基于金相分析的PCB焊接質(zhì)量研究與應(yīng)用

李會(huì)超 施清清 王大波

摘要：為檢測(cè)識(shí)別PCB焊點(diǎn)焊接可靠性，提出采用金相分析對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行管控。金相分析通過顯微鏡，利用光學(xué)原理，觀測(cè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)PCB的沉銅厚度、引腳浸錫高度、及焊料與引腳合金層形成情況進(jìn)行分析，保證焊點(diǎn)機(jī)械可靠性及抗疲勞性能，提高產(chǎn)品性能及可靠性。

關(guān)鍵詞：PCB;金相分析;波峰焊;焊接質(zhì)量;可靠性

0引言

印制電路板（PCB）廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中，電子元器件在PCB上的焊接方式通常包括手工焊和自動(dòng)焊接兩類。波峰焊作為當(dāng)下重要的自動(dòng)焊接技術(shù)之一，其因焊點(diǎn)可承受較大機(jī)械應(yīng)力，裝配簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于非便攜式電子產(chǎn)品的制作工藝中，如家電、大功率電源。焊接質(zhì)量異常將影響焊點(diǎn)機(jī)械可靠性、抗熱疲勞性能，對(duì)于一些強(qiáng)電器件（扼流圈，PFC電感等）還將影響產(chǎn)品電氣安全性能。如圖1所示，為焊接不良導(dǎo)致器件失效。當(dāng)PCB上存在大吸熱器件時(shí)，如何保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的可靠性，是電子行業(yè)工藝優(yōu)化關(guān)注的熱點(diǎn)。

PCB焊接檢驗(yàn)分為接觸式檢測(cè)、人工檢測(cè)和新型自動(dòng)化檢驗(yàn)。接觸式檢驗(yàn)和人工檢驗(yàn)隨著電子集成電路的發(fā)展，其局限性日益突出，單純通過PCB的導(dǎo)通性、絕緣性或人工經(jīng)驗(yàn)來判斷缺陷的發(fā)放逐步被替代。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（Automatic Optic Inspection，AOI）作為電子行業(yè)比較成熟的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于通孔、橋連等焊接異常有較高的檢查精度。但是對(duì)于焊點(diǎn)內(nèi)部合金層形成、焊點(diǎn)透錫高度、沉銅厚度等影響產(chǎn)品運(yùn)行可靠性的工藝參數(shù)無(wú)法識(shí)別，存在測(cè)試盲區(qū)。金相分析通過對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部組織進(jìn)行觀察，判斷焊點(diǎn)質(zhì)量，提高產(chǎn)品可靠性。

1金相分析

金相分析是材料學(xué)中常用的一種分析手段，通過高倍光學(xué)顯微鏡，利用光在不同介質(zhì)分界面的光學(xué)現(xiàn)象，觀察某種材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，判斷其屬性是否發(fā)生變異，有助于質(zhì)量檢驗(yàn)、失效分析、新工藝、新材料等工作的可靠性。因此，其應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到了電子行業(yè)，常見的有芯片內(nèi)部晶元解剖、PCB板過孔不通、PCB可焊性分析等。

金相分析通常包括以下幾個(gè)步驟：

1）選取待分析樣本。選取需要分析的部件，大小適宜，滿足鑲嵌。

2）鑲嵌待磨制樣本。將樣本放入鑲嵌機(jī)，加入鑲嵌粉，高溫、高壓模式下成型。成型時(shí)間視鑲嵌粉材質(zhì)有所不同。

3）鑲嵌后的樣本磨制。磨制時(shí)需邊磨邊用水冷卻，磨制力度、時(shí)間得當(dāng)，避免待分析組織變形。

4）磨制后的樣本拋光。磨制后經(jīng)過粗拋光、細(xì)拋光應(yīng)保證表面無(wú)磨痕，像鏡面，吹干后無(wú)水漬和污漬。

5）拋光后樣本觀察。使用高倍顯微鏡觀察組織情況。

2金相驗(yàn)證

2.1設(shè)備及儀器

主要設(shè)備包括試樣鑲嵌機(jī)、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)、金相顯微鏡及其他輔助設(shè)備。

