作者:電信科學(xué)技術(shù)儀表研究所有限公司/王琳濤;
北京航星科技有限公司/熊京寧
本文來(lái)源:北京電子學(xué)會(huì)智能制造委員會(huì)/劉海濤提供
近年來(lái)隨著成本原因以及環(huán)境保護(hù)和清潔生產(chǎn)的要求,越來(lái)越多的電子廠(chǎng)商在PCBA生產(chǎn)制程中采用免清洗或簡(jiǎn)單清洗工藝,也就是在焊接過(guò)程中采用免清洗助焊劑。對(duì)于非高可靠性的電子產(chǎn)品,采用免清洗工藝可以達(dá)到減少工序、降低成本、減少有毒有害溶劑揮發(fā)等目的。然而,眾多電子廠(chǎng)商發(fā)現(xiàn),采用免清洗或者簡(jiǎn)單清洗工序后,如果不能保證板面的污染物殘留干凈,一些PCBA組件經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存或客戶(hù)端使用一段時(shí)間后更易產(chǎn)生板面腐蝕甚至電路開(kāi)路失效。
1.印制板組件污染物的來(lái)源
1)元器件引線(xiàn)上的污染;
2)裝聯(lián)操作中產(chǎn)生的污染;
3)助焊劑的污染;
4)焊接過(guò)程中的污染;
5)工作環(huán)境的污染。
2.污染物的危害
1)化學(xué)污染的危害;
2)物理污染的危害;
3)機(jī)械污染的危害;
4)光學(xué)污染的危害。
由于上述化學(xué)的、物理的、機(jī)械的、光學(xué)的污染,造成對(duì)電路性能的危害,導(dǎo)致改變或終止電路的正常信號(hào)的功能,出現(xiàn)電路中斷、電阻增加、局部發(fā)熱氧化、甚至電路短路,當(dāng)在較高溫度和濕度作用下,還會(huì)產(chǎn)生漏電流,介電常數(shù)及損耗系數(shù)的改變等不良現(xiàn)象,最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。
3.電子組裝中的清洗工藝設(shè)計(jì)
清洗工藝按清洗方式可分為人工刷洗、浸泡清洗、噴淋清洗、超聲波清洗、氣相清洗、微相清洗、等離子體清洗及超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗,在SMT行業(yè)多采用前五種清洗方式。
清洗效果的影響因素主要包括工藝參數(shù)和制程工藝。工藝參數(shù)主要包括清洗功率、清洗劑酸堿度、清洗劑溫度、清洗劑濃度、噴嘴形狀設(shè)計(jì)和清洗工藝設(shè)計(jì),制程工藝主要包括元器件封裝及布局、PCB設(shè)計(jì)、焊接工藝、焊后停留時(shí)間和助焊劑類(lèi)型和使用。
清洗工藝應(yīng)該滿(mǎn)足不同助焊劑類(lèi)型要求,同時(shí)其清洗工藝與現(xiàn)有設(shè)備和工藝相匹配,生產(chǎn)工藝可控,滿(mǎn)足苛刻環(huán)境要求,同時(shí)成本較低。
本文重點(diǎn)介紹工藝參數(shù)固定的情況下,采用噴淋清洗工藝中,我們選擇的清洗工藝是否滿(mǎn)足要求,又如何判斷非目視焊點(diǎn)助焊劑清潔度是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn),使驗(yàn)證可視化,優(yōu)化清洗工藝,并綜合考量如何更加有利于節(jié)約清洗劑。
4.助焊劑對(duì)焊點(diǎn)的影響
在印制電路板上組裝焊接各種元件、集成電路、芯片、各種連接器、開(kāi)關(guān)等組件時(shí)離不開(kāi)助焊劑來(lái)輔助焊接。
助焊劑組成材料包括:松香(RO)、樹(shù)脂(RE)、有機(jī)(OR)和無(wú)機(jī)(IN)。助焊劑殘留物活性分:低活性、中等活性和高活性。
