锡焊材料和设备的可靠性管理

锡焊材料和设备的可靠性管理

 

本章阐述了电工电子产品锡焊材料和设备的可靠性要求及其试验方法的有关内容，适用于以锡焊工艺和SMT连接的电子产品。

 

5.1 对焊剂质量的控制

5.1.1  液态焊剂分类

R型：纯松香基焊剂，用符合GB 8145的固体松香溶于无氯溶剂而制成。

RMA型：中等活性的松香基焊剂，用符合GB 8145的固体松香溶于无氯溶剂而制成，其中含有改善焊剂活性的中度活性剂。

RA型：活性松香基焊剂，用符合GB 8145的固体松香溶于无氯溶剂而制成，其中含有改善焊剂活性的活性剂。

5.1.2  焊剂质量控制

5.1.2.1  外观

用目测法检验，合格的焊剂应透明、均匀一致，无沉淀、无分层现象，无异物。

5.1.2.2  物理稳定性和颜色

a.  物理稳定性

将均匀的焊剂放入冷冻箱中冷却到5±2 ℃保持60 min后观察，应仍保持透明、无沉淀、无分层、无结晶物析出；将冷冻过的焊剂放入烘箱中加热到45±2 ℃保持60 min后观察应无结构分层现象。

    b.  颜色

    按GB 1722《清漆、清油及稀释剂颜色测定法》规定进行测试，也可与未试验的焊剂原样进行对比。

5.1.2.3  不挥发物含量

    a.  松香基焊剂，不挥发物含量一般应(15％；

    b.  低松香焊剂，不挥发物含量一般应≤10％；

    c.  微量或无松香焊剂，不挥发物含量一般应≤5％。

5.1.2.4  粘度和密度

粘度：在5 ℃时应能被医用滴管迅速吸入；

密度：在23 ℃时应为0.78～0.95 g/cm3。

5.1.2.5  水萃取液电阻率

R型和RMA型焊剂 (1×105 Ω·cm；

RA型焊剂 (5×104 Ω·cm；

微量或无松香型焊剂 (3×104 Ω·cm。

5.1.2.6  卤素含量

R型和RMA型焊剂应使铬酸银试纸颜色呈白色或淡黄色；

RA型焊剂的卤素含量应为(0.07～0.2 )%；

免清洗微残留型焊剂的卤素应为0；

免清洗低残留型焊剂的卤素含量应为(0.01～0.03) %；

水洗型焊剂的卤素含量应为（0.5～2.0）%。

5.1.2.7  助焊性

    a.  扩展率

    R型(75％，RMA型(80％，RA型(90％，低松香型(85％，微量或无松香型(80％。

    b.  相对润湿率

    经120 ℃烘箱老化1 h的0.8 mm铜线，在第三秒的润湿力与理论润湿力之比应(35％。

5.1.2.8  干燥度

焊剂残留物表面在正常大气条件下应无粘性，表面上的白垩粉应易被除去。

5.1.2.9  铜镜或铜板腐蚀性

    a.  在温度23±2℃，相对湿度为（45～55）％RH的密闭室内放置24 h，R型焊剂应基本无变化；RA型和免清洗微残留型焊剂反应使铜膜无穿透性的腐蚀。

    b.  按SJ 2660中3.10.2条规范试验，试样在温度40±2 ℃，相对湿度 ％RH的恒温槽中连续放置96h，焊剂反应物的颜色区域应无扩张、无新的色斑、无水解现象。

5.1.2.10  酸值

一般液态焊剂不做此项分析，但使用者掌握焊剂的酸值对焊接工艺是有益的。酸值较高的焊剂在焊接过程中应尽量使其活化分解，且应注意焊剂的残留物的吸湿性。

酸值表达有两种方式，固体焊剂酸值和液体焊剂酸值，见SJ 2660中3.12条。

5.1.2.11  绝缘电阻

    a. 对于松香基焊剂，试件在焊接前后的绝缘电阻应不小于表7的规定值。

    b. 在ANSI/IPC-SF-818中，表面绝缘电阻测试（SIR）采用了50℃，90％RH相对湿度（7天）和85℃，85％RH相对湿度（7天）两种模式，但绝缘阻抗应(108Ω。

