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技術方案

無鉛回流焊接中的質量問題處理

作者: admin發表時間:2018-12-05浏覽量:2

在SMT應用中,産品的焊接質量可以用以下的定義來描述。“在設計意圖的使用環境、方式和壽命期中,能夠維持某個程度的機械和電氣性能。”
文本標簽:無鉛回流焊接中的質量問題處理
焊接質量問題的定義和分類:
在SMT應用中,産品的焊接質量可以用以下的定義來描述。
“在設計意圖的使用環境、方式和壽命期中,能夠維持某個程度的機械和電氣性能。”
在這定義中,“使用環境”指使用的場合,如室內或是室外、靜止的工作台或移動的交通工具上、以及環境的溫濕度等等;“方式”主要指的是通電工作模式。例如一天中會開關多次的(如手機、電腦、MP3、汽車電子等産品),或通電啓動後基本不關機的(如通信機站,家用電話,供電保護等産品);“壽命期”指得是産品的預期使用期。這些都會因爲行業情況和企業定位的不同而有所差異,也是設計部門必須給于定義的,所以以上的定義中說“設計意圖”。“維持某個程度”指的是可以接受的失誤或失效程度,例如說1%的産品失效,或某個性能量化上的20%下降之類的定義。
從以上的定義中,提出了一點我們在日常生産中經常沒有很好的照顧到的,就是産品的“壽命”問題。由于檢測技術手段,以及成本和知識等的限制,在目前的SMT用戶群中,能夠較足夠照顧到這方面的用戶爲數不多。所以我們不難在市場上看到'不耐用'的産品。
對于那些想搞好SMT的企業來說,質量的定義必須包括兩大類。就是'零時質量'和'可靠性'(或'壽命')。'零時'指的是使用時間爲零。也就是交貨時的質量表現。如果不考慮包裝、運輸、庫存等影響,就是制造商發貨時的質量,通過FT(功能測試)、校驗等工作把關的質量。而由于客戶接收到不良品後會投訴退貨,一般制造商對這方面的表現比較了解。但對于'可靠性'方面的表現就未必有足夠詳細的記錄和數據來量化了。
除了區分'零時'和'壽命'質量外,焊接質量還可以分成'焊點'和'非焊點'或'材料'質量。'焊點'質量顧名思義指的是回流焊焊點是否能在使用壽命期內以及使用環境條件下堅固的保持其機械和電性接合性能。在回流焊接中,整個産品,包括所有PCBA上的器件和基板等材料都會經過高溫,而不良或不配合的高溫控制可能會對這些材料進行破壞,這就需要工程師們去研究和處理'非焊點'質量了。典型的非焊點質量問題如器件封裝的爆裂或分層,材料熔化等等。
焊點質量的保證,需要滿足幾個外部和內部因素。外部條件有以下三點:
1.足夠和良好的潤濕;2.適當的焊點大小;3.良好的外形輪廓。
足夠和良好的潤濕,是讓我們知道'可焊性'狀況的重要指示。一個未潤濕的焊點很難有足夠的IMC形成,這也就間接告訴我們焊接質量是差的。這裏要提醒一點,有潤濕迹象雖然表示可焊性存在,但還不能完全表示IMC的合格。而IMC形成的程度或狀況,才是決定焊點可靠性的關鍵。這是外觀檢查能力的一個重要限制。
焊點的大小,直接決定焊點的機械強度,以及承受疲勞斷裂和蠕變的能力。在回流焊接技術中,一般焊點的材料多來自錫膏的印刷量。在和器件焊端材料匹配不理想的情況下,大焊點有時候也可以起著緩沖質量問題的作用。從以上的觀點上,我們希望焊點偏大爲佳。不過太大的焊點也可能帶來問題。例如影響潤濕的檢查性,以及容易造成吸錫、橋接等工藝問題,甚至還可能縮短電遷移故障壽命等。
