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高可靠性印制電路元件,焊接過程控制應用簡述
2010-03-30

      

                                          張文杰     

  

      當代電子產品設計功能高集成度、高可靠性需求越來越強烈,隨之而來的是對產品製造過程的工藝規劃、現場管理與控制提出了更高的要求,尤其是對航天航空、軍事電子、醫療汽車電子等產品的要求對質量問題追溯定位到焊點,甚至要求能夠延伸到產品設計階段。但是,特別需要強調的是通常意義上實施的所謂質量管理、質量控制並非是確保高可靠性電子產品生產的全部內涵,再引伸一步可以這樣說,滿足或符合既有行業或企業質量標準的產品,並不能確保達到預期產品使用的可靠性水平!

 


    可靠性問題是一個非常寬泛的研究領域,是一項龐雜的系統工程,需要多專業團隊開展較長週期的相關工作。依筆者工作經驗認為,高可靠性電子產品生產保障同樣必然先從材料方面入手,考慮組裝焊接工藝的合理性,圍繞最低一級的電路連接節點—焊點形態(包括外表及內部,甚至金相結構)的符合程度,再逐一向產品製造相關過程擴展研究,才能提出適合特定電子產品組裝焊接工藝技術特點的高可靠性產品保障建議,理論上,進一步要求所有這些保障措施必須能夠提供相應的證據!

 


    基於以上的基本觀點和思路,在此提出高可靠性電子產品組裝製造工藝中可能影響可靠性的幾方面因素,並列出了幾種重要的防範措施和建議進行交流,希望得到業界同行的指教。

 


1 影響可靠性的幾個主要因素
 

1.1 靜電效應(ESD)


  這是所有電子組裝焊接企業首先注重的基礎環境保障措施之一,靜電產生的理論在此不進行詳細敘述,靜電電子產品中可能使用的高速電路元器件(如場效應器件、雙極晶體管、砷化鎵等構造),薄膜工藝元器件(電子、集成電路、磁頭、場效應電容器等),芯片及多芯片組件等都可能受到靜電損傷。靜電擊穿往往發生在生產中的各個環節,嚴重的損傷現象,如像在元器件外封裝表面上的“爆裂”是明顯能夠看到的,其他一些明顯的結構性故障能夠通過相應的測試方法探知,但是,最難以察覺的隱性損傷往往能夠順利通過電性能測試和初期的可靠性篩選測試,最終造成的隱患極大!
 

 

    工作區域常用防靜電手段(地板、工作臺面)、工作服(包括衣服、手套、鞋、帽)、裝備(腕帶、腳帶、指套、鞋套等)、使用的工具(烙鐵、剝線鉗、壓接工具、剪刀、返修台、刷子、無紡布)、工裝(包裝物品、周轉架、箱、託盤、搬運車架)、特殊手段(如去離子風、去離子水裝置)等進行防護。

 


  另外,對於某些高敏感靜電產品的接觸與移動,除了加強防範性的環境、工裝、工具的保護措施外,還要求操作人員的肢體動作要以特定較慢的加速度、運動速度予以規範,該類崗位人員甚至在選用時即要求是“慢”性子的優先!

 


1.2 熱效應


  熱效應主要是由於焊接過程或加電工作過程中各物質熱容特性(CTE-Coefficients of Thermal Expansion,熱澎脹係數)不一致,從產生條件上劃分為外界溫度變化週期、工作時溫度變化、溫度升降速率,最終造成PCBA(見圖1)、焊點內部應力反復疲勞變性(失去電連接特性)直致失效。

 

 

圖1 PCBA翹曲應力示意圖

 


  溫度循環:緣於溫度、負載率、焊點材料及顆粒結構等在溫度條件下的線性及非線性的變形,該種變形屬於應力疲勞蠕變,故障由相互作用的剪切力疲勞和應力鬆弛造成。

 


  熱衝擊:大致緣於三種情形,一是PCBA工作環境的快速變化;二是工作功率突然大幅度變化;三是組裝焊接各過程,包括返工返修。可靠性工程經驗數據表明,30℃/min的快速溫度變化,會造成PCBA表面的嚴重翹曲,而嚴重的表面翹曲度形成拉伸力和剪切力會集中於焊點上,並造成其結構故障。