助焊劑鹵化物重量百分比:<0.05%表示無(wú)鹵化物、其他數(shù)值代表有鹵化物。焊劑當(dāng)中的鹵化物活性劑常用來(lái)提高焊劑的活性,但是在焊接過(guò)程中,這些活性劑會(huì)和各種成分發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)形成金屬的鹵酸鹽。
具體要求見(jiàn)下表。
對(duì)于高可靠性產(chǎn)品:
《GJB 3243》中規(guī)定,錫膏中焊劑可采用GB 9491中規(guī)定的R型、RMA型焊劑。不準(zhǔn)使用RA型焊劑和OA型焊劑。如采用免清洗焊劑,應(yīng)預(yù)先在合同中規(guī)定。
《航天禁限用工藝》中規(guī)定,采用焊劑芯焊料或液態(tài)焊劑時(shí),不能采用不符合GB9491的R型或RMA型焊劑。導(dǎo)線(xiàn)、電纜的焊接不應(yīng)使用RA型焊劑,其它場(chǎng)合使用RA型焊劑應(yīng)得到有關(guān)部門(mén)的批準(zhǔn)。
對(duì)比國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn),國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)松香型標(biāo)識(shí):“RO”,國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)松香型標(biāo)識(shí):低活性“R”,中等活性“RMA”,高活性“RA”,具體見(jiàn)下表。
常用的松香助焊劑由松香樹(shù)脂組成,而松香樹(shù)脂的主要成分是松香酸,松香酸的分子中有不飽和的雙鍵,因此特別容易氧化。印制電路板在焊接受熱時(shí),松香酸迅速氧化,形成過(guò)氧化物和酮化合物,并且殘留物附著在焊點(diǎn)表面。助焊劑中的松香本身是不溶于水的,但助焊劑在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中,會(huì)吸收空氣中的潮氣,即使沒(méi)有濕度的影響,僅僅環(huán)境的變化,日夜交替,松香或樹(shù)脂開(kāi)裂(見(jiàn)下圖),與空氣當(dāng)中的水分和二氧化碳發(fā)生反應(yīng),形成碳酸鹽。反應(yīng)物將造成對(duì)電路性能的危害,導(dǎo)致改變或終止電路的正常信號(hào)的功能,出現(xiàn)電路中斷、電阻增加、局部發(fā)熱氧化、甚至電路短路,當(dāng)在較高溫度和濕度作用下,還會(huì)產(chǎn)生漏電流,介電常數(shù)及損耗系數(shù)的改變等不良現(xiàn)象,最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。
若在焊點(diǎn)表面殘留某些含有如鹵素離子(如含鹵素的活性松香助焊劑、空氣中存在含有氯的鹽霧成分及汗?jié)n等)的殘留物,那么在鹵素離子的作用下將發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng),生成腐蝕產(chǎn)物,見(jiàn)下圖。而且只要環(huán)境中有水和二氧化碳,這種腐蝕過(guò)程將永無(wú)休止地循環(huán)下去,直到焊料中的鉛全部被消耗殆盡,從而使電子裝備徹底損壞。因此研究焊后PCBA表面的清潔度狀況對(duì)于某些高可靠性產(chǎn)品是非常重要的。
對(duì)于高可靠電子產(chǎn)品,不論是通孔插裝還是表面組裝,無(wú)論采用哪一種工藝,在再流焊、波峰焊、浸焊或者手工焊后,也無(wú)論選用哪一種助焊劑,包括采用免清洗助焊劑后,印制電路板組件都必須進(jìn)行嚴(yán)格的、一絲不茍的、有效清洗,以除去助焊劑殘留物和各種污染物。特別在在高密度、高精度組裝中,由于助焊劑可進(jìn)入表面組裝元器件和基板之間的微小間隙,從而使得清洗顯得更加困難也更顯重要和必要。