焊點的外形輪廓也很重要。由于在使用中,焊點結構內部的各部分所承受的應力並不一樣,以上提到的'焊點大小'因素還必須和這'外形輪廓'因素一並考慮。例如一個'少錫'出現在翼型引腳'足尖'的問題,在可靠性考慮上就沒有出現在'足跟'部位來的嚴重。
焊點質量的內部結構因素也有以下三個主要方面應該得到保證。
1.適當的金屬間合金層;
2.充實的焊點內部結構;
3.焊點內部的微晶結構。

金屬間合金IMC的形成狀況,是決定焊點機械強度的關鍵。不同的金屬會形成不同成分組合的IMC,而其強度也有所不同。所以在選擇器件、PCB焊盤鍍層金屬和錫膏金屬的匹配上是個確保質量的重要工作。在選對適當的材料後,接下來的問題就是通過焊接工藝的控制,使IMC形成良好的厚度了。IMC未形成時我們稱該焊點爲'虛焊',其結構是不堅固的。但由于IMC本身是個脆弱的金屬,所以一旦形成太厚時,焊點也容易在IMC結構中斷裂。所以控制IMC厚度便成了焊接工藝中的一個重點。
焊點的內部必須是'實'的。由于在回流焊接工藝中,錫膏和PCB材料等會有發出氣體的現象,在焊點外觀看來適當合格的情況下,其內部有可能因爲這些氣體的散發而充氣,出現一些大大小小的氣孔。使該焊點的性能實際上類似'焊點小'的情況,可靠性受到威脅。
焊點的微晶結構,受到加熱溫度、時間以及熱冷速率的影響。不同粗細的結構也出現不同的抗疲勞能力。這問題在傳統錫鉛中的影響不是很大。不過在進入無鉛技術後,有報告指出對某些合金材料是敏感的。用戶在選擇無鉛材料時最好按本身情況給于必要的評估考慮。
'非焊點'質量方面。我們所關心的材料(器件和PCB)的耐熱性。作爲用戶,一般我們是在DFM(可制造性設計)流程中,在選擇時向供應商索取這方面的技術資料。而目前供應商較流行的做法,是提供給用戶一個類似'回流曲線'的標准,上面標示了溫度和時間極限,供用戶跟從使用。其實這種做法有待改進。因爲器件並非單一材料,而是由不同材料、有結構性設計和工藝加工過的'産品'。目前這種耐熱性指標描述法,並不能很精確的控制和保證質量。我在將來的文章中再提供更多更詳細的解釋。讀者們現在該知道的,是我們必須有個耐熱指標來跟從和控制我們的焊接工藝。
焊點質量的判斷:
目前業界多數用來對焊接結果進行把關的手段,是采用MVI(目視)或AOI(自動光學檢測),配合以ICT(在線電性測試)和FT(功能測試)。前者屬于'外觀'檢驗,雖然可以檢出部分工藝問題,但還不能覆蓋所有的外觀故障模式。能力較強的是使用顯微鏡人工目檢的做法。不過由于速度和成本關系並沒有被采用。AOI速度效率雖然較好,但檢出率還不太理想。後面的兩種檢測屬于電性檢測而非工藝檢測。也就是是說,工藝問題必須要嚴重到在檢測時已經造成電性問題或差異,這工藝問題才能被這兩種方法檢出。比如說,焊點太小的工藝問題,大部分時候並未能造成電性問題或差異。像這類工藝問題就無法被識別或檢出。
不論是前者的外觀檢測或是後者的電性檢測,他們對焊點的壽命都還無法具有較高的檢出率。先前我們談到質量的外部和內部結構因素。在內部結構因素上,這些常用的做法都缺乏檢驗能力。所以嚴格來說,目前我們的檢查技術,是無法提供足夠的質量保證的。我將在將來的文章中和大家更深入的談論質量保證方面的課題。
回流焊溫度曲線大觀:
