焊盘连锡(单板（PCBA）可靠性之工艺篇)

Posted 2023-06-02

篇首语：壮心未与年俱老，死去犹能作鬼雄。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了焊盘连锡(单板（PCBA）可靠性之工艺篇)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

焊盘连锡(单板（PCBA）可靠性之工艺篇)

工艺可靠性是单板可靠性管理的重要一环，它贯穿到单板工艺设计，治工具准备，工艺路线，生产制造，检验包装等各个环节之中。涉及面广，经手人多，必须与质量控制，人员操作，设备保养，加工环境，品质检验等制造要素结合起来才能得到满意的效果。

4.1 工艺可靠性与周边管理和技术的关系

本文所将周边管理和技术是指单板从输入图纸到输出产品实物之间的生产，技术和质量所需管理工具和技术工具的集合。包括但不限于生产管理，产品变更管理，设备管理及维护（TPM），3定5S，QC7大手法，物料接收/存储和回收…等。之所以将工艺可靠性与周边管理和技术的关系拿到第一点进行论述，是因为产品的生产过程是一个综合的，各种技术/管理/流程/物料进行有序进出和加工的不可分割的过程。单独强调某个因素是没有意义的。不关注和理顺周边管理和技术的话，即使工艺可靠性做的再好，也可能工艺可靠性根本无法实施或者得不到预期的结果。某个因素的好可能被其他因素的不好完全抵消掉。

所以，要想提升单板工艺可靠性，第一要务是强化工厂的基础管理。基础不牢，地动山摇。建在沙滩上的工艺可靠性是不行的。

4.2 工艺可靠性与工艺设计的关系

工艺设计是围绕单板加工路线的整体解决方案。工艺可靠性70%的决定因素是工艺设计。好设计差制造比差设计好制造的可靠性高很多。单板有纯插件，纯贴片和混装工艺。不同路线（如图8所示）对工艺方案和可靠性有不同影响。总结的工程经验如下（后面持续更新中，欢迎读者补充）：

图8 工艺路线示意图

--工艺介入越早，可靠性越高；

--单面装联比双面装联可靠性高

--贴片比插件可靠性高

--加装铆钉比直接插入可靠性高

--金属化插件孔比废金属化插件孔可靠性高

--完全贴片比混装工艺可靠性高

--加工栈数越少可靠性越高

--盲孔，埋孔的可靠性低

--FR-4比碳膜板可靠性高

--助焊剂清洗比不清晰可靠性高

--低温焊锡膏（含Bi）可靠性低

--机插比手插可靠性高

--点胶固定（underfill/globtop）比不点胶固定可靠性高

--焊点金属间化合物厚度Imc∈(2~5) μm可靠性高

--加工应力越低可靠性越高，一般小于500

--PCB表面电镀镍金比喷锡/OSP可靠性高

--PCB表面镍金电镀比化学镀可靠性高

--PCB表面镍钯金比镍金可靠性高

--红胶工艺CHIP元件不要在内侧加二次阻焊（如图9所示）

图9 红胶工艺不建议二次阻焊示意图

4.3 SMT

单板四大主流工艺（SMT/DIP/点胶/维修）之首。90%的单板必经的工艺门类。是工艺可靠性的重中之重。这里也将总结的工程经验分享如下：

4.3.1 SMT 前加工：PCB和元器件的存储要在规定的温湿度下进行（建议温度：25±2℃，湿度：40%~70%RH）;湿敏元器件要进行严格管控（建议IPC-033C标准）；PCB上线前烘烤（建议125±5℃，8H，残氧量<1000ppm）;

4.3.2 印刷:锡膏存储和解冻管理（建议存储10±2℃，解冻4H，搅拌5min,在使用日期内使用，超过使用日期，要添加阻焊剂并进行印刷回流验证，并x-ray, AOI，VMI并切片测量Imc）；使用顶针/印刷托盘/印刷模具减少PCB变形； SPI体积转移比在合理区间（建议50%~150%）；PCB放入托盘动作规范化或者防呆托盘；印刷模板设计优化（纳米/FG钢网，防锡珠，防连锡，防少锡）；刮刀维护（定期清洗，定期换刮刀片，大理石台面检查，合理选用45°/60°刀架），钢网保养（文件确认，入厂验收，定时清洗，孔壁检查，张力检查，报废等）