 

   注：1)试验时在温度40℃、相对湿度（90～95）％RH的试验箱中96h后测得。具体按GB 9491第5.10条。

5.1.3  试验大气条件

    a.  正常试验大气条件

    除非另有规定，试验应在温度15～35 ℃、相对湿度为（45～75）％和气压为86～106 KPa的正常试验大气条件下进行。

    b.  仲裁试验大气条件

   仲裁试验的标准大气条件，试验温度为23±1 ℃、相对湿度为（48～52）％和气压为86～106 KPa。

5.1.4  试验方法、检验规则、包装运输和贮存

按GB 9491中5.6.7条要求；另免洗型低固液态焊剂的容器应采用深色包装，以避免光线照射下引起变质。

5.1.5  液态焊剂的有效期

有效期一般大于6个月或由供需双方事前约定，有效期必须在标签中注明。

 

5.2  对焊料质量的控制

5.2.1  分类及技术要求

5.2.1.1  铸造类焊料

    a.  铸造类锡铅焊料一般分为锭和条两种，重量应符合表8的规定。

 

表8  锡铅焊料重量标准

 

    b.  铸造锡铅焊料锭和条的表面应清洁，无腐蚀、夹渣、毛刺和外来夹杂物，焊料合金的化学成分应符合GB 8012中表1的规定。

5.2.1.2  挤压类焊料

    a.  挤压类锡铅焊料分为无焊剂芯（丝材、棒材、扁带、三角条）焊料和有焊剂芯（单芯、三芯、五芯和多芯）焊锡丝两大类。

    b.  丝材及有焊剂芯焊锡丝的外形尺寸标准应符合表9的规定。圆棒、三角条焊料的外形尺寸标准应符合表10的规定，矩形棒焊料的外形尺寸标准应符合表11的规定，扁带焊料的外形尺寸标准应符合表12的规定。

   焊料合金的化学成分，A级应符合GB 3131中表3-6的规定，B级应符合GB 3131中表3-7的规定。

    树脂芯焊剂的类型和用途应符合表13的规定，焊剂的含量占焊料总重量的(1.5～3.0)％，助焊剂的特性指标应符合表14的规定，免清洗焊锡丝焊剂的要求参照免洗焊剂有关条例执行，焊剂含量应均匀，不应有断空现象。挤压类焊料表面应光滑清洁，不应有裂纹、夹杂和油污。

5.3  对焊膏质量的控制

5.3.1  焊膏的基本组成

5.3.1.1  合金粉末

    合金粉末是焊膏的主要成份, 是焊接后的存留物，通常约占焊膏重量的90%, 随着金属百分含量的增加, 焊接尺寸也增加, 即热熔后焊料厚度增加。合金粉末的成份、颗粒尺寸、形状及其含量、氧化程度对焊膏质量影响较大。

5.3.1.2  金属成分

    a.  焊料应符合GB 3131中的有关规定。

    b.  不同的合金焊料其熔点和机械性能不同，由此构成焊接温度不同的焊膏。质量良好的焊膏，合金成分应准确，在同一温度下能保证各个焊点都同时熔化和再流；此外，合金粉末的含氧量应在80 ppm以下。

5.3.1.3  粉末的尺寸

    按照本章5.3.3.2的规定进行测试，粉末通过泰勒式筛子，其尺寸指标如表16所示。

    一般，粉末尺寸测量步骤由用户和供应商共同确定，建议微粒尺寸认可型号为1、2、3、4型，分别对应160、80、50、40 μm。

 

