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无铅回流焊接中的质量问题处理

 
    焊接质量问题的定义和分类:
     在SMT应用中,产品的焊接质量可以用以下的定义来描述。
“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回流焊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。
   焊点质量的判断:
    目前业界多数用来对焊接结果进行把关的手段,是采用MVI(目视)或AOI(自动光学检测),配合以ICT(在线电性测试)和FT(功能测试)。前者属于'外观'检验,虽然可以检出部分工艺问题,但还不能覆盖所有的外观故障模式。能力较强的是使用显微镜人工目检的做法。不过由于速度和成本关系并没有被采用。AOI速度效率虽然较好,但检出率还不太理想。后面的两种检测属于电性检测而非工艺检测。也就是是说,工艺问题必须要严重到在检测时已经造成电性问题或差异,这工艺问题才能被这两种方法检出。比如说,焊点太小的工艺问题,大部分时候并未能造成电性问题或差异。像这类工艺问题就无法被识别或检出。
    不论是前者的外观检测或是后者的电性检测,他们对焊点的寿命都还无法具有较高的检出率。先前我们谈到质量的外部和内部结构因素。在内部结构因素上,这些常用的做法都缺乏检验能力。所以严格来说,目前我们的检查技术,是无法提供足够的质量保证的。我将在将来的文章中和大家更深入的谈论质量保证方面的课题。
    回流焊温度曲线大观:
    在我们讨论一些回流焊接工艺故障之前,我们先来回顾一下回流焊接工艺的回流焊接曲线。以便我们稍后和故障模式对应。读者如果要知道有关回流工艺更详细的,可以参考2004年的“回流焊接技术的工艺要点和技术整合考虑”一文。
    一个典型的回流焊接工艺的时间/温度曲线类似以下图一所示。
从图中我们可以看到,整个回流焊接过程可以分5个工序。即是:
1.升温
2.恒温(也称预热或挥发)
3.助焊
4.焊接
5.冷却
    第一工序的升温目的,是在不损害产品的情况下,尽快使PCBA上的各点的温度进入工作状态。所谓工作状态,即开始对无助于焊接的锡膏成份进行挥发处理。
    第二个工序如其三个名称(恒温、挥发、预热)所表示的,具有三方面的作用。一是恒温,就是提供足够的时间让冷点的温度'追'上热点。当焊点的温度越接近热风温度时,其升温速率就越慢,我们就利用这种现象来使冷点的温度逐渐接近热点温度。使热冷点温度接近的目的,是为了减少进入助焊和焊接区时峰值温差的幅度,便于控制个焊点的质量和确保一致性。恒温区的第二个作用是对锡膏中已经没有用的化学成份进行挥发处理。第三个作用则是避免在进入下个回流工序,面对高温时受到太大的热冲击。
    助焊工序是锡膏中的活性材料(助焊剂)发挥作用的时候。此刻的温度和时间提供助焊剂清洗氧化物所需的活化条件。
    当温度进入焊接区后,所提供的热量足以熔化锡膏的金属颗粒。一般上器件焊端和PCB焊盘所使用的材料,其熔点都高于锡膏,所以本区的开始温度由锡膏特性决定。例如以63Sn37锡膏来说,此温度为183oC。升温超过此温度后,温度必须继续上升,并保持足够的时间使熔化的锡膏有足够的润湿性,以及能够和各器件焊端以及PCB焊盘间形成适当的IMC为准。
    最后的冷却区作用,除了使PCBA回到室温便于后工序的操作外,冷却速度也可以控制焊点内部的微结晶结构。这影响焊点的寿命。
    回流焊接工艺故障和曲线的关系:
以上提到的5个回流焊接工序中,每一部分都有它的作用,而相关的故障模式也不同。处理这些工艺问题的关键在于对它们的理解以及如何判断故障模式和工序的关系。
