賈 燕 陳文錄 李小明
(江南計(jì)算技術(shù)研究所印制板質(zhì)量檢測(cè)中心,江蘇 無錫 214083)
電子產(chǎn)品的電氣連接主要是利用高溫熔融焊料將印制板(PCB)焊盤(孔)與元器件之間形成焊點(diǎn)(如圖1所示),焊接后焊盤(孔)焊接質(zhì)量是否良好,對(duì)電子產(chǎn)品的正常運(yùn)行至關(guān)重要。
無鉛化工藝的實(shí)施,焊接溫度普遍提高了30℃左右,這對(duì)于其耐熱性能提出了更高要求。在焊接過程中,PCB表面的起泡、內(nèi)層的爆板更易發(fā)生。另外,在長期使用中,高密度的器件組裝帶來了更高的熱流量,使板溫升高,表面焊接的器件引腳與焊盤之間受到更高的機(jī)械應(yīng)力威脅,焊盤與基材的粘合力長期經(jīng)受溫度變化沖擊,更易導(dǎo)致疲勞失效。
焊接試驗(yàn)方法作為PCB生產(chǎn)制程中的一種快速、低成本考察產(chǎn)品質(zhì)量問題的有效手段,有必要對(duì)其主要的幾種試驗(yàn)方法作一介紹和比較,并為PCB檢驗(yàn)人員的試驗(yàn)評(píng)估提供案例分析指導(dǎo)。
在國內(nèi)外PCB行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,焊接試驗(yàn)方法一般包括熱應(yīng)力試驗(yàn)、模擬返工和粘合強(qiáng)度測(cè)試三大類。熱應(yīng)力和模擬返工試驗(yàn)完成后,質(zhì)量評(píng)價(jià)一般是通過顯微切片方法進(jìn)行,而粘合強(qiáng)度是通過單位面積力值的大小對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過表1所列的不同標(biāo)準(zhǔn)比較,我們可以看出其焊接試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)是有差異的。
熱應(yīng)力試驗(yàn)主要是考察PCB在后續(xù)組裝過程中的耐熱沖擊性能,通過試驗(yàn)可考核PCB金屬化孔的可靠性和層壓質(zhì)量,是PCB出廠檢驗(yàn)和質(zhì)量鑒定中關(guān)鍵的可靠性指標(biāo)之一。
熱應(yīng)力試驗(yàn)方法本身有很多種,包括熱油、浸流沙、浮焊、浸焊、模擬汽相再流焊等方法,其主要區(qū)別是進(jìn)行熱應(yīng)力試驗(yàn)的介質(zhì)不同。
PCB熱應(yīng)力試驗(yàn)最常用的方法是浮焊法,一般進(jìn)行單個(gè)循環(huán)。但無鉛化工藝使得焊接溫度提高了30 ℃左右。因此,很多企業(yè)尤其是日本企業(yè)會(huì)將熱應(yīng)力的循環(huán)數(shù)增加至4~5次,更甚者進(jìn)行50個(gè)循環(huán)的。
PCB孔的厚徑比增大對(duì)印制電路板層壓、鉆孔、電鍍等工藝和PCB的互連可靠性有很大的挑戰(zhàn),因此對(duì)成品板進(jìn)行熱應(yīng)力試驗(yàn)時(shí),應(yīng)對(duì)板上最小孔徑進(jìn)行試驗(yàn),且應(yīng)與交收態(tài)的樣品相結(jié)合,保證X、Y方向上都能進(jìn)行剖切檢查,例如圖2中的測(cè)試樣品。
模擬返工主要是考察PCB組裝完成后能否經(jīng)受實(shí)際焊接返修的能力,通過試驗(yàn)考核印制板金屬化孔的可靠性和層壓質(zhì)量,是印制板周期一致性檢驗(yàn)和質(zhì)量鑒定中關(guān)鍵的可靠性指標(biāo)之一。