5.3.1.4  粉末的形状

    按本章5.3.3.2的要求进行测试，焊料粉末颗粒形状指标由用户与供应商共同确定。一般应是有规则的球形和椭球形，其长宽比应在1.5:1以内。

5.3.1.5  表面状态

    焊料粉末的表面应光亮、平滑，没有粘结形成的小颗粒团。

5.3.1.6  焊膏焊剂应按本章第14章《对焊剂质量的控制》的要求进行分类测试。

5.3.2  焊膏性能

5.3.2.1  金属成份

    按重量和按本章5.3.3.1的规定测试焊膏的金属成份，其金属成份应占（75～92）％，偏差应在±10％之内。

5.3.2.2  粘度

当以厘泊为单位对焊膏进行测量时，正常粘度值应在标准值的±1％之内。测量方法和状态按本章5.3.3.5的规定。

5.3.2.3  坍塌度

按照本章5.3.3.6规定的印刷法进行测试，印刷直径增大不应超过10%，烘烤后不应有互连发生。

5.3.2.4  再流特性

    进行焊球试验，当熔融焊料在陶瓷或环基板上形成大焊料球时，判为优良；当熔融焊料形成一个大焊料球，但在其周围有少数小焊料球，直径不大于50μm时，判为合格；当熔融焊料形成一个或多个大焊料球，周围还有大量小焊料球时，判为不合格。

5.3.2.5  粘着力测试

    按本章5.3.3.8的规定测试。

5.3.2.6  湿润

    按本章5.3.3.7的规定测试。经过回流焊后，合格的焊膏应均匀湿润，金属样片上不应出现明显的反湿性、不湿润情况。

5.3.2.7  产品分类标准

    a.  焊膏应按分类标准填写下列各项：

  b.  合金  ％（每批成份元素）；

    c.  焊剂命名；

    d.  金属 ％（质量）；

    e.  粉末尺寸 (表16)；

    f.  粘度 （用厘泊表示）；

    g.  焊剂命名代号；

    h.  制造厂家。

5.3.2.8  贮存期

    未开封的焊膏，应标明最小贮存期限及其存放条件。

5.3.3  品质确认测试

5.3.3.1  焊料合金成份

从焊膏中分离出焊料金属：把适当数量的焊膏样品在25 ℃左右的气温下转换到陶瓷或玻璃容器上，加热使金属完全熔化后自然冷凝，然后用适当溶剂溶解冷凝的焊料，最后用认可的技术分析确认溶解液的合金成份。

5.3.3.2  焊料粉末微粒尺寸、形状和表面状态

    a.  用适当溶剂从焊膏中去除焊剂，分离出焊料粉末，经过反复清洗直至所有焊膏焊剂被清除为止，然后干燥取出粉末。

b.  粉末颗粒尺寸

    测量粉末微粒大小的方法, 应由用户与供应商确定，以下示例可供选择参考。

(  ASTMB 21B标准显幕微粒尺寸区分方法；

(  亚筛粒度分析仪；

(  显微镜；

(  光线放射。

    c.  最基本微粒尺寸

    平均值微粒尺寸，使用晶粒细化分析仪(Hegmamm)确认，型号有CMA185或ASTMD1210。

    d.   焊料粉末微粒形状和粗糙度

    用足够倍数的双目显微镜对焊料粉末进行目测，确认其中长宽比在1.5～1.0的和超过1.5～1.0的球形和椭球形微粒的百分率，当长宽比为1.5～1.0的占90％以上时符合球形规则标准。只有比值在1.0～1.07之间的微粒才确认为是完全球形。

