細(xì)節(jié)距器件焊接缺陷分析及質(zhì)量控制

代曉麗 周鳳龍 潘玉華 劉英

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 四川省成都市 610036）

1 前言

引線節(jié)距0.30-0.65 mm 的細(xì)節(jié)距PQFP 器件具有輕、薄、小，焊接應(yīng)力較易釋放，可靠性高，適合高頻應(yīng)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(xì)節(jié)距PQFP 器件其引線細(xì)、節(jié)距小，容易變形和斷裂，在裝配過程中，對(duì)印制板、元器件的來料質(zhì)量、生產(chǎn)制程提出了更高的要求。某印制板組件中的細(xì)節(jié)距PQFP 器件經(jīng)過回流焊接后易出現(xiàn)引線虛焊的焊接缺陷，查閱的文獻(xiàn)通常是從焊膏量控制、優(yōu)化回流參數(shù)進(jìn)行工藝改進(jìn)。但在此案例中，焊盤設(shè)計(jì)不合理以及引線共面度才是導(dǎo)致焊接缺陷的要因。雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定引線共面度需要控制在0.10mm 以內(nèi)，業(yè)內(nèi)通常采用專用共面度測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，但國內(nèi)大部分產(chǎn)線并無引線共面度測(cè)試儀。在此情況下，檢測(cè)和校正引線共面度就需要開發(fā)工裝或二次開發(fā)產(chǎn)線現(xiàn)有設(shè)備以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的目標(biāo)。本文對(duì)細(xì)節(jié)距PQFP 器件焊接缺陷進(jìn)行分析，并通過優(yōu)化焊盤設(shè)計(jì)尺寸，設(shè)計(jì)一款便于引線校正的目檢輔助工具，通過二次開發(fā)產(chǎn)線現(xiàn)有設(shè)備以實(shí)現(xiàn)共面度的檢測(cè)和校正，以此改進(jìn)器件的焊接工藝，進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 細(xì)節(jié)距PQFP虛焊與原因分析

某型號(hào)PQFP 器件，共有176 只引線，引線節(jié)距0.50mm，如圖1 所示，屬于典型的細(xì)節(jié)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(cè)）設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，共報(bào)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(duì)該印制板組件細(xì)節(jié)距PQFP 器件引線焊端虛焊的現(xiàn)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(jié)出各影響因素的末端因素，如圖3 所示。再測(cè)試驗(yàn)證各末端因素是否為引起虛焊的主要原因。

2.2 印制板翹曲

如果印制板存在翹曲，將導(dǎo)致器件引線接觸不到焊盤引起虛焊，按《IPC 600 印制板的可接受性》 中3 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求印制板翹曲度不大于0.75 %[3]。通過隨機(jī)抽取該印制板組件的基板進(jìn)行厚度測(cè)試，測(cè)試云圖如圖4，經(jīng)過計(jì)算，翹曲度為0.098 %，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 焊盤不平整

圖1：某細(xì)節(jié)距PQFP 器件的外形圖

圖2：焊端虛焊的AOI 測(cè)試圖

圖3：虛焊原因分析關(guān)聯(lián)圖

圖4：印制板厚度測(cè)量圖

圖5：焊盤高度與錫量測(cè)量圖

圖6：焊盤高度數(shù)據(jù)圖

從焊接冶金學(xué)角度，HASL（熱風(fēng)整平）與ENIG（化學(xué)鎳金）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(xiàn)焊盤表面凸凹不平，造成焊盤不平整，共面度差，焊盤自帶焊錫量多等問題。而此組件焊盤均是HASL 工藝，需對(duì)裝配該P(yáng)QFP 器件的焊盤平整度進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而測(cè)算焊盤高度與吹錫量，結(jié)果顯示，HASL 焊盤平整度均低于0.07 mm，焊錫量均低于0.002 mm3。焊盤平整，焊盤自帶焊錫量低。圖5 是焊盤高度與錫量測(cè)量圖，圖6 與圖7 是焊盤高度與吹錫量數(shù)據(jù)分布圖。

圖7：焊盤吹錫量數(shù)據(jù)圖

圖8：引線與焊盤尺寸示意圖

圖9：引線共面度示意

圖10：鋼網(wǎng)加工工藝選擇標(biāo)準(zhǔn)

