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    河南金相檢測技術有限公司

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    基于金相分析的PCB焊接質量研究與應用

    2021-05-22 12:00:00
    基于金相分析的PCB焊接質量研究與應用
    詳細介紹:

        基于金相分析的PCB焊接質量研究與應用

        李會超,施清清,王大波

        (珠海格力電器股份有限公司,廣東 珠海 519000)

        摘  要:為檢測識別PCB焊點焊接可靠性,提出采用金相分析對焊接質量進行管控。金相分析通過顯微鏡,利用光學原理,觀測材料內部結構,對PCB的沉銅厚度、引腳浸錫高度、及焊料與引腳合金層形成情況進行分析,保證焊點機械可靠性及抗疲勞性能,提高產品性能及可靠性。

        關鍵詞:PCB;金相分析;波峰焊;焊接質量;可靠性

        

        0 引言

        印制電路板(PCB)廣泛應用于電子工業中,電子元器件在PCB上的焊接方式通常包括手工焊和自動焊接兩類。波峰焊作為當下重要的自動焊接技術之一,其因焊點可承受較大機械應力,裝配簡單,成本低廉等優點廣泛應用于非便攜式電子產品的制作工藝中,如家電、大功率電源。焊接質量異常將影響焊點機械可靠性、抗熱疲勞性能,對于一些強電器件(扼流圈,PFC電感等)還將影響產品電氣安全性能[1]。如圖1所示,為焊接 不良導致器件失效。當PCB上存在大吸熱器件時,如何保證產品焊接質量的可靠性,是電子行業工藝優化關注的熱點。

        金相鑲嵌機

        PCB焊接檢驗分為接觸式檢測、人工檢測和新型自動化檢驗。接觸式檢驗和人工檢驗隨著電子集成電路的發展,其局限性日益突出,單純通過PCB的導通性、絕緣性或人工經驗來判斷缺陷的發放逐步被替代。自動光學檢測(Automatic Optic Inspection,AOI)作為電子行業比較成熟的自動化檢測技術,對于通孔、橋連等焊接異常有較高的檢查精度[2]。但是對于焊點內部合金層形成、焊點透錫高度、沉銅厚度等影響產品運行可靠性的工藝參數無法識別,存在測試盲區。金相分析通過對焊點內部組織進行觀察,判斷焊點質量,提高產品可靠性[3-4]。

        

        1 金相分析

        金相分析是材料學中常用的一種分析手段,通過高倍光學顯微鏡,利用光在不同介質分界面的光學現象, 觀察某種材料內部組織結構,判斷其屬性是否發生變異,有助于質量檢驗、失效分析、新工藝、新材料等工作的可靠性。因此,其應用領域也擴展到了電子行業,

        常見的有芯片內部晶元解剖、PCB板過孔不通、PCB可焊性分析等。

        金相分析通常包括以下幾個步驟:

        1)選取待分析樣本。選取需要分析的部件,大小適宜,滿足鑲嵌。

        2)鑲嵌待磨制樣本。將樣本放入鑲嵌機,加入鑲

        嵌粉,高溫、高壓模式下成型。成型時間視鑲嵌粉材質有所不同。

        3) 鑲嵌后的樣本磨制。磨制時需邊磨邊用水冷卻,磨制力度、時間得當,避免待分析組織變形。

        4)磨制后的樣本拋光。磨制后經過粗拋光、細拋光應保證表面無磨痕,像鏡面,吹干后無水漬和污漬。 5) 拋光后樣本觀察。使用高倍顯微鏡觀察組織

        情況。

        

        2金相驗證

        2.1設備及儀器

        主要設備包括試樣鑲嵌機、預磨機、拋光機、金相顯微鏡及其他輔助設備。

        2.2波峰焊工藝參數合理性

        對于高壓電解電容、PFC電感、扼流圈等強電器件,因其特殊的承載及電氣安全要求,焊接質量尤為重要。手工焊接因存在焊接時長無法把控、易產生錫珠等問題在電子制造業已逐步被淘汰。波峰焊技術作為電子工業中一種重要工藝,主要用于自動焊接自插、手工插裝器件。影響波峰焊焊接工藝的因素主要包括兩類:第1類為波峰焊設備設定參數,如助焊劑流量、鏈速、預熱溫度、爐溫曲線等;第二類為PCB板特性,包括板材厚度、焊盤元器件布局等。波峰焊參數設置不合理不僅影響焊接質量,還將造成生產成本、效率浪費。

        傳統的參數設置效果以PCB過爐后是否有橋連、通孔、上錫不良等作為直觀判斷依據,但對于焊點填充高度、焊點合金層等影響焊點可靠性的參數卻無法識別。提高波峰焊工藝參數合理性,進而提高設備綜合利用率是電子制造工藝的追求目標之一,而金相分析提供為其提供了解決方案。

        經驗證,影響焊接的主要參數包括爐溫、鏈速、助焊劑流量及種類。因助焊劑種類在選型固定后,生產階段不存在切換情況,因此論文主要對前三種參數的組合進行驗證。

        以某款PCB為例,3個參數分別設置如表1所示。

        金相鑲嵌機

        

        不良:第1類為器件引腳異常(氧化、粘有異物等)導致無法上錫;第二類為焊接過程異常導致引腳上錫不良,更換元器件亦或是直接采用手工加錫的處理方案,都存在成本、資源浪費,且不能保證處理后的PCB 是否滿足焊接工藝標準。而金相分析為此類異常提供了可靠的解決方案。使用金相分析對PCB焊接效果評估, 主要依照如下參數:透錫標準、氣泡體積、合金層以及PCB過孔沉銅厚度。針對不同的產品,以上4個參數標準不盡相同,以家電類產品為例,要求各項參數需滿足以下條件:

        1)透錫高度≥75%;

        2)100倍放大鏡下下有明顯合金層; 氣泡體積不超過焊點體積的30%;

        PCB過孔沉銅厚度不小于20 μm。

        某次生產過程中,扼流圈引腳因固定底座的白膠殘留在引腳上,導致引腳通孔,如圖5所示。通過金相分析,如圖6左所示,該引腳透錫高度不滿足75%的工藝要求;手工加錫后的金相結果如圖6右所示,表明加錫處理方案滿足焊接要求。

        金相磨拋機

        金相磨拋機

        生產過程中因波峰焊設備異常,需對已生產的PCBA進行評估。通過金相分析,如圖7所示,表明引腳透錫高度及焊點合金層形成異常。通過手工加錫處理后,如圖8 所示,引腳透錫高度、合金層形成良好,同時,PCB過孔沉銅厚度為39 μm,滿足20 μm的工藝要求。

        金相磨拋機

        金相磨拋機

        3結語

        金相分析簡單直觀,是質量控制、失效分析、新材料新工藝開發等工作不可缺失的一部分。焊接質量作為影響控制器運行可靠性的重要參數,文章采用金相方法對多類別焊接不良進行分析,表明其有對于提高PCB焊接質量、提高產品可靠性方面具有獨特優勢。

        

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