    粉末粗糙度用光线散射法进行确认。

e.   表面状态

用40～100倍双目显微镜进行目测，符合标准的焊料粉末表面应光亮、平滑，没有微粒粘结形成的小微粒团。

5.3.3.3   焊膏焊剂

焊膏焊剂的分离、测试及其指标应符合本章5.1.2《焊剂质量的控制》的规定。

5.3.3.4  金属重量

当用以下方法进行确认时，金属含量应在正常值的±10％以内。

    a.  将10～50 g(精度为0.01g.的焊膏放入已知重量的容器中；

    b.  在大约25℃下，给焊膏加热至金属液相温度以上，待焊膏完全熔化后冷却凝固；

    c.  用溶剂去除残留焊剂，取出金属，然后干燥，称取金属重量(度为0.01g., 并确认金属的百分含量。

5.3.3.5  粘度

  通常采用圆筒旋转粘度计(Brookfild.测量。粘度受圆筒的半径、长度、转速、环境温度影响，通常采用下列参数和方法：

  环境温度25±0.25 ℃，圆筒最小直径5 cm，缓慢搅拌使样品均匀，测量轴取最小一挡，转速为5 rpm（转/分）。

  粘度数据取最后2个周期峰值与最小值的平均值。但当最早的两个旋转周期的平均值大于最后2个周期平均值的10％时，则测试无效，需继续测试。

5.3.3.6  坍塌度

      采用FR-4基材的试验板，板上有多条间隙为0.2～0.4 mm的焊盘，将焊膏漏印其上；印刷后首先观察焊膏是否漏印在焊盘上，然后将试验板放在80℃烘箱中烘3分钟，再放在170℃的烘箱中烘30秒，最后观察试验板的图形的互连，若没有发生互连则认为坍塌度合格。

5.3.3.7  再流特性焊球测试

按SJ/T 10670中5.3.2-d中规定进行。

5.3.3.8  粘着力

在温度25±0.25 ℃、相对湿度（50±10）％RH条件下，保持周围环境溶剂饱和，防止熔剂挥发。在印制板10 cm2面积上放置约5 g的焊膏并推平，然后取面积为1 cm2 、厚0.5 mm平整的不锈钢板放在其上，不锈钢板的中心焊有一根0.5 mm铜丝并连接拉力计，用于测量将不锈钢板从焊膏中拉脱的力，以表征焊膏的粘着力。要求在16 h后复测一次。一般初始粘结力为 25～40 g/cm2，16h后的为 15～39 g/cm2。

 

5.4  对贴片胶质量的控制

5.4.1  贴片胶分类

5.4.1.1  按基体树脂材料分类

    有环氧树脂、丙烯酸树脂以及聚合物构成的胶粘剂。

5.4.1.2  按固化的方式分类

    有烘箱间断式热固化、隧道炉连续式热固化、紫外固化、光热双固化和超声波固化等。

5.4.2  贴片胶特性

5.4.2.1  贴片胶的涂布性能

a.  稳定的单组份体系及工作寿命

单组份体系在室温25 ℃下的贮存期为45天以上，低温5 ℃下的贮存期为3～6个月。

b.  适当的粘度

适应于手工和自动涂敷要求，在涂布过程中应不拉丝、不沾污焊盘。涂敷后能保持轮廓，形成足够的高度。胶的粘度应满足丝网/漏板印刷、针转移法、注射式等涂敷工艺要求。粘度试验方法按GB/T 2794中规定的旋转粘度计测量方法进行。

c.  离网性

贴片胶施放在印制板上时应有足够的湿润度，胶点应光滑圆整，有湿润感，不应出现锯齿状。

d.  坍落度

贴片胶在涂布后应保持原有的形态，不应出现坍落和漫流现象，触变特性好，在高温固化时也不应坍落和漫流。测试时，可用3个直径0.65 mm、高 0.25 mm 的胶点分别涂敷在平整的试板上, 一个试样置于25±5 ℃、相对湿度（50±25）%RH的环境下50～70 min；第二个试样进行固化。测量两个试样胶点扩展、收缩后的尺寸，并与原来胶点的尺寸比较，其变化应在10 % 以内 。 

 

