鄭強(qiáng)

(富士康 (昆山)電腦接插件有限公司，江蘇昆山，215316)

基于潤(rùn)濕平衡法測(cè)試連接器焊錫性

鄭強(qiáng)

(富士康 (昆山)電腦接插件有限公司，江蘇昆山，215316)

潤(rùn)濕平衡法測(cè)試焊錫性能精確的將潤(rùn)濕時(shí)間﹑沾錫力量等參數(shù)表示出來(lái)，較傳統(tǒng)的以面積判斷焊錫性好壞的方式更加直觀。本文將從測(cè)試對(duì)象﹑測(cè)試方法﹑結(jié)果判斷等多個(gè)方面詳細(xì)介紹這一焊錫能力檢測(cè)技朮。

潤(rùn)濕平衡;連接器;焊錫性

1 前言

優(yōu)良的連接器必須要有優(yōu)良的焊錫能力(無(wú)需焊接裝配的連接器除外)，而焊錫能力檢測(cè)在早期已經(jīng)有了諸多定義的方法，且已經(jīng)被諸多連接器廠商所采用，如Solder Bath/Dip and Look Test﹑Wetting Balance Solder Pot Test和Wetting Balance Globule Test等方法。

Solder Bath/Dip and Look Test至今仍是中小規(guī)模連接器制造工廠焊錫性檢驗(yàn)的主要方法。該方法以『焊錫面積＞95%的測(cè)試面積』作為沾錫力是否合格的判據(jù)。此方法有一個(gè)比較模糊的問(wèn)題就是如何將焊錫缺陷定量表示出來(lái)，在權(quán)威的IPC/ECA J－STD－002中也只是以圖示的方式表示缺陷的百分率，而沒(méi)有給出詳細(xì)的計(jì)算方法。

潤(rùn)濕平衡法(Wetting Balance Solder Pot＆Globule Test)是以焊錫天平為測(cè)試設(shè)備，能精確的測(cè)試出潤(rùn)濕時(shí)間﹑沾錫力。因其表示方式比較直觀，目前逐漸被客戶接受，且RD﹑QA﹑電鍍等部門在產(chǎn)品開發(fā)﹑制程驗(yàn)證﹑競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分析﹑客訴分析中越來(lái)越多的要求實(shí)驗(yàn)室采用此方法測(cè)試樣品的焊錫能力。

2 測(cè)試前準(zhǔn)備

2.1 蒸汽老化預(yù)處理

在焊錫性測(cè)試前要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定預(yù)處理的方式也有多種，如蒸汽老化﹑恒溫恒濕﹑高溫老化等。而眾多標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定的老化方式是蒸汽老化，這種預(yù)處理方法也是應(yīng)用最為廣泛的。

2.1.1 老化時(shí)間

蒸汽產(chǎn)生的熱量和濕度能有效地加速使表面氧化層和Cu/Sn金屬間化物的機(jī)械物理性能減弱。根據(jù)樣品鍍層的不同耐磨要求，會(huì)有不同的預(yù)處理時(shí)間要求，如在IPC/ECA J－STD－002C中列出如下表1條件:

Category 1 Minimum Coating Durability Category 2 Typical Coating Durability Category 3 Enhanced Coating Durability (default for tinbased finishes ) No Steam Conditioning Requirements 1 Hour±5 min.Steam Conditioning 8 hours±15 min.Steam Conditioning

對(duì)于tin－based鍍層來(lái)說(shuō)，一般在儲(chǔ)存6個(gè)月后，鍍層性能會(huì)減弱。因此，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定如無(wú)特殊說(shuō)明，老化時(shí)間默認(rèn)選擇Category 3，它相當(dāng)于自然儲(chǔ)存12個(gè)月的時(shí)間。