在我們討論一些回流焊接工藝故障之前,我們先來回顧一下回流焊接工藝的回流焊接曲線。以便我們稍後和故障模式對應。讀者如果要知道有關回流工藝更詳細的,可以參考2004年的“回流焊接技術的工藝要點和技術整合考慮”一文。
一個典型的回流焊接工藝的時間/溫度曲線類似以下圖一所示。
從圖中我們可以看到,整個回流焊接過程可以分5個工序。即是:
1.升溫
2.恒溫(也稱預熱或揮發)
3.助焊
4.焊接
5.冷卻
第一工序的升溫目的,是在不損害産品的情況下,盡快使PCBA上的各點的溫度進入工作狀態。所謂工作狀態,即開始對無助于焊接的錫膏成份進行揮發處理。
第二個工序如其三個名稱(恒溫、揮發、預熱)所表示的,具有三方面的作用。一是恒溫,就是提供足夠的時間讓冷點的溫度'追'上熱點。當焊點的溫度越接近熱風溫度時,其升溫速率就越慢,我們就利用這種現象來使冷點的溫度逐漸接近熱點溫度。使熱冷點溫度接近的目的,是爲了減少進入助焊和焊接區時峰值溫差的幅度,便于控制個焊點的質量和確保一致性。恒溫區的第二個作用是對錫膏中已經沒有用的化學成份進行揮發處理。第三個作用則是避免在進入下個回流工序,面對高溫時受到太大的熱沖擊。
助焊工序是錫膏中的活性材料(助焊劑)發揮作用的時候。此刻的溫度和時間提供助焊劑清洗氧化物所需的活化條件。
當溫度進入焊接區後,所提供的熱量足以熔化錫膏的金屬顆粒。一般上器件焊端和PCB焊盤所使用的材料,其熔點都高于錫膏,所以本區的開始溫度由錫膏特性決定。例如以63Sn37錫膏來說,此溫度爲183oC。升溫超過此溫度後,溫度必須繼續上升,並保持足夠的時間使熔化的錫膏有足夠的潤濕性,以及能夠和各器件焊端以及PCB焊盤間形成適當的IMC爲准。
最後的冷卻區作用,除了使PCBA回到室溫便于後工序的操作外,冷卻速度也可以控制焊點內部的微結晶結構。這影響焊點的壽命。
回流焊接工藝故障和曲線的關系:
以上提到的5個回流焊接工序中,每一部分都有它的作用,而相關的故障模式也不同。處理這些工藝問題的關鍵在于對它們的理解以及如何判斷故障模式和工序的關系。
比如第一個升溫工序,如果設置不當造成的故障將可能是'氣爆'、'濺錫引起的焊球'、'材料受熱沖擊損壞'等問題。第二段的'恒溫'工序可能造成的問題卻不盡相同。這一工序的故障模式可能是'熱坍塌'、'連錫橋接'、'高殘留物'、'焊球'、'潤濕不良'、'氣孔'、'立碑'等等。在焊接過程中,爐子的特定溫區負責處理曲線中的某一時間段或工序,但我們一般無法看到焊接的真正過程(目前的爐子並沒有提供這些措施或方便,即使有些爐子安裝玻璃窗口的也因爲焊點小,窗口距離遠而無法清楚觀察)。而只能見到焊後的結果。如果要解決問題,我們就必須要具備能夠從故障模式推斷出相關工藝工序的能力。要做到這一點,除了需要有很好的現象觀察和捕抓能力外,首先必須對各種故障現象的原理有很具體的認識(注一)。
回流焊接的故障模式:
在典型的回流焊接PCBA組裝工藝中,回流焊接工序後經常是用戶用做檢查和質控點的地方。這裏所觀察到的問題,雖然不都是因爲回流焊接工藝所引起的,但也有不少故障模式是和回流工藝的設置或控制不當有關。要有效和徹底的解決問題,我們必須對這些故障模式,包括回流和非回流工藝的,包括線上和線外的(注二),都給于研究和控制。 這才能發揮技術整合的作用。
如果我們把焦點只放在'回流焊接工藝'上,所常見到的故障模式有下列幾種。
1.      润湿不良或不足;
2.      虚焊 / 弱焊(包括因爲熱能不足造成的,見注三);
