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細節距器件焊接缺陷分析及質(zhì)量控制

作者:博維科技 時(shí)間:2023-08-22 10:52
摘要:
    本文對某細節距PQFP器件焊接缺陷的末端要因,采用關(guān)聯(lián)圖進(jìn)行分析并驗證。為確保器件引線(xiàn)共面度控制在0.10 mm 以?xún)?,利用光學(xué)反射原理 , 設計了一款易于便捷校正引線(xiàn)共面度的目檢輔助工具。通過(guò)二次開(kāi)發(fā)SPI錫膏測厚儀,不增加新設備,實(shí)現器件引線(xiàn)共面度的檢測。工藝改進(jìn)后,通過(guò)焊接試驗件驗證了質(zhì)量控制的有效性。
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關(guān)鍵詞: 細節距;PQFP 器件;虛焊;共面度01引言

 引線(xiàn)節距0.30~0.65 mm 的細節距PQFP器件具有輕、薄、小,焊接應力較易釋放,可靠性高,適合高頻應用,適合用SMT(Surface Mount Technology)表面貼裝技術(shù)批量生產(chǎn)的特點(diǎn) [1,2]。     但是細節距PQFP器件其引線(xiàn)細、節距小,容易變形和斷裂,在裝配過(guò)程中,對印制板、元器件的來(lái)料質(zhì)量、生產(chǎn)制程提出了更高的要求。某印制板組件中的細節距PQFP器件經(jīng)過(guò)回流焊接后易出現引線(xiàn)虛焊的焊接缺陷,查閱的文獻通常是從焊膏量控制、優(yōu)化回流參數進(jìn)行工藝改進(jìn)。但在此案例中,焊盤(pán)設計不合理以及引線(xiàn)共面度才是導致焊接缺陷的要因。雖然標準規定引線(xiàn)共面度需要控制在 0.10 mm 以?xún)?,業(yè)內通常采用專(zhuān)用共面度測試儀進(jìn)行檢測,但國內大部分產(chǎn)線(xiàn)并無(wú)引線(xiàn)共面度測試儀。        在此情況下,檢測和校正引線(xiàn)共面度就需要開(kāi)發(fā)工裝或二次開(kāi)發(fā)產(chǎn)線(xiàn)現有設備以實(shí)現質(zhì)量控制的目標。本文對細節距PQFP器件焊接缺陷進(jìn)行分析,并通過(guò)優(yōu)化焊盤(pán)設計尺寸,設計一款便于引線(xiàn)校正的目檢輔助工具,通過(guò)二次開(kāi)發(fā)產(chǎn)線(xiàn)現有設備以實(shí)現共面度的檢測和校正,以此改進(jìn)器件的焊接工藝,進(jìn)行質(zhì)量控制。 
02細節距PQFP虛焊與原因分析       
某型號PQFP器件,共有176只引線(xiàn),引線(xiàn)節距0.50 mm,如圖 1 所示,屬于典型的細節距PQFP器件。某印制板組件一批次30件焊接完成后,采用AOI(Automatic Optical Inspection自動(dòng)光學(xué)檢測)設備進(jìn)行檢測,共報焊接不良4 件,不良產(chǎn)品均為焊端虛焊,如圖2所示。試制階段良品率僅有86.7 %。 
2.1 虛焊原因分析  
針對該印制板組件細節距PQFP器件引線(xiàn)焊端虛焊的現象,從引起虛焊的主要因素進(jìn)行分析,歸納匯總后,采用關(guān)聯(lián)圖總結出各影響因素的末端因素,如圖 3 所示。再測試驗證各末端因素是否為引起虛焊的主要原因。 
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圖1 某細節距 PQFP 器件的外形圖
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圖2 焊端虛焊的 AOI 測試圖
 
圖3 虛焊原因分析關(guān)聯(lián)圖電子技術(shù)
2.2 印制板翹曲  
  如果印制板存在翹曲,將導致器件引線(xiàn)接觸不到焊盤(pán)引起虛焊,按《IPC 600印制板的可接受性》 中3級標準要求印制板翹曲度不大于0.75 %[3]。通過(guò)隨機抽取該印制板組件的基板進(jìn)行厚度測試,測試云圖如圖4,經(jīng)過(guò)計算,翹曲度為0.098 %,滿(mǎn)足標準要求。 