比如第一个升温工序,如果设置不当造成的故障将可能是'气爆'、'溅锡引起的焊球'、'材料受热冲击损坏'等问题。第二段的'恒温'工序可能造成的问题却不尽相同。这一工序的故障模式可能是'热坍塌'、'连锡桥接'、'高残留物'、'焊球'、'润湿不良'、'气孔'、'立碑'等等。在焊接过程中,炉子的特定温区负责处理曲线中的某一时间段或工序,但我们一般无法看到焊接的真正过程(目前的炉子并没有提供这些措施或方便,即使有些炉子安装玻璃窗口的也因为焊点小,窗口距离远而无法清楚观察)。而只能见到焊后的结果。如果要解决问题,我们就必须要具备能够从故障模式推断出相关工艺工序的能力。要做到这一点,除了需要有很好的现象观察和捕抓能力外,首先必须对各种故障现象的原理有很具体的认识(注一)。
    回流焊接的故障模式:
    在典型的回流焊接PCBA组装工艺中,回流焊接工序后经常是用户用做检查和质控点的地方。这里所观察到的问题,虽然不都是因为回流焊接工艺所引起的,但也有不少故障模式是和回流工艺的设置或控制不当有关。要有效和彻底的解决问题,我们必须对这些故障模式,包括回流和非回流工艺的,包括线上和线外的(注二),都给于研究和控制。 这才能发挥技术整合的作用。
如果我们把焦点只放在'回流焊接工艺'上,所常见到的故障模式有下列几种。
1.      润湿不良或不足;
2.      虚焊 / 弱焊(包括因为热能不足造成的,见注三);
3.      回流不足(焊料未全熔化);
4.      移位 / 飞料(包括'立碑');
5.      收锡 / 缩锡;
6.      锡流失(造成少锡或开焊);
7.      桥接 / 短路 / 连锡;
8.      锡球 / 锡珠;
9.      '爆米花'效应;
10.  器件的热损坏;
11.  焊点内出现气孔或真空孔;
12.  焊点粗糙;
13.  焊点表面出现裂痕或断裂;
14.  二次溶化(出现在混装工艺或双回流工艺上)。
    以上除了第2项的'虚焊 / 弱焊',部分第10项的'热损坏',以及第11项的'气孔'故障模式外,都是属于和'零时故障'和'外观'有关的。而在'可靠性'或'寿命'故障相关的故障模式中,我们还有另外的描述做法。这是将上述2,10和11项的3种故障模式通过使用中的破坏(或测试)模式来定义。常用的模式有以下几种:
1.疲劳断裂;
2.蠕变断裂;
3.抗拉(注四);
4.抗切(注四);
5.抗震;
6.抗撞击。
    '零时故障'的14项故障模式,和'可靠性'的6个故障模式有一定的关系存在。在适当的DFR(可靠性设计)和DFM(可制造性设计)下,如果能够保证'零时故障'的14个故障模式受控,我们可以在很大的程度上保证产品的'可靠性'。也就是这个关系,使我们得以通过较可行的生产质量管理和检验来做到对可靠性的保证。
    故障模式分析和解决案例:
在SMT技术中,所有故障模式都非单一因素所造成。把各个故障模式的因素找出来并进行研究,通过了解来控制各个要素是用户基础工艺工程师的主要工作。下面我们来看看一个故障原理的例子。希望通过这案例能使读者更好的认识技术整合应用的理念。
我们以第一种的润湿不良或不足的问题为例,这故障的成因牵涉到物料种类或特性、包装、库存、后勤搬运、工艺等多方面的因素。在供应链或产业化的角度来看,则牵涉到设计部、供应商、仓库后勤部、以及生产工艺等部门的工作。在技术整合管理的要求上,这些部门都必须对各自的责任进行配合定义,并确保各自做好本分工作。这样才能预防问题的发生。而所谓各自之间的配合,是指通过技术原理和成本利润考虑来给工作指标定义。所以在技术整合管理前,我们必须对整个组装技术进行足够的了解,才能使我们做出正确适当的决策。
