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回流焊机技术

回流焊机焊接质量问题的定义及对策

  • 更新时间2015-05-27 17:20:52
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详细描述

 在SMT应用中,产品的焊接质量可以用以下的表现:
 
       “在设计意图的使用环境、方式和寿命期中,能够维持某个程度的机械和电气性能。”
 
        在这定义中,“使用环境”指使用的场合,如室内或是室外、静止的工作台或移动的交通工具上、以及环境的温湿度等等;“方式”主要指的是通电工作模式。例如一天中会开关多次的(如手机、电脑、MP3、汽车电子等产品),或通电启动后基本不关机的(如通信机站,家用电话,供电保护等产品);“寿命期”指得是产品的预期使用期。这些都会因为行业情况和企业定位的不同而有所差异,也是设计部门必须给于定义的,所以以上的定义中说“设计意图”。“维持某个程度”指的是可以接受的失误或失效程度,例如说1%的产品失效,或某个性能量化上的20%下降之类的定义。
 
         从以上的定义中,提出了一点我们在日常生产中经常没有很好的照顾到的,就是产品的“寿命”问题。由于检测技术手段,以及成本和知识等的限制,在目前的SMT用户群中,能够较足够照顾到这方面的用户为数不多。所以我们不难在市场上看到‘不耐用’的产品。
 
         对于那些想搞好SMT的企业来说,质量的定义必须包括两大类。就是‘零时质量’和‘可靠性’(或‘寿命’)。‘零时’指的是使用时间为零。也就是交货时的质量表现。如果不考虑包装、运输、库存等影响,就是制造商发货时的质量,通过FT(功能测试)、校验等工作把关的质量。而由于客户接收到不良品后会投诉退货,一般制造商对这方面的表现比较了解。但对于‘可靠性’方面的表现就未必有足够详细的记录和数据来量化了。
 
          除了区分‘零时’和‘寿命’质量外,焊接质量还可以分成‘焊点’和‘非焊点’或‘材料’质量。‘焊点’质量顾名思义指的是焊点是否能在使用寿命期内以及使用环境条件下坚固的保持其机械和电性接合性能。在回流焊机焊接中,整个产品,包括所有PCBA上的器件和基板等材料都会经过高温,而不良或不配合的高温控制可能会对这些材料进行破坏,这就需要工程师们去研究和处理‘非焊点’质量了。典型的非焊点质量问题如器件封装的爆裂或分层,材料熔化等等。
 
焊点质量的保证,需要满足几个外部和内部因素。外部条件有以下三点:
 
1. 足够和良好的润湿;
2. 适当的焊点大小;
3. 良好的外形轮廓。
 
足够和良好的润湿,是让我们知道‘可焊性’状况的重要指示。一个未润湿的焊点很难有足够的IMC形成,这也就间接告诉我们焊接质量是差的。这里要提醒一点,有润湿迹象虽然表示可焊性存在,但还不能完全表示IMC的合格。而IMC形成的程度或状况,才是决定焊点可靠性的关键。这是外观检查能力的一个重要限制。
 
焊点的大小,直接决定焊点的机械强度,以及承受疲劳断裂和蠕变的能力。在回流焊接技术中,一般焊点的材料多来自锡膏的印刷量。在和器件焊端材料匹配不理想的情况下,大焊点有时候也可以起着缓冲质量问题的作用。从以上的观点上,我们希望焊点偏大为佳。不过太大的焊点也可能带来问题。例如影响润湿的检查性,以及容易造成吸锡、桥接等工艺问题,甚至还可能缩短电迁移故障寿命等。
 
焊点的外形轮廓也很重要。由于在使用中,焊点结构内部的各部分所承受的应力并不一样,以上提到的‘焊点大小’因素还必须和这‘外形轮廓’因素一并考虑。例如一个‘少锡’出现在翼型引脚‘足尖’的问题,在可靠性考虑上就没有出现在‘足跟’部位来的严重。
 
焊点质量的内部结构因素也有以下三个主要方面应该得到保证。
 
1. 适当的金属间合金层;
2. 充实的焊点内部结构;
3. 焊点内部的微晶结构。
 
金属间合金IMC的形成状况,是决定焊点机械强度的关键。不同的金属会形成不同成分组合的IMC,而其强度也有所不同。所以在选择器件、PCB焊盘镀层金属和锡膏金属的匹配上是个确保质量的重要工作。在选对适当的材料后,接下来的问题就是通过焊接工艺的控制,使IMC形成良好的厚度了。IMC未形成时我们称该焊点为‘虚焊’,其结构是不坚固的。但由于IMC本身是个脆弱的金属,所以一旦形成太厚时,焊点也容易在IMC结构中断裂。所以控制IMC厚度便成了焊接工艺中的一个重点。
 
焊点的内部必须是‘实’的。由于在回流焊接工艺中,锡膏和PCB材料等会有发出气体的现象,在焊点外观看来适当合格的情况下,其内部有可能因为这些气体的散发而充气,出现一些大大小小的气孔。使该焊点的性能实际上类似‘焊点小’的情况,可靠性受到威胁。
 
焊点的微晶结构,受到加热温度、时间以及热冷速率的影响。不同粗细的结构也出现不同的抗疲劳能力。这问题在传统锡铅中的影响不是很大。不过在进入无铅技术后,有报告指出对某些合金材料是敏感的。用户在选择无铅材料时最好按本身情况给于必要的评估考虑。
 
‘非焊点’质量方面。我们所关心的材料(器件和PCB)的耐热性。作为用户,一般我们是在DFM(可制造性设计)流程中,在选择时向供应商索取这方面的技术资料。而目前供应商较流行的做法,是提供给用户一个类似‘回流曲线’的标准,上面标示了温度和时间极限,供用户跟从使用。其实这种做法有待改进。因为器件并非单一材料,而是由不同材料、有结构性设计和工艺加工过的‘产品’。目前这种耐热性指标描述法,并不能很精确的控制和保证质量。我在将来的文章中再提供更多更详细的解释。读者们现在该知道的,是我们必须有个耐热指标来跟从和控制我们的焊接工艺

 

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