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圖4 印制板厚度測量圖 
2.3 焊盤(pán)不平整 從焊接冶金學(xué)角度,HASL(熱風(fēng)整平)與 ENIG(化學(xué)鎳金)
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圖5 焊盤(pán)高度與錫量測量圖 
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圖6 焊盤(pán)高度數據圖 
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圖7 焊盤(pán)吹錫量數據圖    
表面處理均能與焊料可靠連接,但是 HASL 由于其吹錫的工藝特點(diǎn),容易出現焊盤(pán)表面凸凹不平,造成焊盤(pán)不平整,共面度差,焊盤(pán)自帶焊錫量多等問(wèn)題。而此組件焊盤(pán)均是HASL工藝,需對裝配該 PQFP器件的焊盤(pán)平整度進(jìn)行測試,進(jìn)而測算焊盤(pán)高度與吹錫量,結果顯示,HASL焊盤(pán)平整度均低于 0.07 mm,焊錫量均低于0.002 mm3。焊盤(pán)平整,焊盤(pán)自帶焊錫量低。圖5是焊盤(pán)高度與錫量測量圖,圖6與圖7是焊盤(pán)高度與吹錫量數據分布圖。 
2.4 焊盤(pán)尺寸設計
    對標QJ3086要求 [4],針對此PQFP器件的印制板焊盤(pán)進(jìn)行可制造性評價(jià),發(fā)現此器件焊盤(pán)尺寸設計存在匹配性問(wèn)題,焊跟處的焊盤(pán)尺寸小于規范要求(圖 8),且器材引線(xiàn)寬度 0.25 mm 大于印制板焊盤(pán)設計寬度 0.2 mm,不滿(mǎn)足可制造性要求,如表 1 所示。
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圖8 引線(xiàn)與焊盤(pán)尺寸示意圖 
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表 1:焊盤(pán)尺寸測量結果
2.5 引線(xiàn)共面度  
  引線(xiàn)共面度是指一個(gè)器件諸引線(xiàn)的底面應處于同一平面上,當其不在同一平面上時(shí),引線(xiàn)底面的最大垂直偏差,如圖9所示。細節距的PQFP器件 , 經(jīng)過(guò)去潮、取放后很難保持引線(xiàn)的共面度。而元器件引線(xiàn)共面度是影響焊接質(zhì)量與可靠性的重要因素,共面度差將會(huì )引起個(gè)別引線(xiàn)由于接觸不到焊盤(pán)造成焊錫量不足,從而導致虛焊。 
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圖9 引線(xiàn)共面度示意 
  按QJ3086標準,共面度要求最大不超過(guò)0.1 mm[4]。在貼片前抽查10只此PQFP器件,使用篩尺測量,共有2只器件的共面度超過(guò)0.1 mm,不符合共面度標準。 
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圖10 鋼網(wǎng)加工工藝選擇標準電子技術(shù) 
2.6 網(wǎng)板設計 
    按電子行業(yè)共識,SMT焊接缺陷60 %-70 %在焊膏涂覆環(huán)節產(chǎn)生[5],印刷網(wǎng)板設計是影響焊膏印刷質(zhì)量關(guān)鍵的第一步。網(wǎng)板設計要素為開(kāi)口尺寸、網(wǎng)板厚度、加工工藝。開(kāi)口尺寸和網(wǎng)板的厚度決定了焊膏的印刷量,焊膏量過(guò)多會(huì )產(chǎn)生橋連,焊膏量偏少會(huì )造成焊錫不足或虛焊,網(wǎng)板開(kāi)口形狀以及開(kāi)口是否光滑也會(huì )影響脫模質(zhì)量。此器件網(wǎng)板開(kāi)口寬度9 mil、長(cháng)度83 mil,厚度5 mil,寬厚比為1.6,開(kāi)口面積比              圖片13.png    ,加工工藝為激光制作開(kāi)口并經(jīng)過(guò)電拋光處理。符合IPC 7525的要求[6],如圖 10 所示。