    要确保润湿,首要的条件就是焊接金属的特性。'润湿'是一种相对特性,所以材料间的匹配是个关键。在一个使用回流焊接的典型焊点上,包括了三种材料。也就是器件的焊端、锡膏和PCB焊盘的表面镀层。从用户的角度来说,很不幸的,供应商们发明了不只一种,而是为数不少的配搭组合。在含铅技术中,虽然锡膏合金的种类不算多,但在PCB焊盘镀层上,尤其是器件焊端镀层上,却也出现了不少的选择。这些材料的相对润湿性并不一致。而更糟的是,但这些材料配合其他考虑因素时,例如同一PCBA上拥有众多的器件种类,各器件焊端的镀层厚度,焊端内层材料,焊端的电镀工艺,库存时间和条件等等后,更形成了一个可说是多变复杂的特性差异状况。材料的选用是用户设计部的工作,所以确保所选用材料适合本身或外加工厂的制造能力(注五)是个首要的工作。这就是技术整合管理中的DFM元素。这部分的工作做到位时,用户可以保证所要的物料具备适合程度的润湿性。
    用户设计部门通过整合分析指定材料的种类和镀层厚度后,保证润湿性的工作只是个开始,我们只知道技术的可行,而离开质量保证尚有一段距离。用户的下个关注项目是采购或供应商评估和质量监控。所选用的供应商,必须具备足够的制造技术和质量管理能力,以确保提供的材料都能符合设计部门的要求。包括金属或合金的纯度、镀层厚度、内层金属间的清洁度、电镀密度等等。做到这一步,用户就可以有效的确保来料是有润湿性保证的。
对于大多数用户来说,目前能采用JIT管理和运作模式的并不多,即使有推行的也只是局部关键物料的推行。所以器件物料的库存还是日常的运作和管理工作。一些行业的市场特性,以及一些管理水平较高的企业,一般的库存时间并不算长,也因此不成为质量问题的主因。但也有另外的一部分用户,由于行业市场特性,比如超小批量的生产,或成本压力等等,或是管理水平偏低等因素,造成库存时间偏长的现象。对于这些用户,库存管理就可能成为润湿性故障模式的一个重要控制环节了。做到这一步,用户能够确保物料在生产时具备良好润湿性的条件。
    另外一个必要的工作,就是建立起工艺能力了。也就是选择工艺和制定工艺特性参数。我们这里举的是回流焊接的例子,所以工艺选择也就是回流焊接。至于工艺特性参数,对'润湿不良或不足'这一故障模式而言,在于回流工序中的第二至四工序。也就是'挥发'、'助焊'和'回流'三个工序。其中尤其以后两道工序为主要控制点。'挥发'工序如果做得不好,残留的挥发物将影响助焊的效果,也就影响润湿的能力。'助焊'的时间如果控制不当,太短时助焊效率还没有被发挥出来,太长时出现重新氧化,也都影响或降低润湿性。所以这工序也必须有良好的温度和时间控制。'回流'的温度会决定润湿程度。温度越高时,熔化金属的表面张力越低,有利于润湿。所以提高温度是个加强润湿的方法。不过这当然有其限制,比如说我们必须同时照顾到高温可能造成的热损坏、变形等等问题。应该意识到的是,我们在实际工作中所面对的并不是一个温度均匀的单一焊点。而是千百个润湿性不一、温度不一,甚至连单一焊点本身温度都不均匀的焊点。而我们必须设置一个共同的温度和时间(炉子的链速)来处理它们不同的特性要求。这就要求工艺工程师必须要灵活的使用各种调制手段来制定最佳的设置了。
    让我们来看看一个实际案例。如下图二所示,是个焊端润湿不良的现象。熔化的锡并没有足够的爬升到器件的焊端上部(可以见到出现镀金的颜色),焊点在焊盘上形成圆顶拱起的形状。读者也可以看到最左边的焊点具有较完整的润湿。
 
    润湿不良
这现象的形成,是由于器件吸热大,焊端上的温度比起PCB焊盘上的温度来得低所造成。如果单只通过热耦测温,从温度曲线上是看不出的。因为热耦体形和连接方法的关系,无法细看到焊点上的温度分布,所以从显示'平均'值的温度曲线上我们无法看出这问题。不过通过观察焊点我们可以推断出这现象的成因。
   当时这故障的记录程度是介于47%到65%的不良率水平范围内。图三显示了当时的温度设置数据。
                       
     了解到问题的原理后,我对该产品的温度曲线进行重新调整。在照顾到其他焊点仍然在工艺规范内的情况下,我尽量使该器件的焊端温度上升。而最终决定了采用以下图四的设置数据。
