成设备,可以完成所有IEC和IPC定
义的测试,外加敞开时间测试。配备了SPA1000焊膏分析仪(图2),
设备允诺能改进质量,增加过程产出、缩短检查时间和减少返修。
SPA1000遵照IEC61189-5 和IPC-TM-650进行坍塌、焊料球(图3)、
粘力(图4)和润湿测试,并且增加了IPC-TM-650的扩散(图5)测试,
以及制造商自己的“敞开时间”测试。

 

 

 

 

 

“敞开时间”测试采用刚打开容器的焊膏印刷样品,定期(如每30分钟)
执行粘力测试。当粘力跌落到一个可接受界线之下时,焊膏则被认为
不适用了。首次测试和焊膏不再满足粘力测试要求之间的时间间隔就
是“敞开时间”。一旦“敞开时间”在生产中被超过,焊膏就需要被报废。

SPA1000运行于基于Windows Vista或XP系统的PC,使用10和30倍的放
大镜进行图像捕捉,结果通过一个图形用户界面(GUI)呈现 (图6)。
设备可由一个中级技术水平的操作员在15分钟左右完成操作,提供了
良好的GaugeR&R且校准简单。


结论

召回是一个昂贵的交易,当产品在消费者手上失效时仅是一个心痛的
开始,随后的关于谁该为问题负责的调查是费时、打击士气并使努力
偏离利润产生方向的。而且,当由一家外部公司装配了这一产品时
(在电子业这是常见的情况),困难将是双倍的。

当多数这类失效是焊接缺陷时,OEM有责任指定焊接工艺和材料,
EMS则有责任遵循这些规范并且在此后的审查中能证明这一点,以维
持一个和谐的关系。IEC和IPC标准提供了基于好的Gauge R&R的定量
测试,因此它们可以被作为基准使用于各个制造地点,无论是加利福
尼亚、匈牙利还是深圳。

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焊膏剖析

焊膏是焊料合金(球形或椭圆形粉粒)在助焊剂载体中的悬浮物。焊
料球粉的直径和助焊剂基于尺寸和类型进行分类。其它一些替代物被
加入,以防止粉粒和助焊剂的分离,并且在焊膏应用中起辅助作用。
通常,焊膏包含90%的焊料粉重量,5%树脂,4%溶剂和1%添加物。

最常用的传统锡铅焊膏是Sn62Pb36Ag2(原文如此),IPC建议的无铅替
代品是SAC305合金,由J-STD-006定义的Sn96.5 Ag3.0Cu0.5(SAC305)
构成。其它的锡铅或无铅合金也有使用。

除通常的对助焊剂的要求外,焊膏用助焊剂拥有额外影响焊膏流变性
(由此使焊膏更容易印刷或滴涂)的成分。这些添加物有助于防止助
焊剂的溶剂成分在焊膏存贮或使用过程中的挥发,以及焊膏的过度坍
塌。在印刷过程中,空气和焊膏发生混合,加速了焊料球粉表面的氧
化。过度的氧化会快速消耗焊膏中低含量的助焊剂,导致在其不能正
常地进行回流焊接。这是“敞开时间”(助焊剂暴露在大气中的时间)需
要被限制的主要原因,也是为什么焊膏在被加到印刷机模板上后不可
被再次保存并使用的原因。

在回流焊工艺中,加热过程必须被小心控制。预热时间是关键并且应
足够长以驱除湿气,这样焊膏才不会在回流过程的更高温度下发生“爆
炸”(焊膏溅在板上)。当然,时间也不能太长而使得待焊表面形成氧化
物。


测试定义

I E C 焊膏测试( 在I E C 6 1 1 8 9 中定义) 包括坍塌(5X08)、 焊料球
(5X09)、粘力(5X10) 和润湿 (5X11)。IPCTM-650规定了五个相当的测试:
坍塌(2.4.35)、焊料球(2.4.43) 、粘力(2.4.44)、润湿(2.4.45) 和扩散
(2.4.46)。

• 坍塌
I P C 的坍塌测试规定了在两块薄片上以不同尺寸和间隔定义的焊盘图
形印刷,然后一块在2 5±5 0C 和5 0%±1 0%相对湿度下存储1 0~2 0分
钟,另一块在150±100C下加热10~15分钟。加热后的样品被冷却到环
境温度,并且两块样品都要检查桥连情况。

• 焊料球
IPC焊料球测试规定用开有三个间隔至少为10mm的6.5mm或1.5mm直径
的洞的0.2mm或0.1mm厚度的模板,印刷两个测试样品。然后这些样品
使用焊槽或热板回流,并且在放大镜下检查。结果和图A中的目视样品
进行比较。

• 粘力
IPC的粘力测试是在逐渐增加的印刷到测试时间间隔基础上,测量从印
刷的焊膏样品中分离测试探针所需要的力。探针以2.5mm/分钟±0.5mm/
分钟的速率,300g±30g的力施加到焊膏上,并且在5秒内以相同速率收
回。数据基于焊膏的“年龄”以图形格式呈现。典型的测量值是达到80%
峰值的时间,峰值力(克)的预期变化,或随时间变化,峰值力是维持还
是粘力衰落到80%的峰值力。

• 润湿
IPC润湿测试使用了一铜质测试样板,先用铜清洗液清洗,然后用水清
洗,用异丙醇漂洗,干燥后放在沸腾去离子水中10分钟,再风干。然后
样板被印刷上焊膏,回流并且在放大镜下检查反润湿或无润湿情况。

• 扩散
扩散在IPC方法中是使用5个圆的焊料预制片和5块铜薄片来完成测试的。
预制片被放在薄铜片上,回流后的焊膏助焊剂被溶入2级丙醛试剂中,
然后0.05ml的这一溶液被滴在预制片的中间。放到热板或锡槽上15秒,
熔化焊料。助焊剂残留从测试样品上被清洗掉,然后和已知面积的圆比
较,估计焊料的扩散(mm2)

• 敞开时间
IPC或IEC并没有定义敞开时间。然而,一个典型的测试过程如下所述:

1. 印刷测试样品并记录时间;
2. 执行一个粘力测试;
3. 记录结果;
4. 每30分钟重复步骤1、2和3;
5. 当粘力跌落到可接受界线之下时(如峰值力的30%)记录下时间;
6. 敞开时间就是粘力测试的开始和最后(失败)时间之间的间隔。

举例来说,对一特定的焊膏,可接受的界线是10g;

下列结果是粘力测试所显示的:

1. 30g 第一次测试;
2. 32g 30分钟后;
3. 34g 1小时后;
4. 30g 1.5小时后;
5. 28g 2小时后;
6. 25g 2.5小时后;
7. 20g 3小时后;
8. 15g 3.5小时后;
9. 10g 4小时后。

因此,敞开时间就是4小时(注意,不同的条件将导致不同的焊膏特性
表现)。

 
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