2.1.2 老化溫度

將樣品懸掛在蒸汽老化試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)箱(Chamber)中，如不能達(dá)到懸掛的條件，也應(yīng)使得待測(cè)鍍層表面不接觸試驗(yàn)箱內(nèi)壁。測(cè)試時(shí)根據(jù)不同的海拔高度選擇不同的溫度條件。溫度條件如下表2所示:

Altitude Average Local Boiling Point°C Steam Temperature Limits°C 0－305 m 100 93±3 305－610 m 99 92±3 610－914 m 98 91±3 914－1219 m 97 90±3 1219－1524 m 96 89±3 1524－1829 m 95 88±3

2.2 測(cè)試所需材料準(zhǔn)備

2.2.1 焊料(Solder)

對(duì)于無(wú)鉛(lead－free)測(cè)試，在IPC﹑IEC等標(biāo)準(zhǔn)中均建議選用Sn96。5Ag3。0Cu0.5(SAC305)。如有特殊需求，可以雙方共同商討確定采用何種焊料成分。

表3

2.2.2 助焊劑(Flux)

在測(cè)試時(shí)，選擇何種助焊劑，會(huì)直接影響測(cè)試結(jié)果。IPC J－STD－002/J－STD－003委員會(huì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的驗(yàn)證，認(rèn)為傳統(tǒng)的R type/ROL0助焊劑會(huì)對(duì)鈀﹑金及有機(jī)焊錫防腐劑等鍍層的樣品在焊錫性測(cè)試中會(huì)產(chǎn)生過(guò)于嚴(yán)格判斷(False negative)的可能。選用ROL1型的助焊劑能避免產(chǎn)生“False reject”的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多年實(shí)際使用，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“Pass ROL1 test→Fail ROL0 test→Fail during board assembly”的案例。ROL0與ROL1型助焊劑之間的唯一區(qū)別是: ROL0不含任何鹵化物，ROL1含有＜0.5%的鹵化物。鹵化物在助焊劑里起到了活化作用。

在IPC J－STD－002C/J－STD－003B標(biāo)準(zhǔn)中定義焊錫性測(cè)試時(shí)選擇如下表4規(guī)格的Flux。

Type Tin/lead testing Lead－free testing Solder composition Flux#1 Flux 2#

兩種助焊劑具體成分要求如下表5

Constituent Composition by Weight Percent Flux#1 Flux#2 Colophony 25±0.5 25±0.5 Diethylammonium Hydrochloride(CAS 660－68－4) 0.15±0.01 0.39±0.01 Isopropyl Alcohol(IPA)(CAS 67－63－0) Balance Balance Weight of Chlorine as%of Solids 0.2 0.5

2.3 焊錫性檢測(cè)設(shè)備

潤(rùn)濕平衡法測(cè)試焊錫性所用設(shè)備應(yīng)該能精確的測(cè)量潤(rùn)濕時(shí)間﹑沾錫力，并通過(guò)軟件繪制時(shí)間——力量沾錫過(guò)程曲線。

從上圖可以看出，該設(shè)備主要包括:

1)精密的錫爐/球載裝置溫度控制系統(tǒng);

2)電氣/機(jī)械的浸漬裝置，且能控制速度和保持時(shí)間;

圖1 焊錫性測(cè)試設(shè)備機(jī)構(gòu)原理圖

圖2 焊錫性測(cè)試設(shè)備機(jī)構(gòu)示意圖

3)具備能精確偵測(cè)樣品與錫面接觸的靈敏組件;

4)含有圖形記錄器﹑數(shù)據(jù)輸出器或者計(jì)算器系統(tǒng)軟件，以精確描繪沾錫過(guò)程圖形;

5)有合適的夾具，保證沾錫角度。

專業(yè)設(shè)備廠商已經(jīng)將該系統(tǒng)整合成為一臺(tái)焊錫天平，能滿足國(guó)際上諸多標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試需求，如下圖3所示。

圖3 幾種設(shè)備及所執(zhí)行測(cè)試狀態(tài)圖

3 測(cè)試執(zhí)行

樣品經(jīng)過(guò)蒸汽老化預(yù)處理后，在室溫中風(fēng)干后即可測(cè)試，但必須在72h內(nèi)完成整個(gè)焊錫性測(cè)試。其基本步驟如下:

1)將Flux均勻的涂覆在待測(cè)樣品表面，此時(shí)注意要將多余成水滴狀的flux用擦拭紙除去;

2)將錫液或錫球表面的殘?jiān)驘沟闹竸┕纬蓛?