2.2波峰焊工藝參數(shù)合理性

對(duì)于高壓電解電容、PFC電感、扼流圈等強(qiáng)電器件，因其特殊的承載及電氣安全要求，焊接質(zhì)量尤為重要。手工焊接因存在焊接時(shí)長(zhǎng)無(wú)法把控、易產(chǎn)生錫珠等問題在電子制造業(yè)已逐步被淘汰。波峰焊技術(shù)作為電子工業(yè)中一種重要工藝，主要用于自動(dòng)焊接自插、手工插裝器件。影響波峰焊焊接工藝的因素主要包括兩類：第一類為波峰焊設(shè)備設(shè)定參數(shù)，如助焊劑流量、鏈速、預(yù)熱溫度、爐溫曲線等;第二類為PCB板特性，包括板材厚度、焊盤元器件布局等。波峰焊參數(shù)設(shè)置不合理不僅影響焊接質(zhì)量，還將造成生產(chǎn)成本、效率浪費(fèi)。

傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置效果以PCB過爐后是否有橋連、通孔、上錫不良等作為直觀判斷依據(jù)，但對(duì)于焊點(diǎn)填充高度、焊點(diǎn)合金層等影響焊點(diǎn)可靠性的參數(shù)卻無(wú)法識(shí)別。提高波峰焊工藝參數(shù)合理性，進(jìn)而提高設(shè)備綜合利用率是電子制造工藝的追求目標(biāo)之一，而金相分析提供為其提供了解決方案。

經(jīng)驗(yàn)證，影響焊接的主要參數(shù)包括爐溫、鏈速、助焊劑流量及種類。因助焊劑種類在選型固定后，生產(chǎn)階段不存在切換情況，因此論文主要對(duì)前三種參數(shù)的組合進(jìn)行驗(yàn)證。

以某款PCB為例，3個(gè)參數(shù)分別設(shè)置如表1所示。

不良：第一類為器件引腳異常（氧化、粘有異物等）導(dǎo)致無(wú)法上錫;第二類為焊接過程異常導(dǎo)致引腳上錫不良，更換元器件亦或是直接采用手工加錫的處理方案，都存在成本、資源浪費(fèi)，且不能保證處理后的PCB是否滿足焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)。而金相分析為此類異常提供了可靠的解決方案。使用金相分析對(duì)PCB焊接效果評(píng)估，主要依照如下參數(shù)：透錫標(biāo)準(zhǔn)、氣泡體積、合金層以及PCB過孔沉銅厚度。針對(duì)不同的產(chǎn)品，以上4個(gè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，以家電類產(chǎn)品為例，要求各項(xiàng)參數(shù)需滿足以下條件：

1）透錫高度≥75%;

2）100倍放大鏡下下有明顯合金層;

氣泡體積不超過焊點(diǎn)體積的30%;

PCB過孔沉銅厚度不小于20um。

某次生產(chǎn)過程中，扼流圈引腳因固定底座的白膠殘留在引腳上，導(dǎo)致引腳通孔，如圖5所示。通過金相分析，如圖6左所示，該引腳透錫高度不滿足75%的工藝要求;手工加錫后的金相結(jié)果如圖6右所示，表明加錫處理方案滿足焊接要求。

生產(chǎn)過程中因波峰焊設(shè)備異常，需對(duì)已生產(chǎn)的PCBA進(jìn)行評(píng)估。通過金相分析，如圖7所示，表明引腳透錫高度及焊點(diǎn)合金層形成異常。通過手工加錫處理后，如圖8所示，引腳透錫高度、合金層形成良好，同時(shí)，PCB過孔沉銅厚度為39um，滿足20um的工藝要求。

3結(jié)語(yǔ)

金相分析簡(jiǎn)單直觀，是質(zhì)量控制、失效分析、新材料新工藝開發(fā)等工作不可缺失的一部分。焊接質(zhì)量作為影響控制器運(yùn)行可靠性的重要參數(shù)，文章采用金相方法對(duì)多類別焊接不良進(jìn)行分析，表明其有對(duì)于提高PCB焊接質(zhì)量、提高產(chǎn)品可靠性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。