2.7 焊膏印刷工藝參數    
與焊膏印刷相關(guān)的工藝參數設置是否合理是影響焊膏印刷質(zhì)量的重要環(huán)節,工藝參數包含焊膏顆粒度、回溫時(shí)間、印刷速度、刮刀壓力、脫模速度、貼板距離、網(wǎng)板擦拭頻次。按照現有工藝參數印刷后,SPI(Solder Paste Inspection)錫膏測厚儀測試合格,印刷效果良好,如圖11所示。
 
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圖 11:SPI 檢測結果圖
2.8 焊盤(pán)與引線(xiàn)潤濕性    
按照 GJB360B-2009[7],隨機抽取該組件的基板和此PQFP器件,使用烙鐵法進(jìn)行裸板和元器件引線(xiàn)可焊性測試,測試結果如圖12所示,結果顯示焊盤(pán)和器件引出端的被浸潤部分,有95%以上的面積覆蓋一層連續、均勻、光滑、明亮的錫鉛焊料,說(shuō)明焊盤(pán)和器件引線(xiàn)潤濕效果符合標準,可焊性佳。
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圖 12:可焊性測試結果 
2.9 回流焊接溫度參數  
  SMT應用過(guò)程中,高可靠性焊點(diǎn)的形成,離不開(kāi)一條優(yōu)化的回流曲線(xiàn)。此組件采用soak保溫型回流曲線(xiàn),以保證焊料去氧化、良好的潤濕并提供足夠的焊接熱形成金屬間化合物,減少焊接缺陷。對此組件進(jìn)行測溫驗證,實(shí)測曲線(xiàn)滿(mǎn)足焊接工藝細則要求,如圖 13 所示。
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圖 13:實(shí)測溫度曲線(xiàn) 
03改進(jìn)措施與驗證        通過(guò)測試、對照標準驗證了此器件虛焊的主要原因為焊盤(pán)尺寸設計不合理及引線(xiàn)共面度差,針對每個(gè)原因制訂了改進(jìn)措施,見(jiàn)表2。
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表 2:工藝改進(jìn)對策及措施表
3.1 優(yōu)化焊盤(pán)尺寸    
目前該器件引線(xiàn)寬度0.25 mm,大于印制板焊盤(pán)設計寬度0.2 mm;焊跟尺寸0.1 mm,標準要求≥ 0.5 mm。需要對印制板進(jìn)行設計更改,將器件焊盤(pán)寬度尺寸提高至 0.25 mm,焊跟尺寸提高至0.5 mm 以滿(mǎn)足規范要求,并按照更改后的尺寸更新器件封裝庫,避免后續設計的焊盤(pán)尺寸不滿(mǎn)足可制造性要求。 
3.2 設計校正目檢輔助工具  
  該器件貼片前由手工使用防靜電鑷子校正引線(xiàn),校正時(shí)無(wú)目檢輔助工具,造成校正時(shí)間長(cháng),經(jīng)過(guò)校正的器件共面度仍不符合標準。QJ3171《航天電子電器產(chǎn)品元器件成形技術(shù)要求》指出有必要時(shí),可以制定目測標準,該標準由合格的成形樣品和目檢輔助工具組成。目檢輔助工具應能清楚的示意出所有成形質(zhì)量特征,并提供給每個(gè)操作人員和檢驗人員使用[8]。因此設計了一款目檢輔助工具,如圖14,此輔助工具利用光學(xué)反射原理設計檢測平面與反射平面,其中反射平面鏡與檢測平面之間成一定的夾角,通過(guò)光路反射將檢測物體反射到反射平面鏡??杀阌诓僮髡弑憬莸臋z測和觀(guān)察引線(xiàn)質(zhì)量,同時(shí)通過(guò)工具調整元器件引線(xiàn)不良的情況。 
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圖 14:校正目檢輔助工具原理