在PCBA清洗時(shí),清洗劑對(duì)PCBA焊點(diǎn)表面潤(rùn)濕、溶解、乳化、皂化和螯合作用等,并通過(guò)噴淋方式施加一定的機(jī)械力將污染物從PCBA焊點(diǎn)表面剝離下來(lái),直至焊點(diǎn)周?chē)鸁o(wú)白色殘留物,然后漂洗或沖洗干凈,最后吹干、烘干或自然干燥。
5.PCBA焊點(diǎn)助焊劑檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
a.《IPC-A-610G 電子組件的可接受性》對(duì)助焊劑的評(píng)判和分析
運(yùn)用這些要求時(shí),需要鑒別和考慮助焊劑的分類(lèi)(見(jiàn)J-STD-004)和組裝工藝,即免清洗型、清洗型等。
目標(biāo)-1,2,3級(jí)
?清潔,無(wú)可見(jiàn)殘留物。
可接受-1,2,3級(jí)
?對(duì)于清洗型助焊劑,不允許有可見(jiàn)殘留物。
?對(duì)于免清洗工藝,可允許有助焊劑殘留物。
缺陷-1,2,3級(jí)
?可見(jiàn)的清洗助焊劑殘留物,或電氣配接面上的活性助焊劑殘留物。
注1:經(jīng)認(rèn)證測(cè)試合格后,一級(jí)可接受。還要檢查元器件內(nèi)部或底部截留的助焊劑殘留物。
注2:助焊劑殘留物活性的定義見(jiàn)J-STD-001和J-STD-004。
注3:指定的“免洗”工藝必須滿(mǎn)足最終產(chǎn)品的清潔度要求。
b.《GJB 5807-2006軍用印制電路板焊后清洗要求》對(duì)清潔度評(píng)估要求
項(xiàng)目 | 一級(jí)電子產(chǎn)品 | 二級(jí)電子產(chǎn)品 | 三級(jí)電子產(chǎn)品 |
目視檢查 | 表面允許有少量不影響外觀(guān)的殘留物存在,且殘留物應(yīng)不覆蓋測(cè)試點(diǎn)。 | 面應(yīng)無(wú)明顯殘留物存在,且殘留物應(yīng)不影響焊點(diǎn)目視檢查,并應(yīng)不覆蓋測(cè)試點(diǎn)。 | 表面應(yīng)無(wú)殘留物存在。 |
表面離子殘留物 | 離子殘留物含量應(yīng)不大于10.0ug(NaCl)/cm2。 | 離子殘留物含量應(yīng)不大于5.0ug(NaCl)/cm2。 | 離子殘留物含量應(yīng)不大于1.56ug(NaCl)/cm2。 |
助焊劑殘留物 | 助焊劑殘留物總量應(yīng)不大于200 ug/cm2。 | 助焊劑殘留物總量應(yīng)不大于100 ug/cm2。 | 助焊劑殘留物總量應(yīng)不大于40 ug/cm2。 |
表面絕緣電阻測(cè)量 | 表面絕緣電阻都應(yīng)不小于100MΩ |
松香型助焊劑,正常時(shí)由于其中含鹵素的活性物質(zhì)被松香樹(shù)脂包圍著,在一定環(huán)境條件下不會(huì)出現(xiàn)腐蝕性。如果清洗方式或清洗程序選擇不當(dāng),它只能清洗松香而無(wú)法去除含鹵素的離子,就會(huì)加速腐蝕;對(duì)于不含鹵素的松香型助焊劑,如果清洗不徹底(見(jiàn)下NG圖),白色殘留物吸潮,導(dǎo)致信號(hào)異?;蚨搪?。
雖然《IPC-A-610G》和《GJB 5807-2006》給出了助焊劑污染物的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和具體的要求,但是對(duì)每一個(gè)批次或者每一個(gè)產(chǎn)品都進(jìn)行測(cè)量和評(píng)定,成本又是高昂的。
松香型助焊劑較易清洗干凈,板卡干凈與否最直觀(guān)的檢驗(yàn)就是焊點(diǎn)周?chē)袩o(wú)白色殘留物(見(jiàn)右OK圖),所以我們只要驗(yàn)證無(wú)白色殘留是否可以滿(mǎn)足板卡清潔度要求即可。