3)按要求將樣品置于錫液或錫球上方預(yù)熱一定時(shí)間;

4)樣品以一定的角度(0°～90°)及預(yù)設(shè)的速度(1mm/sec～5 mm/sec)浸入錫液或錫球規(guī)定的深度;

5)從計(jì)算器系統(tǒng)中讀取潤(rùn)濕時(shí)間﹑沾錫能力等參數(shù)結(jié)果，并查看潤(rùn)濕過(guò)程曲線。

樣品沾錫測(cè)試整個(gè)過(guò)程用系列圖片4形式表示如下:

圖4 樣品沾錫測(cè)試過(guò)程

在IPC和IEC中所要求結(jié)果判斷的參數(shù)不同，但要求給出的參數(shù)基本上包括:Tb﹑Ta﹑T2/3﹑F1﹑F2﹑AA(AUC)﹑Fmax﹑TFmax。下面針對(duì)給出的參數(shù)，分別說(shuō)明它們所代表的意義。

表6 試驗(yàn)參數(shù)及其含義

4 測(cè)試結(jié)果判斷

沒(méi)有無(wú)目的的檢測(cè)?？蛻粢笞鰸?rùn)濕平衡法焊錫性測(cè)試也不例外，也有其相應(yīng)的測(cè)試目的，他們想從測(cè)試結(jié)果中看出送檢的樣品焊錫性到底是OK還是NG，以便于決定是否更改相應(yīng)的制程。筆者從多年的檢測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)，如何做判斷一直困擾著很多設(shè)計(jì)與品保工程師，以致拿到數(shù)據(jù)后可能沒(méi)有正確的分析應(yīng)用，也就有可能延誤改善時(shí)機(jī)。

下面將分別從兩份標(biāo)準(zhǔn)來(lái)介紹如何對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷。

4.1 IEC 60068－2－54(2006)/69(2007)中的建議判斷標(biāo)準(zhǔn)

IEC 60068－2－54/69兩份標(biāo)準(zhǔn)主要講述的是分別用Solder Bath和Solder Globule方法執(zhí)行電子元器件的焊錫性能測(cè)試。

在該標(biāo)準(zhǔn)中給出的典型測(cè)試曲線如下圖所示。

圖5 測(cè)試過(guò)程中沾錫力和時(shí)間關(guān)系曲線

Solder Bath和Solder Globule兩種方法，其測(cè)試結(jié)果要求都是有三種判斷方式，當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用中只要選擇超過(guò)一種即可，即可以選擇兩種要求判斷，也可以三種都選擇。常見(jiàn)的搭配是用下面的b和c。

a.表示潤(rùn)濕開始的時(shí)間，即圖中t0 to B。此參數(shù)在IEC 60068－2－54(2006)中建議規(guī)格是1s～2.5s之間。而在IEC 60068－2－69(2007)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確給出規(guī)格，要由買賣雙方共同約定。

b.表示潤(rùn)濕進(jìn)行的時(shí)間，即圖中t0 to C。此參數(shù)在IEC 60068－2－54(2006)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確給出規(guī)格，要由買賣雙方共同約定。而在IEC 60068－2－69(2007)中建議規(guī)格是2s。

c.表示潤(rùn)濕穩(wěn)定性的比率，即

式中，

E點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間末端力的讀數(shù);