3.3 優(yōu)化引線(xiàn)共面度檢測方法  
規范要求共面度最大不超過(guò)0.1 mm,僅靠肉眼不能量化測量共面度,而采用塞尺測量檢測效率低,只能檢測器件邊緣,結果不全面。 在生產(chǎn)線(xiàn)無(wú)共面度測試儀的情況下,通過(guò)剖析測量原理,擬將引線(xiàn)共面度等同于平面度誤差進(jìn)行測量。根據ISO1101,平面度誤差是共面表面至參考平面最大距離與最小距離之差[9]。利用SPI錫膏測厚儀的檢測原理,設計一款PQFP器件共面度檢測裝載基板工裝,開(kāi)發(fā)SPI進(jìn)行引線(xiàn)共面度檢測。為保證檢測基板剛度,印制板厚度設計為2 mm;為提高印制板鍍層平整度,焊盤(pán)表面采用ENIG化學(xué)鍍NiAu處理,如圖15所示。將器件使用紅膠固定在焊盤(pán)表面,如圖16所示。將焊盤(pán)表面定義為參考平面,引線(xiàn)相當于印刷后的立體錫層。 
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                        圖 15:檢測基板                                                 圖 16:基板裝載待測器件電子技術(shù)   
通過(guò)使用 SPI 測量得出 176 個(gè)引線(xiàn)的上表面距離參考平面的高度差集合為 hi, hi={h1、h2、....h176};(1) 引線(xiàn)共面度 t 的值為: t=Max{h1、h2、…h176}- Min{h1、h2、…h176}   (2)     Max{h1、h2、…h176} 為按照排序算法得出的 176 個(gè)引線(xiàn)距離參考平面的最大距離;     Min{h1、h2、…h176} 為按照排序算法得出的176個(gè)引線(xiàn)距離參考平面的最小距離;     如果檢測結果顯示共面度 0.1 mm,如圖17中的引線(xiàn)共面度為 0.1313 mm,需要再次校正該 PQFP 器件的引線(xiàn),校正后再次檢測共面度,直至共面度≤ 0.1 mm。 
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圖 17:引線(xiàn)共面度測試圖                                                                                                    圖 18:焊點(diǎn) X-Ray 檢測和切片金相圖
3.4 試驗驗證  
  采用改進(jìn)措施后裝焊了12件該印制板組件,共12個(gè)此型號PQFP 器件,焊接完成后經(jīng)AOI測試全部合格 , 對焊點(diǎn)進(jìn)行X-Ray檢測,并抽取部分焊點(diǎn)進(jìn)行切片檢測,如圖18所示,焊點(diǎn)有效焊接,IMC 合金層形貌良好,改進(jìn)措施有效。 
02結論
        本文通過(guò)對某印制板組件中的一種細節距 PQFP 器件經(jīng)過(guò)回流焊接后易出現引線(xiàn)虛焊的現象進(jìn)行原因分析,并結合試驗,找到了此器件虛焊的原因是焊盤(pán)尺寸設計不合理和引線(xiàn)共面度差。 采取了改進(jìn)措施: (1)優(yōu)化焊盤(pán)尺寸; (2)利用光學(xué)反射原理設計校正目檢輔助工具,操作者通過(guò)輔助工具可便捷的觀(guān)察引線(xiàn)質(zhì)量,調整不良引線(xiàn); (3)開(kāi)發(fā) SPI 錫膏測厚儀進(jìn)行引線(xiàn)共面度檢測,可得到精確的引線(xiàn)共面度數據,確保貼片元器件共面度符合要求。 通過(guò)實(shí)施改進(jìn)措施,解決了該細節距 PQFP 器件虛焊問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試驗驗證,改進(jìn)措施可行有效。 

 
 
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