2.4 焊盤尺寸設(shè)計(jì)

圖11：SPI 檢測(cè)結(jié)果圖

圖12：可焊性測(cè)試結(jié)果

圖13：實(shí)測(cè)溫度曲線

對(duì)標(biāo)QJ3086 要求[4]，針對(duì)此PQFP 器件的印制板焊盤進(jìn)行可制造性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)此器件焊盤尺寸設(shè)計(jì)存在匹配性問題，焊跟處的焊盤尺寸小于規(guī)范要求（圖8），且器材引線寬度0.25 mm 大于印制板焊盤設(shè)計(jì)寬度0.2 mm，不滿足可制造性要求，如表1 所示。

2.5 引線共面度

圖14：校正目檢輔助工具原理

引線共面度是指一個(gè)器件諸引線的底面應(yīng)處于同一平面上，當(dāng)其不在同一平面上時(shí)，引線底面的最大垂直偏差，如圖9 所示。細(xì)節(jié)距的PQFP 器件,經(jīng)過去潮、取放后很難保持引線的共面度。而元器件引線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)別引線由于接觸不到焊盤造成焊錫量不足，從而導(dǎo)致虛焊。

按QJ3086 標(biāo)準(zhǔn)，共面度要求最大不超過0.1 mm[4]。在貼片前抽查10 只此PQFP 器件，使用篩尺測(cè)量，共有2 只器件的共面度超過0.1 mm，不符合共面度標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 網(wǎng)板設(shè)計(jì)

按電子行業(yè)共識(shí)，SMT 焊接缺陷60 %-70 %在焊膏涂覆環(huán)節(jié)產(chǎn)生[5]，印刷網(wǎng)板設(shè)計(jì)是影響焊膏印刷質(zhì)量關(guān)鍵的第一步。網(wǎng)板設(shè)計(jì)要素為開口尺寸、網(wǎng)板厚度、加工工藝。開口尺寸和網(wǎng)板的厚度決定了焊膏的印刷量，焊膏量過多會(huì)產(chǎn)生橋連，焊膏量偏少會(huì)造成焊錫不足或虛焊，網(wǎng)板開口形狀以及開口是否光滑也會(huì)影響脫模質(zhì)量。此器件網(wǎng)板開口寬度9 mil、長度83 mil，厚度5 mil，寬厚比為1.6，開口面積比加工工藝為激光制作開口并經(jīng)過電拋光處理。符合IPC 7525 的要求[6]，如圖10 所示。

2.7 焊膏印刷工藝參數(shù)

與焊膏印刷相關(guān)的工藝參數(shù)設(shè)置是否合理是影響焊膏印刷質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，工藝參數(shù)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(xiàn)有工藝參數(shù)印刷后，SPI（Solder Paste Inspection）錫膏測(cè)厚儀測(cè)試合格，印刷效果良好，如圖 11 所示。

2.8 焊盤與引線潤濕性

按照GJB360B-2009[7]，隨機(jī)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可焊性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12 所示，結(jié)果顯示焊盤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(xù)、均勻、光滑、明亮的錫鉛焊料，說明焊盤和器件引線潤濕效果符合標(biāo)準(zhǔn)，可焊性佳。

2.9 回流焊接溫度參數(shù)

SMT 應(yīng)用過程中，高可靠性焊點(diǎn)的形成，離不開一條優(yōu)化的回流曲線。此組件采用soak 保溫型回流曲線，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(duì)此組件進(jìn)行測(cè)溫驗(yàn)證，實(shí)測(cè)曲線滿足焊接工藝細(xì)則要求，如圖13 所示。

表2：工藝改進(jìn)對(duì)策及措施表

表1：焊盤尺寸測(cè)量結(jié)果

圖15：檢測(cè)基板

圖16：基板裝載待測(cè)器件

3 改進(jìn)措施與驗(yàn)證

通過測(cè)試、對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了此器件虛焊的主要原因?yàn)楹副P尺寸設(shè)計(jì)不合理及引線共面度差，針對(duì)每個(gè)原因制訂了改進(jìn)措施，見表2。