按國內(nèi)軍用標(biāo)準(zhǔn)、航天標(biāo)準(zhǔn)和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗(yàn)前需要將樣品在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下放置24 h,而按美國IPC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要在121 ℃ ~ 149 ℃下烘烤至少6 h,然后用規(guī)定溫度的烙鐵采用手工焊接方法對(duì)樣品完成規(guī)定的循環(huán)數(shù),焊接過程中烙鐵頭應(yīng)放在導(dǎo)線上而不能接觸焊盤,試驗(yàn)后通過顯微切片對(duì)樣品的鍍覆孔和層壓質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
模擬返工測(cè)試樣品不論成品板還是測(cè)試板,一般都采用如圖2(b)所示的插件孔進(jìn)行測(cè)試。
粘合強(qiáng)度測(cè)試包括表貼盤、非支撐孔和無焊盤孔壁粘合力的測(cè)試,主要是考察PCB在焊接過程中焊盤或孔壁能否在經(jīng)受高溫后還能與基材保持良好的粘合力,是印制板周期一致性檢驗(yàn)和質(zhì)量鑒定中關(guān)鍵的測(cè)試項(xiàng)目之一。
按照模擬返工的試驗(yàn)方法對(duì)樣品完成規(guī)定的循環(huán)數(shù),然后對(duì)樣品進(jìn)行拉脫測(cè)試,最后計(jì)算單位面積上的粘合力對(duì)樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)。
在對(duì)成品板進(jìn)行表貼盤粘合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試時(shí),如果焊盤連接有導(dǎo)線,測(cè)試前需要將導(dǎo)線從焊盤根部割開。進(jìn)行非支撐孔的粘合強(qiáng)度測(cè)試時(shí),測(cè)試前需將孔壁去除干凈,且不能傷害需測(cè)試的焊盤。粘合強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖形樣品如圖3所示。
委托方要求對(duì)圖4所示的PCB進(jìn)行熱應(yīng)力試驗(yàn),試驗(yàn)方法和依據(jù)選用GJB 362B-2009,故采用錫爐浮焊的試驗(yàn)方法。
按照GJB 362B-2009《剛性印制板總規(guī)范》4.8.5.8測(cè)試要求,進(jìn)行樣品的取樣、預(yù)處理、浮焊試驗(yàn),試驗(yàn)場(chǎng)景見圖5。
樣品金相灌封研磨后,在金相顯微鏡下觀測(cè)鍍覆孔和內(nèi)層的質(zhì)量,圖6是試驗(yàn)后樣品呈現(xiàn)的分層、內(nèi)層導(dǎo)體斷裂和層壓空洞典型缺陷。
基材本身存在缺陷或制程工藝有缺陷,熱應(yīng)力試驗(yàn)后,都可能造成PCB出現(xiàn)起泡、孔壁分離、內(nèi)層導(dǎo)體斷裂和層壓空洞等缺陷;其原因有:基材吸潮、樹脂固化不良,制作過程中單片黑化或?qū)訅哼^程控制不當(dāng)、電鍍不良等。
委托方要求對(duì)圖7所示的成品板進(jìn)行模擬返工試驗(yàn),試驗(yàn)方法選用IPC-TM-650中的2.4.36C,測(cè)試依據(jù)選用IPC-6012C。
按照IPC-TM-650中的2.4.3.6C測(cè)試要求,進(jìn)行樣品的取樣、預(yù)處理、焊接試驗(yàn)。
為使樣品易于焊接和除焊,應(yīng)先在樣品的兩面涂覆助焊劑。導(dǎo)線插入鍍覆孔后,用手工焊接到連接盤上(如圖8所示),焊接過程包括五個(gè)步驟:焊線、除焊、焊線、除焊、焊線,焊線和除焊時(shí)間應(yīng)在2 s ~ 5 s內(nèi)完成,每次重焊時(shí),應(yīng)使用新導(dǎo)線。插入引線的直徑應(yīng)比孔徑小0.25 mm ~ 0.71 mm,引線不應(yīng)彎曲。焊接烙鐵頭溫度控制在232 ℃ ~ 260 ℃,在除焊和焊接過程中,烙鐵應(yīng)加在導(dǎo)線上,而不應(yīng)加在焊盤上。
樣品經(jīng)過灌封磨拋后,在金相顯微鏡下觀測(cè)鍍覆孔和層壓的質(zhì)量,圖9是試驗(yàn)后樣品呈現(xiàn)的分層、導(dǎo)體分離和連接盤起翹的典型缺陷。