4.3.3 贴片：贴片压力管理；元件库厚度管理；吸取和贴片速度要合适（与贴片压力和元件库厚度配合作用，否则器件会被打断或者隐形裂纹）；使用顶针/贴片托盘减少PCB变形；合适吸嘴选择（如图10所示，特别是玻璃BGA，吸嘴材料不能是陶瓷的，吸嘴不能比元件本体大，否则BGA会破损）；供料器参数设置（步进速度要慢，否则器件的吸着位会变化）；

图10 元件与吸嘴匹配示意图

4.3.4 回流：对于无铅产品峰值温度在240±5℃/有铅产品峰值温度在210±5℃，Imc∈(2~5) μm比较合适。对于NPI阶段，建议先制作测温板，在板的中央和四周设置热电偶（使用PCBA，在BGA/QFN/CHIP元件分别选择,兼顾吸热最大[电解电容器，变压器，CPU，Connector, BGA等]和吸热最小(01005 CHIP)的），热电偶从PCB背面钻孔到器件中央，使用高温焊锡进行固定，炉温热电偶间温差不超过3℃，炉温期限符合锡膏规格书要求，然后试产1panel(残氧量<2000ppm),再切片分析。合格后再确定炉温设置和N2规格；回流次数进行管控（建议<3次）；使用回流托盘减少PCB变形（元件避位）。

4.3.5 SMT后加工：点胶开启激光测距，防止撞件。分板应力分析（建议全流程应力分析，应力<500）；铣头切割长度<10m；分板夹具精度为±50μm；夹具上下元件避位。

4.4 DIP

插件是仅次于贴片的电子装联工艺，在电源，借口板，控制器和数模混合电路上有很多应用。DIP工艺在单板上以贴片+插件的混装工艺存在，单板100%DIP的已经很少了。DIP工艺按照插件方式分为机插（AI, auto insert）和手插(MI, manual insert);按照焊接方式分普遍波峰焊（红胶工艺），遮蔽波峰焊（锡膏工艺）和选择性波峰焊（锡膏工艺）。虽然DIP的量比SMT少很多，但是它的工艺可靠性比SMT更难。直通率和维修数量均劣于SMT。

4.4.1插件焊盘设计：机插焊盘于手插焊盘要分开设计（机插引脚要打弯，需要占用更大的焊盘）；建议插件孔为金属化过孔（如图11所示，增加焊锡灌浆的能力）；焊盘设计要考虑焊接工艺（如图12所示，波峰焊的阴影效应和屏蔽效应，防止空焊/半焊与连锡）；焊盘设计要根据设备引脚打弯方形进行（如图13所示，跨线，轴向件，径向件打弯的方向和方式是不一样的）；保持足够的安全间距（引脚打弯后会将等电位点延长）；大尺寸板要设计过炉锡刀线；插件孔比引脚略大以降低插入阻力和增加焊锡灌浆的能力（建议AI工艺孔径比线径大0.4~0.5mm,MI工艺孔径比线径大0.2~0.3mm）; 贴片区域插件区间距>5mm;

图11 金属化过孔示意图

图12 波峰阴影效应示意图

图13 机插焊盘设计示意图

4.4.2波峰：阻焊剂涂覆要遵循“首次要准，后续要稳”的原则。“首次要准”是指在生产首检时，先按照经验值设定涂覆参数，喷完一块PCB或者百叶纸，拿出来检查，无堆积无滴漏无空白，均匀镜面剔透。然后生产一块，根据炉后焊接情况进行精调。“后续要稳”是指将参数固化，后面生产要在首件基础上精调，不要剧烈跳动。炉温测试与回流焊类似，不再累述（注意回流曲线与波峰曲线的差别）；回流参数的确定也要在切片分析后。使用托盘或者锡刀线减少PCB形变。

4.4.3炉后剪补：过长引脚剪短要在焊点弯月面以上，不推荐使用气动等非柔性剪刀钳；烙铁不要接触焊盘或者引脚3秒以上；剪补时元件与台面不能拖动（建议制作剪补夹具）；剪补完成后，放回皮带时注意轻放。剪补时注意不要对旁边元件和焊盘造成二次损伤。