   工艺调整后炉温设置
    改善后生产的723块PCBA的不良率降到0,属于完全解决。图五为改善后熔锡爬升的状况。
    改善后润湿情况
    另外一个案例如图六所示,也是润湿不良的状况。从图六中我们可以看到焊点的锡堆积在焊盘上而没有很好的爬升,只在器件的焊端下方有润湿的迹象。不过这并非工艺调制所能补偿的问题。其实际问题是属于物料不良引起,而问题的严重性超出了工艺补偿的能力范围。从图七中我们可以看到问题的所在。供应商在焊端上的切割打磨过度,甚至严重到保护镀层已经被除去而露出基材的颜色。基材的过度氧化使锡膏中的助焊剂无法清除而造成润湿不良。这点当时在个别器件的可焊性测试中就很明显的看出。
    润湿不良
    器件焊端不良
    以上的第二个案例,基本原因就是该用户在技术整合中忽略了供应商方面的评估管理,或是在这方面做不到位。而不像第一个案例中是用户内部工艺可控的因素。就如本节开始时所说的,SMT故障一般不是单一原因造成。这两个'润湿不良'按例虽然具有相同的故障现象,成因和应该采取的解决方法却不一样。SMT的复杂组合,几乎使得每次的故障处理都是个全新的分析和调整过程。以上的案例也只是当时情况的一个反映,读者不应该死记硬背的去使用这经验。因为你的'故障模式'或现象虽然类似,但个别情况可能不同。比如在第二案例中,供应商可能告诉你他供应的另外一个客户没有这类问题,而由此推理说不是器件物料的问题(注六)。事实上供应商的另外客户没有见到这问题,有可能是因为使用的锡膏不同,具备较强的助焊剂,或使用水洗技术;甚至也有可能是因为产品工艺难度不同(设计相关),以及设备能力不同的因素造成他们的确很少有这问题。这就是SMT这门综合技术的特质,就是我大力推广技术整合应用和管理的原因。我们对质量等所有整合因素之间的定义必须清楚,才能有效的解决和避免各种问题。
    要很好的解决回流问题,需要我们对整个SMT工艺原理以及其他相关元素方面的清楚认识并进行适当程度的控制。这些元素包括了在本系列文章中首篇“技术整合概念”中所提到的设计、材料、设备、工艺和质量管理5个方面。记得质量是个结果,要结果合格,只有通过输入以及过程的控制才能做到。这也是零缺陷的基本概念。而这输入和过程的可控性,还必须通过其他一系列的设计、采购、供应商管理、基础工艺研发等等功能和活动来给于保证。这就是技术整合工作。
    注一:SMT工艺工程师和质量工程师们,应该培养起一种对故障现象很敏锐的观察能力。从故障焊点以及其周边,甚至PCBA以外的生产环境收集和得出一般人所不能得到的信息。这是一种技能。而这种技能必须建立在专业技术基础上,也就是SMT焊接和组装原理上,才能够发挥最高的效益。
    注二:'线上'是指在生产线上,由于工艺、设备工具或操作所造成的问题。'线外'是指生产线以外的其他因素,例如设计(DFM)、物料供应商、库存、物流、后勤等所造成的问题。
 
    注三:焊接热能不足的情况下,可能形成表面上看似完好的焊点。但由于IMC没有很好形成,这类焊点的寿命可能不足,所以归为'虚焊'或'弱焊'类。有些用户将这类故障称为'冷焊'。由于造成虚焊或弱焊的原因不只是'冷',所以这里我不把'冷焊'的名称加入并列。而冷焊的结果就是'虚焊'或'弱焊',也因此不将'冷焊'另外列出。
    注四:可靠性测试中有常用的'弯曲'测试,是属于'抗拉'和'抗切'的综合效应测试。
    注五:这里的'制造能力'是广义的。包括了工艺、采购、库存等方面的能力。
    注六:SMT技术的因果关系复杂,经常不是直觉上能够做出准确判断的。尤其是在设计最佳方案时。国内惯用的'以前没有问题','其他用户没有问题'的观念和心态必须改正过来。才能造就一流的工程师和技术管理人才。

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