模擬返工試驗(yàn)與熱應(yīng)力試驗(yàn)相類似,區(qū)別是模擬返工模擬焊接過程中印制電路板個(gè)別鍍覆孔在返工過程中的反復(fù)焊接,而熱應(yīng)力是對(duì)整個(gè)板的熱沖擊過程。在模擬返工過程中出現(xiàn)的缺陷和原因與熱應(yīng)力也相似,如圖9中產(chǎn)生孔壁分離的原因可能有:鉆污未除盡、電鍍銅本身附著力差等。
另外,在試驗(yàn)過程中特別應(yīng)注意防止焊接時(shí)間過長或焊接溫度過高,否則其也可能造成起泡、連接盤起翹等現(xiàn)象,導(dǎo)致誤判。
委托方要求對(duì)圖10所示的成品板進(jìn)行非支撐孔和表貼盤的粘合強(qiáng)度測(cè)試,試驗(yàn)方法和依據(jù)選用GJB 362B-2009。
按照GJB 362B-2009《剛性印制板總規(guī)范》4.8.5.4測(cè)試要求,進(jìn)行樣品的取樣、預(yù)處理、粘合強(qiáng)度測(cè)試。
5.2.1 非支撐孔
將導(dǎo)線插入鍍覆孔中,用手工焊接到連接盤上,插入引線的直徑應(yīng)比孔徑小0.30 mm,引線不應(yīng)彎曲。在手工焊接時(shí),除焊和焊接5個(gè)循環(huán),在重焊時(shí),應(yīng)使用新導(dǎo)線。焊接烙鐵通常最大60 W,烙鐵頭溫度232 ℃ ~ 260 ℃。在除焊和焊接時(shí),烙鐵應(yīng)加在導(dǎo)線上,而不是在焊盤上。第5個(gè)循環(huán)后,應(yīng)把樣品夾在試驗(yàn)機(jī)上,以50 mm/min的速度拉引線,記錄發(fā)生失效的數(shù)值(測(cè)試結(jié)果見表2),測(cè)試后非支撐孔焊盤外貌見圖13(a)。
5.2.2 表貼盤
將烙鐵頭溫度調(diào)節(jié)到232 ℃ ~ 260 ℃,將引線頭放在表面安裝盤的中間進(jìn)行焊接,并保證引線與連接盤表面垂直(焊接要求與模擬返工相同),引線尺寸應(yīng)比焊盤尺寸小50μm ~ 150μm。焊接過程中,烙鐵應(yīng)始終加在引線上。焊接完成后,將樣品加在試驗(yàn)機(jī)上,以50 mm/min的速度拉引線,記錄發(fā)生失效的數(shù)值(測(cè)試結(jié)果見表2),測(cè)試后表貼盤外貌見圖13(b)。
焊盤粘合強(qiáng)度最終的評(píng)價(jià)結(jié)果是用發(fā)生失效的數(shù)值除以焊盤的面積計(jì)算而來。通過顯微鏡觀察失效模式,失效模式可分以下幾種:
(a)表面焊盤未脫離基板;
(b)表面焊盤脫離基板;
(c)焊盤未脫離基板,但引線斷裂;
(d)引線脫離焊盤,焊點(diǎn)失效;
(e)焊點(diǎn)脫離焊盤(可焊性不良)。
試驗(yàn)過程中焊盤經(jīng)受多次溫度沖擊,如果基材表面粗糙度不良,或者層壓工藝控制不當(dāng),都容易造成粘合力差。
PCB焊接試驗(yàn)結(jié)果直接反映出材料本身性能缺陷及PCB在層壓、鉆孔和電鍍等制程中的生產(chǎn)加工質(zhì)量問題,它能夠?qū)倪x型、制程、工藝適宜性以及產(chǎn)品質(zhì)量控制的前期確認(rèn)提供快速、低成本的基本評(píng)價(jià),幫助工程設(shè)計(jì)人員以及工藝技術(shù)人員找到設(shè)計(jì)或者生產(chǎn)中存在的與之相關(guān)問題的根源。深入理解和掌握標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)依據(jù),對(duì)PCB和電子組裝件的失效分析也有很大幫助。
表2 焊盤的粘合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
[1] GJB 362B-2009 剛性印制板通用規(guī)范
[2] IPC-TM-650 印制電路板試驗(yàn)方法
[3] IPC-6012 剛性印制板鑒定和性能規(guī)范
[4] IPC-2011 印制板設(shè)計(jì)通用規(guī)范
[5] 林金堵, 龔永林. 現(xiàn)代印制電路基礎(chǔ)[M].