e.  粘接强度

在焊接前应能有效地固定元件，但粘接度应适当，便于拆卸和更换元件。

f.  有可鉴别的颜色

贴片胶应具有特有的颜色, 以便辅助视觉检查、识别安装过程质量。

5.4.2.2  安全性

贴片胶应无毒、无味、阻燃、不挥发，对环境和人体安全无害。

5.4.2.3  固化性能

a.  快速固化

贴片胶应能在较低的温度下和较短的时间内固化。

b.  不应放出气体

贴片胶在固化过程中，不应出现气体，形成贴片气孔，导致吸收焊剂和灰尘。

5.4.2.4  固化后的机械电气性能和相容稳定特性

a.  机械强度

室温贴片胶在固化后的拉力应为0.7～1 Kg/片，在高温强度降低时仍有足够的固着力。在波峰焊时元器件不掉落，能经受印制板的移动、翘曲。

b.  电气性能和吸湿性

贴片胶应有低的介质损耗、高的体积电阻和表面电阻。在相对湿度95％条件下存放七天后具有以下性能：

           tgδ＜0.02 (1MHz)；

           Rs≥1013 Ω.cm；

           Rv≥1012 Ω。

c.  相容稳定特性

贴片胶固化后应与后续工艺过程中的化学制品相容，不发生化学反应；对焊剂、清洗溶剂保持惰性；在任何情况下具有非导电性和抗湿、抗腐蚀的能力。

5.4.3  贴片胶在使用中应遵循的原则

5.4.3.1  温度过渡

    贴片胶应冷冻存放, 使用时从低温环境取出，应放置使其过渡到室温后, 再启封容器使用，以防止吸潮,导致固化时放出气体。

5.4.3.2  控制用量

    应控制贴片胶的用量, 既要充足，充满基板与元件之间的空间，确保粘牢, 又不应扩散到印制板上，发生互连。按标准SJ/T 10670 5.2.3执行。

 

5.5  漏板质量的控制

5.5.1  金属漏板制造工艺

    金属漏板的制造工艺有三种：化学腐蚀(单面或双面)、激光切割、电铸法。使用材料有不锈钢、黄铜镀镍、黄铜、铍青铜等。其中漏板开口的位置、形状、精度，孔壁的粗糙度、张网所用的丝网和胶水等因素，都直接影响漏板印刷质量。无论采用那种制造工艺都应对以上因素进行严格控制。

5.5.2  开口尺寸与漏板厚度

    漏板设计制造应控制：

    a.  开口尺寸比焊盘尺寸小20％以内；

    b.  开口尺寸与漏板厚度之比(1.5；

    c.  开口宽度≥4～5 μm。

5.5.3  制造精度要求 

 

        制造精度应高于±0.05 mm，孔壁粗糙度RZ应控制在15 μm以内。

5.5.4  开口的几何形状

a.  对于0.13～0.18 mm厚的漏板，其锥形面一般为0.013～0.025 mm；

b.  对于0.38～0.5 mm厚的漏板,其锥形面为0.038～0.064 mm。

5.5.5  漏板尺寸

漏板的网框每边应比PCB对应的边缘大25 mm以上。柔性金属漏板，当PCB边长小于200 mm时，网框内边尺寸取PCB尺寸的2倍以上；当PCB边长大于或等于200 mm时，网框内边的尺寸距PCB每边至少应为100 mm。

 

5.6  工装的控制

5.6.1  漏板

5.6.1.1  质量控制

    漏板质量控制按本篇18章执行。

5.6.1.2  清洗要求

    漏板在使用后应进行清洗，用柔软的棉布沾上丙酮或乙醇, 将丝网板的开口部内外彻底清洗, 用空气喷枪吹掉尘埃, 再用溶剂擦拭，应确认开口部无堵塞。

5.6.1.3  保存要求和寿命

    漏板的保存应避灰尘。为保持紧绷，应垂直竖立放置。漏板的使用寿命因刮刀材料、印刷条件、漏板材料的不同而异，平均在3～5万次。

5.6.2  刮刀

刮刀是焊膏印刷的重要工具，对工艺影响较大的参数有：形状、平行度、硬度、安装角度、外加压力和行走速度等。宜用金属刮刀或橡皮刮刀（邵氏硬度90度）。

5.6.3  托架

        工装架或托架应满足SJ/T 10533的要求。

5.6.4  防静电设施

    防静电设施应满足SJ/T 10533的要求。

5.6.5  返修工作站

返修工作站应配备防静电和预热装置，能对SMD进行开通，能达到与焊料熔化温度相差保持在25～50 ℃的范围。对锡铅合金焊料，宜预热至125～150 ℃，以低于4～5 ℃/s的升温速度逐渐升温；加热方法可采用对流、传导、辐射三种方式，但最终应采用喷射热空气的对流加热或电阻加热的传导方式实施。