|
摘要：：
本文對(duì)某細(xì)節(jié)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(yàn)證。為確保器件引線共面度控制在0.10 mm 以?xún)?nèi)，利用光學(xué)反射原理 , 設(shè)計(jì)了一款易于便捷校正引線共面度的目檢輔助工具。通過(guò)二次開(kāi)發(fā)SPI錫膏測(cè)厚儀，不增加新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)器件引線共面度的檢測(cè)。工藝改進(jìn)后，通過(guò)焊接試驗(yàn)件驗(yàn)證了質(zhì)量控制的有效性。  關(guān)鍵詞: 細(xì)節(jié)距；PQFP 器件；虛焊；共面度01引言 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(guò)程中，對(duì)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(xì)節(jié)距PQFP器件經(jīng)過(guò)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(pán)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 0.10 mm 以?xún)?nèi)，業(yè)內(nèi)通常采用專(zhuān)用共面度測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，但國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)線并無(wú)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(kāi)發(fā)工裝或二次開(kāi)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(guò)優(yōu)化焊盤(pán)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(guò)二次開(kāi)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。 02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0.50 mm，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。 
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)圖電子技術(shù)
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(pán)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(guò)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(guò)計(jì)算，翹曲度為0.098 %，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
 圖4 印制板厚度測(cè)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）
 圖5 焊盤(pán)高度與錫量測(cè)量圖  圖6 焊盤(pán)高度數(shù)據(jù)圖 
圖7 焊盤(pán)吹錫量數(shù)據(jù)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(xiàn)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(duì)裝配該 PQFP器件的焊盤(pán)平整度進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而測(cè)算焊盤(pán)高度與吹錫量，結(jié)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(cè)量圖，圖6與圖7是焊盤(pán)高度與吹錫量數(shù)據(jù)分布圖。
2.4 焊盤(pán)尺寸設(shè)計(jì) 對(duì)標(biāo)QJ3086要求 [4]，針對(duì)此PQFP器件的印制板焊盤(pán)進(jìn)行可制造性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)此器件焊盤(pán)尺寸設(shè)計(jì)存在匹配性問(wèn)題，焊跟處的焊盤(pán)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(pán)設(shè)計(jì)寬度 0.2 mm，不滿足可制造性要求，如表 1 所示。 
圖8 引線與焊盤(pán)尺寸示意圖
表 1：焊盤(pán)尺寸測(cè)量結(jié)果
2.5 引線共面度
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(guò)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(pán)造成焊錫量不足，從而導(dǎo)致虛焊。 
圖9 引線共面度示意
按QJ3086標(biāo)準(zhǔn)，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(cè)量，共有2只器件的共面度超過(guò)0.1 mm，不符合共面度標(biāo)準(zhǔn)。
圖10 鋼網(wǎng)加工工藝選擇標(biāo)準(zhǔn)電子技術(shù)
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(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(zhǎng)度83 mil，厚度5 mil，寬厚比為1.6，開(kāi)口面積比
 ，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(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。 
圖 11：SPI 檢測(cè)結(jié)果圖
2.8 焊盤(pán)與引線潤(rùn)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(pán)和器件引出端的被浸潤(rùn)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(shuō)明焊盤(pán)和器件引線潤(rùn)濕效果符合標(biāo)準(zhǔn)，可焊性佳。  圖 12：可焊性測(cè)試結(jié)果
2.9 回流焊接溫度參數(shù)
SMT應(yīng)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。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(rùn)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。  圖 13：實(shí)測(cè)溫度曲線
03改進(jìn)措施與驗(yàn)證 通過(guò)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(pán)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(jiàn)表2。
 表 2：工藝改進(jìn)對(duì)策及措施表
3.1 優(yōu)化焊盤(pán)尺寸
目前該器件引線寬度0.25 mm，大于印制板焊盤(pán)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(pán)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(kù)，避免后續(xù)設(shè)計(jì)的焊盤(pán)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(wú)目檢輔助工具，造成校正時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)工具調(diào)整元器件引線不良的情況。 
圖 14：校正目檢輔助工具原理
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(guò)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。 在生產(chǎn)線無(wú)共面度測(cè)試儀的情況下，通過(guò)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(kāi)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(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，引線相當(dāng)于印刷后的立體錫層。 
圖 15：檢測(cè)基板 圖 16：基板裝載待測(cè)器件電子技術(shù)
通過(guò)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, hi={h1、h2、....h176}；（1） 引線共面度 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 PQFP 器件的引線，校正后再次檢測(cè)共面度，直至共面度≤ 0.1 mm。
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
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。 02結(jié)論 本文通過(guò)對(duì)某印制板組件中的一種細(xì)節(jié)距 PQFP 器件經(jīng)過(guò)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(pán)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(pán)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(guò)輔助工具可便捷的觀察引線質(zhì)量，調(diào)整不良引線； （3）開(kāi)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(guò)實(shí)施改進(jìn)措施，解決了該細(xì)節(jié)距 PQFP 器件虛焊問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)措施可行有效。 |
