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你可能沒那么重視的焊膏選擇,其實正是電子組裝成功的關鍵
上傳更新:2018-08-30

原創: Jason Fullerton 2018-08-30

作為焊料制造商的技術支持工程師,我會開玩笑地說,沒有人會因為簡單的問題打電話尋求幫助。現有的用戶和潛在的用戶常常會問一個常見的問題,就是“我該如何測試和評估新的焊膏?”

 

這個問題看起來很簡單,回答起來似乎也不難,但實際情況遠不是這樣。對于正在尋找新的焊膏的組裝廠商來說,由于根據評估結果而做出的最終決定將影響工廠未來幾年的運營,因此,評估方法至關重要。不過,評估焊膏有幾個基礎因素,最佳評估方法因人而異,因此,不同的使用者得到的結果也各不相同。說得更簡單些,對于如何評估焊膏這個問題,最佳答案可能是“要視具體情況而定”。換句話說,就是“你更看重的是什么?”

 

所以說,如果每個人的最佳答案都不一樣,那該如何開始制定測試計劃呢?最好是先從了解評估機構分配用于評估的資源開始,這通常指的是評估機構的規模。如果是一家只有一條SMT生產線且只有一名專職工程師的小型制造商,那他只能把精力放在最重要的因素上,也就是焊膏性能。另一方面,如果是一家擁有很多分支機構的大型制造商(甚至是跨國制造商)在做評估,而且是在專家團隊的指導下進行測試,那么測試計劃會包含所有可能的性能因素,其涉及的范圍會非常廣。比較全面的評估可能還會利用定制的或針對具體的測試目標而專門設計的測試設備,甚至可能要在多個地方而不是在一個地方重復做多次測試,而比較小的機構可能只局限于在生產計劃中斷期間對當前的產品設計或原型產品設計展開測試。任何測試計劃的深度和廣度都是由有效參與的可用資源來決定的,而且不能超負荷運行,因此,需要耗費大量的時間才能確定結果。

 

既然搞清楚測試計劃的大致范圍,下一步就是確定要做的測試的具體的關注點。所有評估都要調查清楚的兩個關鍵點是:質量和可靠性。

 

美國質量學會(ASQ)定義的質量是“產品的特性等應符合其陳述的或隱含的需求的能力”。在這種情況下,關注點是由焊膏印刷工藝和回流焊工藝決定的關鍵工藝輸出變量(KPOV),用來保證最終生產出來的印刷電路板組件(PCBA)的質量。這會隨產品的功能和設計的變化而變化,所以這些關鍵因素會隨著組裝廠商改變。如果制造商有工藝控制計劃,不管是什么工藝,找到KPOV最理想的著眼點是從工藝控制計劃入手。這些因素都是在目前的工藝中受到控制或經過檢查的因素,說明組裝廠商在努力使產品達到規范的要求。

 

最明顯的KPOV來自焊膏檢查(SPI)系統:焊膏印刷體積,通常是以轉移效率來計算(實際的印刷體積除以模板孔的理論體積,用百分比來表示)。其他以SPI為基礎的輸出包括面積覆蓋范圍和高度,這作為體積測量的補充。因為轉移效率的分布將以面積比(A/R)的函數來表示,所以分析每個孔的SPI數據非常重要,它是模板面積比的函數。把所有數據整合在一起將得到整體的數據分布情況,這是由許多不同的子數據分布組成的。例如,(按照IPC/ANSI-J-STD-005的要求),如果使用的是四型粉末尺寸分布的焊膏,面積比超過0.8的孔的轉移效率非常接近100%,焊膏尺寸分布的變化非常小。同樣的焊膏,在面積比為0.50的孔上測試,焊膏尺寸分布的差別就非常明顯,預計的轉移效率會比較低,變化也會比較大。把從多個不同面積比的孔得到數據結合起來,特別是在有過多的數據點是取自所有焊膏都能夠從容地做出好的結果的位置時,可能會掩蓋焊膏的真實性能水平。

 

與印刷性能有關的其他因素可能包括:塌陷表現,在生產短暫停頓后的表現,以及模板壽命。這里列出的問題當然并不全面,而且任何對組裝工藝來說非常重要的因素在評估中都是測試的選項。比較小規模的評估可能可以依靠制造商來進行測試,實現測試方法的標準化,比如熱塌陷和冷塌陷,在評估過程中,可能需要分配更多的資源來重復這些測試。規模更大的評估可能還要開發獨特的測試或測試工具來反映在他們的應用中遇到的特殊問題或獨特要求;評估測試開發的限制在于人的想象力和可用的資源。

 