3.1 優(yōu)化焊盤尺寸

目前該器件引線寬度0.25 mm，大于印制板焊盤設(shè)計(jì)寬度0.2 mm；焊跟尺寸0.1 mm，標(biāo)準(zhǔn)要求≥0.5 mm。需要對(duì)印制板進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，將器件焊盤寬度尺寸提高至0.25 mm，焊跟尺寸提高至0.5 mm 以滿足規(guī)范要求，并按照更改后的尺寸更新器件封裝庫，避免后續(xù)設(shè)計(jì)的焊盤尺寸不滿足可制造性要求。

3.2 設(shè)計(jì)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，校正時(shí)無目檢輔助工具，造成校正時(shí)間長，經(jīng)過校正的器件共面度仍不符合標(biāo)準(zhǔn)。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(cè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由合格的成形樣品和目檢輔助工具組成。目檢輔助工具應(yīng)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(yàn)人員使用[8]。因此設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)檢測(cè)平面與反射平面，其中反射平面鏡與檢測(cè)平面之間成一定的夾角，通過光路反射將檢測(cè)物體反射到反射平面鏡?？杀阌诓僮髡弑憬莸臋z測(cè)和觀察引線質(zhì)量，同時(shí)通過工具調(diào)整元器件引線不良的情況。

3.3 優(yōu)化引線共面度檢測(cè)方法

規(guī)范要求共面度最大不超過0.1 mm，僅靠肉眼不能量化測(cè)量共面度，而采用塞尺測(cè)量檢測(cè)效率低，只能檢測(cè)器件邊緣，結(jié)果不全面。

圖17：引線共面度測(cè)試圖

圖18：焊點(diǎn)X-Ray 檢測(cè)和切片金相圖

在生產(chǎn)線無共面度測(cè)試儀的情況下，通過剖析測(cè)量原理，擬將引線共面度等同于平面度誤差進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)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(cè)厚儀的檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)一款PQFP 器件共面度檢測(cè)裝載基板工裝，開發(fā)SPI 進(jìn)行引線共面度檢測(cè)。為保證檢測(cè)基板剛度，印制板厚度設(shè)計(jì)為2 mm；為提高印制板鍍層平整度，焊盤表面采用ENIG化學(xué)鍍Ni/Au 處理，如圖15 所示。將器件使用紅膠固定在焊盤表面，如圖16 所示。將焊盤表面定義為參考平面，引線相當(dāng)于印刷后的立體錫層。

通過使用SPI 測(cè)量得出176 個(gè)引線的上表面距離參考平面的高度差集合為hi,

引線共面度t 的值為：

Max{h1、h2、…h(huán)176}為按照排序算法得出的176 個(gè)引線距離參考平面的最大距離；

Min{h1、h2、…h(huán)176}為按照排序算法得出的176 個(gè)引線距離參考平面的最小距離；

如果檢測(cè)結(jié)果顯示共面度＞0.1 mm，如圖17 中的引線共面度為0.1313 mm，需要再次校正該P(yáng)QFP 器件的引線，校正后再次檢測(cè)共面度，直至共面度≤0.1 mm。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)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(hào)PQFP 器件，焊接完成后經(jīng)AOI 測(cè)試全部合格,對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行X-Ray檢測(cè)，并抽取部分焊點(diǎn)進(jìn)行切片檢測(cè)，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。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)某印制板組件中的一種細(xì)節(jié)距PQFP 器件經(jīng)過回流焊接后易出現(xiàn)引線虛焊的現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，并結(jié)合試驗(yàn)，找到了此器件虛焊的原因是焊盤尺寸設(shè)計(jì)不合理和引線共面度差。

采取了改進(jìn)措施：

（1）優(yōu)化焊盤尺寸；

（2）利用光學(xué)反射原理設(shè)計(jì)校正目檢輔助工具，操作者通過輔助工具可便捷的觀察引線質(zhì)量，調(diào)整不良引線；

（3）開發(fā)SPI 錫膏測(cè)厚儀進(jìn)行引線共面度檢測(cè)，可得到精確的引線共面度數(shù)據(jù)，確保貼片元器件共面度符合要求。

通過實(shí)施改進(jìn)措施，解決了該細(xì)節(jié)距PQFP 器件虛焊問題。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)措施可行有效。