4.5 点胶工艺

点胶是固定和密封元件，增强其机械强度，减少震动/冷热冲击等外部环境对焊点和器件内部造成的损伤的有效手段。点胶有顶部密封（glob-top），底部填充（under-fill），三防涂覆和为普遍性波峰焊准备的红胶等工艺类别。增加点胶工艺可以显著的提高单板可靠性。

4.5.1顶部密封（glob-top）是对被覆盖元件进行全局包裹的一种工艺方式（如图14所示）,它可以减弱元件受外部冲击导致的损伤,从而提高可靠性.要求胶的四角全部覆盖元件顶部并且向下延伸至PCB,顶部胶厚<1mm，四周胶延展<1mm，要求胶高韧性，低脆性。

图14 顶部密封示意图

4.5.2底部填充（under-fill）是针对BGA底部空间进行胶填充的工工艺方式（如图15所示）。它可以减弱元件受内部震动和冷热冲击导致的锡球损伤,降低锡球焊点失效，从而提高可靠性。它要求胶上面接触BGA基板底部，下面接触PCB阻焊膜表面，从而将焊点承受的应力和冲击转移到填充胶区去承受，对于IC内部的冲击也会减少，实现提高可靠性。要求内部空洞小于30%（建议使用超声波或者切面测量）。

图15 底部填充示意图

4.5.3三防涂覆是涂覆防霉菌、防潮湿、防盐雾漆以提高单板抵抗恶劣环境，震动跌落和延长电位安全间距的一种工艺（如图16所示），一般紫外线固化。一般用在交通运输，航空航天，通信计算机等高可靠性单板上面，不但能达到防水、防潮、防尘的“三防”效果，还能加强产品耐冷热冲击、耐老化、耐辐射、耐盐雾、耐臭氧腐蚀、耐振动、高柔韧性、强附着力等性能。需要对单板大面积涂覆，通过遮蔽盖板保护不需要涂覆的位置，或者合理选用门帘阀，雾阀和精确点胶阀进行选择性涂覆。涂覆后使用厚度计测量膜厚需在规格内，然后进行紫外线固化，测量UV照度，确保100%固化且无过度UV对单板器件造成损伤。最后切片分析确认涂覆和固化参数。

图16 三防涂覆示意图

4.5.4波峰焊的红胶工艺（如图17所示）严格来讲不是为了提高可靠性而存在的，但是它可以有提高可靠性的功效，它分担了焊点承受的引力，提高了焊接的机械强度，降低震动对焊点造成的损伤。

图17 波峰焊的红胶工艺示意图

4.6 维修工艺

从可靠性的角度讲，凡是维修后的产品，由于焊点/焊盘和器件PCB受到多次机械和热冲击，器件内部和焊点均受到损伤，失效和疲劳的概率大大增加，可靠性会有明显降低。但是从成本和生产出发，零缺陷是我们最求的目标，但是愿望很美好，现实很残酷，总有缺陷产生，需要维修。提高维修工艺的可靠性是尽可能的减少维修后的失效，维修工艺包罗万象，这里仅仅分享一些工程经验。

--维修后阻焊剂残留去除不能使用超声波，只能手动刷洗或者喷淋清洗；

--BGA/QFN建议使用返修站进行器件更换，不要使用烙铁，要使用测温板进行实际温度测量，温度曲线要满足BGA或者锡膏规格书要求

--烙铁接触点为焊点，接触焊端/焊盘/引脚的时间长不超3秒

--烙铁温度要进行定期点检（建议使用专用烙铁测温仪），建议为340±5℃.

--烙铁头要接防静电线，接地电阻<5ohm.