6.清洗模擬試驗(yàn)
從理論上講,PCBA能否清洗干凈,基于最小元件離板距離(Stand off)與該元件的對(duì)角線(xiàn)距離。如果對(duì)應(yīng)關(guān)系不滿(mǎn)足相互關(guān)系,則元件焊點(diǎn),特別是球柵陣列封裝更容易殘留雜質(zhì)。如果不能達(dá)到最小的離板距離(Stand off),對(duì)元件下的適當(dāng)清潔是困難的,這種情況下推薦使用免洗助焊劑。
下表顯示推薦的元件離板距離的相互關(guān)系。
元件離板距離(Stand off) | ||
元件對(duì)角線(xiàn) | 元件表面積 | 元件離板距離(stand off) |
≤50 mm | ≤2500 mm2 | ≥0.5 mm |
≤25 mm | ≤625 mm2 | ≥0.3 mm |
≤12 mm | ≤144 mm2 | ≥0.2 mm |
≤6 mm | ≤36 mm2 | ≥0.1 mm |
≤3 mm | ≤9 mm2 | ≥0.05 mm |
焊點(diǎn)周?chē)咨珰埩粑锔蓛襞c否,可以通過(guò)放大鏡等裝置進(jìn)行檢驗(yàn),但對(duì)于BGA、LGA等球柵陣列封裝的器件,無(wú)法直接檢驗(yàn)是否清洗干凈,則無(wú)法判定我們的清洗工藝選擇是否有效?我們又有什么方法來(lái)檢驗(yàn)?zāi)兀?/span>
將物料拆焊,焊點(diǎn)狀態(tài)會(huì)破壞,無(wú)法判斷是否清洗干凈,最好的辦法就是物料不拆焊,能夠直接檢驗(yàn)。
球柵陣列(BGA)器件焊點(diǎn)可視化判斷清潔度的方法:
PCBA焊接完成后,焊點(diǎn)周?chē)鷷?huì)有透明助焊劑殘留,球柵陣列(BGA)器件類(lèi)焊點(diǎn)在本體下方,無(wú)法直接目視,清洗后無(wú)法直接判斷有無(wú)助焊劑殘留和白色殘留。此方法可以直接目視判斷焊點(diǎn)有無(wú)清洗干凈。
選用不同尺寸的透明片,不同尺寸的焊球,模擬不同封裝球柵陣列器件清洗后狀態(tài),可視化驗(yàn)證清洗工藝選擇有效性,也可以對(duì)清洗工藝選擇和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義,輔助判斷清洗工藝選擇正確性。
PCBA可視焊點(diǎn)可以通過(guò)40X放大鏡觀(guān)察焊點(diǎn)間有無(wú)助焊劑殘留和有無(wú)白色殘留物,對(duì)于球柵陣列(BGA)器件非可視焊點(diǎn)無(wú)法直接觀(guān)察,無(wú)法證明是否符合《GJB 5807-2006》三級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),可以通過(guò)以下方法驗(yàn)證球柵陣列(BGA)器件焊點(diǎn)可視化判斷清洗是否合格,并固化清洗參數(shù)。
球柵陣列(BGA)器件焊球尺寸和封裝尺寸見(jiàn)下表:
球柵陣列(BGA)焊球尺寸
焊球標(biāo)稱(chēng)直徑(mm) | 焊球間距pitch(mm) | 塌陷高度約值(mm) | 焊盤(pán)直徑范圍(mm) |
0.75 | 1.5,1.27 | 0.575 | 0.60~0.50 |
0.60 | 1.0 | 0.456 | 0.50~0.40 |
0.50 | 1.0,0.8 | 0.382 | 0.45~0.35 |
0.45 | 1.0,0.8,0.75 | 0.349 | 0.40~0.30 |
0.40 | 0.8,0.75,0.65 | 0.312 | 0.35~0.25 |
0.30 | 0.8,0.75,0.65,0.50 | 0.238 | 0.25~0.20 |