 

  通常,電子產品生產過程包括元器件及PCB貯存和運送、元器件或部件裝配、焊接、測試檢驗、清洗、成品組裝和檢驗、包裝等環節,其中最為重要是焊接過程,焊接的主要形式包括有再流焊、波峰焊、手工焊,再有即是三種基本焊接方式的組合。這類焊接方式的共同點是需要以較高溫度(焊料熔點)融化焊料完成元器件與PCB(焊盤或過孔)之間的可靠連接,而焊接過程中的熱衝擊是影響產品可靠性的關鍵因素。當然,產品組裝過程可能還會存在其他一些熱衝擊階段,如PCB和芯片烘干、返工返修、固化粘接劑、清洗、篩選試驗和三防處理、貯存過程等,相對影響程度弱一些。

 


1.3 機械應力損傷


  

  該損傷情形在PCBA組裝操作過程中,主要由外力形變、機械衝擊與震動造成,總之,都會對最終產品有應力影響,某些情形下會產生嚴重的後果。

 


1.3.1 外力形變


  通常情況下有兩種情形,一種是組裝焊接過程中肯定會發生的情況,多數情況是指元器件引腳的成型過程,需要關注過程的控制和監督;另一種則是正常情況下不應該發生的,是我們竭力避免發生和嚴加防範的!

 

 
  1) 人為有意造成:這主要是指為將元器件焊端按照特定的工藝要求使用工具(或模具)強力塑形以滿足焊接要求,即元器件的成型。這種成型又可分為多種情形:


  1 表貼元件的再成型:在高可靠性產品中,由於受元器件製造技術的約束,其原封裝類型並未完全按照現在的貼裝焊接直接採用,需要再次對引腳進行預成型以適應焊接,如圖2所示。


 

  

 圖2 貼片件的引線成型

 

  特別需要引起注意的是,表貼元件的再成型除上述情況外,還有一種情況需引起警惕:表面貼裝芯片由於引 腳較細“嫩”,包裝、運輸、取用、手工焊接過程往往易引起變形,造成引腳平整性不佳,也需要進行再成型,這類情況的再成型與圖2所示的再成型都要求確保引腳的平整度,否則會造成焊接過程中雖然焊點形態符合檢驗標準,但由於引腳內在應力(金屬引腳或引線的扭曲、翹曲)造成焊點靜態受力,往往會在一定條件下首先失效!

 


  2 插裝元件的表面貼裝成型:特定插裝件由於某種原因不得不採用表面貼裝焊接形式,即根據表貼焊盤形狀實現引線的成型,如圖3所示。這種情況也會發生在由於成型造成焊點表面形態受力的情況!

 

 

圖3 插裝件的引線表貼成型


  3 插裝元件的預成型(圖4所示):這種情況較為常見,無法完全避免,出於對元件本身外觀、材料的保護,對該類元件的引腳形狀、折彎度及各形態尺寸都會有嚴格的要求,以保障產品焊接後的元件及焊點質量。

 

 圖4 插裝元件的插裝成型

 


  成型過程中必然會採用相應的工裝工具直接對元器件的引腳或引線進行操作,不適當的操作或方法非常容易造成元器件封裝、引線、引線金屬鍍層的損傷,必須確保常用的模具、成型裝備、鉗子、攝子、剪腳鉗等的安全使用。

   


  另外,這類成型活動應該在高可靠性產品設計階段的採用即要慎重考慮,元器件選型要注意,徑向元件、軸向元件的通孔間距也要順應元件封裝尺寸,儘量減少或取消成型工序為好。

 

 
  2) 意外發生:這類情形多發生在元器件、PCB、PCBA的包裝、取用、周轉、焊接、返工返修等過程中,需要操作者介入的操作較多,出現的現象是受到磕碰、擠壓、摔落、磨擦等,有些情況下會留下相應的痕跡(引線或引腳變形、焊端局部損壞、導體表面損傷、劃痕、封裝裂損、焊盤脫落等),但在某些情況下不會有難以區分的明顯跡象,如果繼續使用會造成不可預測的隱患!

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