3.      回流不足(焊料未全熔化);
4.      移位 / 飛料(包括'立碑');
5.      收锡 / 縮錫;
6.      锡流失(造成少锡或开焊);
7.      桥接 / 短路 / 連錫;
8.      锡球 / 錫珠;
9.      '爆米花'效應;
10.  器件的热损坏;
11.  焊点内出现气孔或真空孔;
12.  焊点粗糙;
13.  焊点表面出现裂痕或断裂;
14.  二次溶化(出现在混装工艺或双回流工艺上)。
以上除了第2項的'虛焊 / 弱焊',部分第10項的'熱損壞',以及第11項的'氣孔'故障模式外,都是屬于和'零時故障'和'外觀'有關的。而在'可靠性'或'壽命'故障相關的故障模式中,我們還有另外的描述做法。這是將上述2,10和11項的3種故障模式通過使用中的破壞(或測試)模式來定義。常用的模式有以下幾種:
1.疲勞斷裂;
2.蠕變斷裂;
3.抗拉(注四);
4.抗切(注四);
5.抗震;
6.抗撞擊。
'零時故障'的14項故障模式,和'可靠性'的6個故障模式有一定的關系存在。在適當的DFR(可靠性設計)和DFM(可制造性設計)下,如果能夠保證'零時故障'的14個故障模式受控,我們可以在很大的程度上保證産品的'可靠性'。也就是這個關系,使我們得以通過較可行的生産質量管理和檢驗來做到對可靠性的保證。
故障模式分析和解決案例:
在SMT技術中,所有故障模式都非單一因素所造成。把各個故障模式的因素找出來並進行研究,通過了解來控制各個要素是用戶基礎工藝工程師的主要工作。下面我們來看看一個故障原理的例子。希望通過這案例能使讀者更好的認識技術整合應用的理念。
我們以第一種的潤濕不良或不足的問題爲例,這故障的成因牽涉到物料種類或特性、包裝、庫存、後勤搬運、工藝等多方面的因素。在供應鏈或産業化的角度來看,則牽涉到設計部、供應商、倉庫後勤部、以及生産工藝等部門的工作。在技術整合管理的要求上,這些部門都必須對各自的責任進行配合定義,並確保各自做好本分工作。這樣才能預防問題的發生。而所謂各自之間的配合,是指通過技術原理和成本利潤考慮來給工作指標定義。所以在技術整合管理前,我們必須對整個組裝技術進行足夠的了解,才能使我們做出正確適當的決策。
要確保潤濕,首要的條件就是焊接金屬的特性。'潤濕'是一種相對特性,所以材料間的匹配是個關鍵。在一個使用回流焊接的典型焊點上,包括了三種材料。也就是器件的焊端、錫膏和PCB焊盤的表面鍍層。從用戶的角度來說,很不幸的,供應商們發明了不只一種,而是爲數不少的配搭組合。在含鉛技術中,雖然錫膏合金的種類不算多,但在PCB焊盤鍍層上,尤其是器件焊端鍍層上,卻也出現了不少的選擇。這些材料的相對潤濕性並不一致。而更糟的是,但這些材料配合其他考慮因素時,例如同一PCBA上擁有衆多的器件種類,各器件焊端的鍍層厚度,焊端內層材料,焊端的電鍍工藝,庫存時間和條件等等後,更形成了一個可說是多變複雜的特性差異狀況。材料的選用是用戶設計部的工作,所以確保所選用材料適合本身或外加工廠的制造能力(注五)是個首要的工作。這就是技術整合管理中的DFM元素。這部分的工作做到位時,用戶可以保證所要的物料具備適合程度的潤濕性。