0.25 | 0.40 | 0.177 | 0.20~0.17 |
0.20 | 0.30 | 0.152 | 0.15~0.12 |
部分球柵陣列(BGA)封裝尺寸
單位:mm | ||||||||
外形尺寸 | 5*5 | 7*7 | 10*10 | 15*15 | 25*25 | 30*30 | 45*45 | 50*50 |
準(zhǔn)備包含有不同焊球間距焊盤(pán)的PCB裸板和相應(yīng)球柵陣列(BGA)封裝尺寸的透明片,在裸板球柵陣列(BGA)器件焊盤(pán)上進(jìn)行刮膏,根據(jù)球柵陣列(BGA)焊球尺寸表格中的不同焊球間距焊接后塌陷高度進(jìn)行植球。
焊接完成后,焊點(diǎn)周?chē)竸埩舨磺宄ㄒ?jiàn)下圖),將相應(yīng)尺寸透明片固定在植球焊盤(pán)上,形成類(lèi)BGA焊接狀態(tài)。將不同封裝尺寸和焊球間距進(jìn)行組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同封裝的BGA焊接。
PCBA制作完成后,選擇合適的清洗參數(shù)對(duì)其進(jìn)行清洗,清洗結(jié)果可視化判斷BGA類(lèi)器件是否已經(jīng)清洗干凈。PCBA干凈與否最直觀(guān)的檢驗(yàn)就是焊點(diǎn)周?chē)袩o(wú)白色殘留物(見(jiàn)下圖),所以我們只要檢驗(yàn)無(wú)白色殘留即可證明PCBA清潔度符合《GJB 5807-2006》三級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
有助焊劑殘留或白色殘留物,表示未清洗干凈;
2.無(wú)助焊劑殘留或白色殘留物,表示清洗干凈。
在確定清洗方式時(shí),也要考慮到清洗過(guò)程中板卡之間的相互影響,即陰影效應(yīng)。PCBA擺放時(shí),垂直向下看時(shí)不能有板之間的遮擋,以防止陰影效應(yīng),見(jiàn)下圖。
噴淋旋轉(zhuǎn)清洗機(jī),腔體內(nèi)四角無(wú)法直接噴淋導(dǎo)致清洗效果較弱,所以清洗密間距芯片板卡禁止擺放清洗機(jī)艙內(nèi)四角。
PCBA清洗時(shí)密間距器件面斜向上,接插件、CPCI、RJ45等三面密封連接器或高連接器,將連接器的開(kāi)口朝向側(cè)面或下面,避免高連接器在清洗時(shí)對(duì)矮件造成的陰影效應(yīng),并防止器件密封腔截流清洗劑,造成浪費(fèi)。
以上都是我們?cè)谶x擇和優(yōu)化清洗工藝時(shí)必須要考慮的前提。
7.結(jié)論
對(duì)比前后清洗效果,玻璃片下助焊劑殘留消失,且無(wú)白色殘留物,無(wú)白色殘留物是否滿(mǎn)足板卡清潔度評(píng)估要求,需要到檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步驗(yàn)證,如果驗(yàn)證成功,則可以證明清洗工藝選擇正確。
此種方法,可以從側(cè)面佐證自己的清洗工藝選擇是否正確,球柵陣列器件是否清洗干凈,從而固定產(chǎn)品清洗工藝,避免重復(fù)到檢測(cè)機(jī)構(gòu)鑒定,節(jié)約成本。
條件允許的情況下,在不同封裝BGA焊盤(pán)上植相應(yīng)尺寸的焊球,將玻璃板固定在上面進(jìn)行清洗,使模擬更貼近實(shí)際,驗(yàn)證BGA底部焊點(diǎn)清洗效果,有無(wú)白色殘留物,是否清洗徹底。
PCBA間擺放間隙與尺寸之間的關(guān)系也值得我們深究,只有把各方面的參數(shù)摸索清楚,才能夠優(yōu)化我們的清洗工藝,節(jié)約成本。
原文標(biāo)題:球柵陣列器件焊點(diǎn)清洗可視化檢驗(yàn)
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