回流焊是可以用評估測試實現質量測量的另一個領域。焊點中的氣泡可能是最明顯的情況,而且可以在回流焊之后進行相關的質量測試。其他方法還包括測試焊膏的潤濕和擴散、防止葡萄狀焊點、焊球的性能,以及枕頭效應和沒有潤濕的開路等缺陷。在測試開發期間,重點是識別從回流焊得到的關鍵輸出,它與工藝有關,就像對印刷質量所做的那樣,要時刻關注資源的限制。

 

可靠性是第二個主要因素,任何評估都不能把它給落下。根據美國質量學會對可靠性的定義,“產品的可靠性是在規定的條件下執行其預期的功能,并且在一定的時間內不出現故障”。對焊膏而言,可靠性的要求集中在兩點:由焊料合金決定的機械特性和由助焊劑化學特性決定的電化學特性。

 

可靠性測試需要了解最終產品的運行環境,這就是為什么正確的測試非常依賴于組裝件的設計,客戶會如何使用它(也就是“執行其預定的功能”),客戶計劃在哪里使用它(也就是“在規定條件下”),以及保修期的時限或客戶預期的產品壽命(“在一定的時間內不出現故障”)。這需要在開發產品中通過設計功能來定義,因此,只要是執行設計和制造的機構都可以很輕松地確定這些因素。從另一個角度來看,合同制造商很少去關注這些產品因素,在制定可靠性測試計劃過程中,要么需要選擇有代表性的測試,要么要同客戶協商。

 

不幸的是,可靠性測試的成本并不低,而且進展速度也不能太快,因此,在比較小型的評估中,這很容易做出不做這項測試的決定,但做這樣的選擇存在一定的風險。影響可靠性的因素在制造期間是很難觀察到的,但是,隨著時間的推移,在決定采用某種新材料的很長一段時間之后,用戶的滿意度差就說明可靠性有問題。微軟的Xbox 360的“三紅現象”就是個很典型的可靠性問題的例子,在最初的測試中沒有檢測出可靠性的問題,但是到了實際的應用環境,大面積地出現可靠性問題,這說明如果在必要時沒有做關鍵的可靠性測試,其產生的后果會非常嚴重。

 

合金是推動機械性能測試的主要原因,因此在多數情況下,任何一家想用另一種SAC305焊膏取代當前使用的SAC305焊膏的制造商都可以依靠過去的測試,但是在幾個微分市場(例如,醫療、航空航天和汽車等市場)中可能存在例外的情況。機械性能可靠性的測試樣例包括振動、跌落/沖擊、熱循環和耐高溫測試。振動和跌落/沖擊測試機械應力的健狀性,熱循環測試的熱疲勞壽命,以及高溫耐久性測試的抗蠕變性。這些測試的具體參數,例如溫度、測試持續時間、振動幅度和跌落高度嚴重依賴產品和它預期的運行環境。

 

電化學可靠性測試對免清洗工藝至關重要。電化學可靠性測試要求使用溫度/濕度/偏差度(THB)測試條件。在材料層面,供應商使用各種不同的表面絕緣電阻(SIR)測試證明他們的材料符合規范要求的最低性能水平。但是,這些測試都使用一種特定的偏差度、設計和環境條件組合,這樣,它們無法復制所有可能的設計組合。因此,在暴露在適當的環境條件下,在通電的情況下在組裝件上測試,這對檢驗免清洗助焊劑是否適合至關重要。

 

潛在的電化學可靠性缺陷測試對在焊接完成后需要進行清洗的工藝也很重要,但是,這些工藝需要注意確保在清洗后的清潔度。使用清洗的工藝通常依靠在測試組件上的提取物測試(例如,溶劑提取物的電阻、離子色譜、離子色譜法),來證明清洗工藝的有效性。在提取測試存在限制時,還可以在組件清洗完成后執行用于免清洗組件的THB測試,確保經過清洗的組件達到可靠性的要求。需要注意的是,在沒有經過清洗的免清洗材料上進行提取測試,是單獨使用的并且與在組裝件上平行展開的THB測試沒有關聯關系,這不適合作為可靠性評估測試。

 

最后,只要是好的測試計劃都非常重視在受到控制的環境中保持條件始終不變的情況下開發定量測量。如果在分析過程中在數據中發現異常,那么就可以認為數據可能存在問題,需要搞清楚出現異常的原因并消除它。在一些例子中,可能還需要重新做測試,而好的評估,在測試過程中不會出現有一小部分焊膏因特殊情況而出現不正確的數據。不要害怕和拒絕糟糕的數據,哪怕這是個不受歡迎的選擇!你可以跟蹤好的數據,它可以告訴你如何選擇焊膏并預測在未來的幾年里有可能幫助你取得成功的焊膏。重點應該是執行良好的測試并且在最后一次嘗試中收集好的數據,而不是一味地要求在第一次就把測試做得盡善盡美,也不要想著只做一次測試。

 

作者簡介:Jason Fullerton是Alpha Assembly Solutions公司客戶技術支持工程師。

 

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