用戶設計部門通過整合分析指定材料的種類和鍍層厚度後,保證潤濕性的工作只是個開始,我們只知道技術的可行,而離開質量保證尚有一段距離。用戶的下個關注項目是采購或供應商評估和質量監控。所選用的供應商,必須具備足夠的制造技術和質量管理能力,以確保提供的材料都能符合設計部門的要求。包括金屬或合金的純度、鍍層厚度、內層金屬間的清潔度、電鍍密度等等。做到這一步,用戶就可以有效的確保來料是有潤濕性保證的。
對于大多數用戶來說,目前能采用JIT管理和運作模式的並不多,即使有推行的也只是局部關鍵物料的推行。所以器件物料的庫存還是日常的運作和管理工作。一些行業的市場特性,以及一些管理水平較高的企業,一般的庫存時間並不算長,也因此不成爲質量問題的主因。但也有另外的一部分用戶,由于行業市場特性,比如超小批量的生産,或成本壓力等等,或是管理水平偏低等因素,造成庫存時間偏長的現象。對于這些用戶,庫存管理就可能成爲潤濕性故障模式的一個重要控制環節了。做到這一步,用戶能夠確保物料在生産時具備良好潤濕性的條件。
另外一個必要的工作,就是建立起工藝能力了。也就是選擇工藝和制定工藝特性參數。我們這裏舉的是回流焊接的例子,所以工藝選擇也就是回流焊接。至于工藝特性參數,對'潤濕不良或不足'這一故障模式而言,在于回流工序中的第二至四工序。也就是'揮發'、'助焊'和'回流'三個工序。其中尤其以後兩道工序爲主要控制點。'揮發'工序如果做得不好,殘留的揮發物將影響助焊的效果,也就影響潤濕的能力。'助焊'的時間如果控制不當,太短時助焊效率還沒有被發揮出來,太長時出現重新氧化,也都影響或降低潤濕性。所以這工序也必須有良好的溫度和時間控制。'回流'的溫度會決定潤濕程度。溫度越高時,熔化金屬的表面張力越低,有利于潤濕。所以提高溫度是個加強潤濕的方法。不過這當然有其限制,比如說我們必須同時照顧到高溫可能造成的熱損壞、變形等等問題。應該意識到的是,我們在實際工作中所面對的並不是一個溫度均勻的單一焊點。而是千百個潤濕性不一、溫度不一,甚至連單一焊點本身溫度都不均勻的焊點。而我們必須設置一個共同的溫度和時間(爐子的鏈速)來處理它們不同的特性要求。這就要求工藝工程師必須要靈活的使用各種調制手段來制定最佳的設置了。
讓我們來看看一個實際案例。如下圖二所示,是個焊端潤濕不良的現象。熔化的錫並沒有足夠的爬升到器件的焊端上部(可以見到出現鍍金的顔色),焊點在焊盤上形成圓頂拱起的形狀。讀者也可以看到最左邊的焊點具有較完整的潤濕。

潤濕不良
這現象的形成,是由于器件吸熱大,焊端上的溫度比起PCB焊盤上的溫度來得低所造成。如果單只通過熱耦測溫,從溫度曲線上是看不出的。因爲熱耦體形和連接方法的關系,無法細看到焊點上的溫度分布,所以從顯示'平均'值的溫度曲線上我們無法看出這問題。不過通過觀察焊點我們可以推斷出這現象的成因。
當時這故障的記錄程度是介于47%到65%的不良率水平範圍內。圖三顯示了當時的溫度設置數據。

了解到問題的原理後,我對該産品的溫度曲線進行重新調整。在照顧到其他焊點仍然在工藝規範內的情況下,我盡量使該器件的焊端溫度上升。而最終決定了采用以下圖四的設置數據。
工藝調整後爐溫設置
改善後生産的723塊PCBA的不良率降到0,屬于完全解決。圖五爲改善後熔錫爬升的狀況。
改善後潤濕情況