--热风枪温度要进行定期点检（建议使用烙铁测温仪），建议为360±5℃.，风速设置为2~3档

--under-fill 的位号不建议进行BGA返修。即使返修要进行完整的功能测试和可靠性性测试

--BGA植球也要要使用测温板进行实际温度测量，温度曲线要满足BGA规格书要求

--维修技术员要进行上岗资格确认,满足理论和实操要求方可上岗

--维修首件要切片分析,测量Imc∈（2,8）μm才能固化维修参数

--ESD专员要对维修治工具，存储用具，台面的静电水平进行定期稽核，不满足标准禁止维修作业

4.7清洗工艺

助焊剂残留保留了大部分化学活动能力，挥发成份虽然逸离但是其化学能日后一旦吸收空气中水份及在微间距间通电流电压，便会形成细部电池效应而产生导电，因而最终产生短路和烧毁电路板。一般来讲，对于消费类电子和免清洗焊锡膏产品是不需要清洗工艺的。但是对于航空航天，交通运输，通信计算机等高可靠性单板来说，由于阻焊剂和灰尘，异物等污染物在高温作用下，几乎紧贴在PCB阻焊层表面上，难以祛除。污染物分为极性(离子型)、非极性（非离子型）和粒状物。清洗就是选择合适的清洗液，打破原子与原子的结合力（化学键）和分子与分子之间结合力（物理键），从而达到将污染物与PCB分离的目的。

PCB清洗不能采用超声波的方式,只能使用手刷或者喷淋方式进行。清洗液分为准水基型、水基型和一液型三大类（如表18所示），他们区别如下，

表18 清洗液分类表

清洗效果的评估采用离子污染物含量进行评判，要求浓度<1.56μg（NaCI）/cm^2,同时附加光学显微镜进行目视检查，在10倍放大下确认无污染物残留和其他污染物。

4.8 压接工艺

压接工艺属于单板制造的小众工艺，主要运用在通信系统产品里面，主要是插座间距小于1mm且插针横竖排列几排，使用波峰焊方式会造成高概率连焊。它是由弹性可变形插针或刚性插针与PCB金属化孔配合而形成的一种连接，通过插针和插件孔的紧配来实现电气连接（如图19所示）。由于压接工艺是机械压入，可靠性风险比较大。压力曲线要设置合适，力过大会把元件和PCB压坏；力太小不能完全插入，导致电气连接不可靠。做夹具时注意底模支撑点与连接器边沿间为2~3mm之间，大于3mm容易将PCB压裂。顶模与连接器顶部要匹配，否则受力不均衡也会损伤器件。

图19压接工艺示意图

4.9 元器件筛选

元器件筛选本身不能提高元器件的可靠性，但是通过剔出低可靠性的元器件，阻止劣质器件装联到PCB上，保证优质器件在单板上，从而提高单板可靠性。由于成本上考虑，一般消费类电子不会进行元器件筛选，但是航空航天，军工等高可靠性产品，会采用元器件筛选。100%进行筛选为佳，主电路器件筛选次之，关键器件筛选再次之。

筛选方法主要是常温功率老炼，高温8~10小时的存储试验和高温电老炼。这些筛选项目可以将隐藏的细微裂纹进行扩大，达到早期剔除的目的。

4109冷热冲击试验（TC/T-Shock）

冷热冲击试验条件是高低温交替作用，将焊点和元器件的细微裂纹扩大，这样可以剔除早期失效（如图20所示）。将优质单板传递到后续调测试工位。在冷热冲击试验中，单板是不上电的。湿度也无需管控，仅仅是依靠温度应力来筛选。这个工艺在通信行业光模块制造领域运用最多,建议参数为每个温度循环为-45℃～125 ℃，各温度保持20分钟，热平衡时间10分钟以内,共500个温度循环。不同行业和工厂具体参数可以不一样

图20 冷热冲击试验示意图

4.11 整机的可靠性工艺概述

其实单板可靠性在整机上还要继续通过相关工艺来保证，这个阶段是思路与元器件筛选和冷热冲击试验一样，即“剔除早期失效，留下优质单板”。

4.11.1老化：常温或者高温通电运行，定期巡查，失效即剔除维修。可以架设老化线/老化房来实施，离线在线均可。

4.11.2环境应力筛选（ESS）：通过向电子产品施加合理的环境应力（温度，湿度，盐雾，冰雪，震动）和电应力（电源，干扰及信号），在生产早期阶段，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，并通过检验发现和排除故障的过程，提升产品可靠性。这个需要试验箱，离线进行。

下面是美国电子产品ESS指南推荐的筛选条件。温度：最大-55~+125℃；一般-40~+95℃；最小-40~+75℃；变温率：最大20℃/min；一般15℃/min；最低5℃/min;随机振动:频率：20~2000Hz,功率谱密度：0.04g2/Hz,时间：若一个方向10min，不止一个方向，每个方向5min。