另外一個案例如圖六所示,也是潤濕不良的狀況。從圖六中我們可以看到焊點的錫堆積在焊盤上而沒有很好的爬升,只在器件的焊端下方有潤濕的迹象。不過這並非工藝調制所能補償的問題。其實際問題是屬于物料不良引起,而問題的嚴重性超出了工藝補償的能力範圍。從圖七中我們可以看到問題的所在。供應商在焊端上的切割打磨過度,甚至嚴重到保護鍍層已經被除去而露出基材的顔色。基材的過度氧化使錫膏中的助焊劑無法清除而造成潤濕不良。這點當時在個別器件的可焊性測試中就很明顯的看出。
潤濕不良
器件焊端不良
以上的第二個案例,基本原因就是該用戶在技術整合中忽略了供應商方面的評估管理,或是在這方面做不到位。而不像第一個案例中是用戶內部工藝可控的因素。就如本節開始時所說的,SMT故障一般不是單一原因造成。這兩個'潤濕不良'按例雖然具有相同的故障現象,成因和應該采取的解決方法卻不一樣。SMT的複雜組合,幾乎使得每次的故障處理都是個全新的分析和調整過程。以上的案例也只是當時情況的一個反映,讀者不應該死記硬背的去使用這經驗。因爲你的'故障模式'或現象雖然類似,但個別情況可能不同。比如在第二案例中,供應商可能告訴你他供應的另外一個客戶沒有這類問題,而由此推理說不是器件物料的問題(注六)。事實上供應商的另外客戶沒有見到這問題,有可能是因爲使用的錫膏不同,具備較強的助焊劑,或使用水洗技術;甚至也有可能是因爲産品工藝難度不同(設計相關),以及設備能力不同的因素造成他們的確很少有這問題。這就是SMT這門綜合技術的特質,就是我大力推廣技術整合應用和管理的原因。我們對質量等所有整合因素之間的定義必須清楚,才能有效的解決和避免各種問題。
要很好的解決回流問題,需要我們對整個SMT工藝原理以及其他相關元素方面的清楚認識並進行適當程度的控制。這些元素包括了在本系列文章中首篇“技術整合概念”中所提到的設計、材料、設備、工藝和質量管理5個方面。記得質量是個結果,要結果合格,只有通過輸入以及過程的控制才能做到。這也是零缺陷的基本概念。而這輸入和過程的可控性,還必須通過其他一系列的設計、采購、供應商管理、基礎工藝研發等等功能和活動來給于保證。這就是技術整合工作。
注一:SMT工藝工程師和質量工程師們,應該培養起一種對故障現象很敏銳的觀察能力。從故障焊點以及其周邊,甚至PCBA以外的生産環境收集和得出一般人所不能得到的信息。這是一種技能。而這種技能必須建立在專業技術基礎上,也就是SMT焊接和組裝原理上,才能夠發揮最高的效益。
注二:'線上'是指在生産線上,由于工藝、設備工具或操作所造成的問題。'線外'是指生産線以外的其他因素,例如設計(DFM)、物料供應商、庫存、物流、後勤等所造成的問題。

注三:焊接熱能不足的情況下,可能形成表面上看似完好的焊點。但由于IMC沒有很好形成,這類焊點的壽命可能不足,所以歸爲'虛焊'或'弱焊'類。有些用戶將這類故障稱爲'冷焊'。由于造成虛焊或弱焊的原因不只是'冷',所以這裏我不把'冷焊'的名稱加入並列。而冷焊的結果就是'虛焊'或'弱焊',也因此不將'冷焊'另外列出。
注四:可靠性測試中有常用的'彎曲'測試,是屬于'抗拉'和'抗切'的綜合效應測試。
注五:這裏的'制造能力'是廣義的。包括了工藝、采購、庫存等方面的能力。
注六:SMT技術的因果關系複雜,經常不是直覺上能夠做出准確判斷的。尤其是在設計最佳方案時。國內慣用的'以前沒有問題','其他用戶沒有問題'的觀念和心態必須改正過來。才能造就一流的工程師和技術管理人才。
2018-10-24 166人浏覽
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