D點(diǎn)是測(cè)試過(guò)程中最大力的讀數(shù)。

4.2 IPC J－STD－002C中的建議判斷標(biāo)準(zhǔn)

在IPC J－STD－002C中分別給出了 Solder Bath和Solder Globule兩種焊錫性檢測(cè)方式的建議判斷標(biāo)準(zhǔn)。

在該標(biāo)準(zhǔn)中主要是要求明確給出Ta﹑F1(2s)﹑F2(5s)﹑AA(AUC)的測(cè)試數(shù)值，

4.2.1 Solder Bath法測(cè)試焊錫性

Solder Bath法主要執(zhí)行插孔(Through/Hole)組件的焊錫性測(cè)試，同時(shí)在一些標(biāo)準(zhǔn)中也列出可以完成SMD的焊錫性測(cè)試。

建議的判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表7。

表7 各參數(shù)建議采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)

圖6 Set A潤(rùn)濕曲線

圖7 Set B潤(rùn)濕曲線

從表中及兩個(gè)圖中可以看出，對(duì)于元器件的焊錫性來(lái)說(shuō)，Set A比Set B要求嚴(yán)格。對(duì)應(yīng)地，如當(dāng)元器件M的焊錫性能通過(guò)了Set A的參數(shù)條件，元器件N的焊錫性只能通過(guò)Set B的參數(shù)條件，則說(shuō)明M比N有更寬的工藝窗口，即在相同的焊接制程下，M比N表現(xiàn)出更好的焊接效果。

4.2.2 Solder Globule法測(cè)試焊錫性

Solder Globule法主要應(yīng)用于表面貼裝元器的焊錫性測(cè)試，常見(jiàn)測(cè)試圖形如下圖8所示。

圖8 常見(jiàn)的幾種測(cè)試圖形

建議的判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表8所示。

表8 建議采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)

從表中可以看到Set A中分別有兩個(gè)F2和F5，即可以采用兩種規(guī)格判斷。

4.3 最大理論潤(rùn)濕力的計(jì)算

在IPC J－STD－002C及IEC系列標(biāo)準(zhǔn)中均提到了理論潤(rùn)濕力(Theoretical wetting force)，該如何計(jì)算是在判斷之前必須清楚的。得出的待測(cè)樣品的理論潤(rùn)濕力量，能供測(cè)試時(shí)參考﹑測(cè)試后判斷。

計(jì)算公式:

式中:

P=測(cè)試樣品的周長(zhǎng)，單位是mm。在最大的浸入深度時(shí)，測(cè)量樣品在錫料/引腳/空氣分界面尺寸;

V=測(cè)試樣品浸入錫料中所占用的體積，單位是mm3。在最大的浸入深度時(shí)，測(cè)量樣品在錫料/引腳/空氣分界面尺寸，然后換算得到的體積;

下面將以引腳浸入錫料為例來(lái)具體說(shuō)明相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法(圖9)。

上面計(jì)算得出的力量是同時(shí)測(cè)試33個(gè)引腳最大理論潤(rùn)濕力，而在實(shí)際測(cè)試中，通常會(huì)單個(gè)引腳測(cè)試，那么單個(gè)引腳的潤(rùn)濕力量是多大呢﹖下面將從兩個(gè)方法分別針對(duì)255°C SnAg3.0Cu0.5錫料下，QFP單個(gè)引腳的潤(rùn)濕力計(jì)算做說(shuō)明。

方法一，由上面的33個(gè)引腳的潤(rùn)濕力量可以直接得出單個(gè)引腳的最大理論潤(rùn)濕力=23.04÷33 =0.698 mN;

方法二，直接通過(guò)原始公式計(jì)算得到單個(gè)引腳的最大理論潤(rùn)濕力量

因此，對(duì)于此引腳的焊錫性測(cè)試，在Set A中的F2應(yīng)該達(dá)到

4.4 潤(rùn)濕曲線面積的計(jì)算

在IPC J－STD－002提到了潤(rùn)濕虛線的下的面積，如果想得到精確的數(shù)值，需要用積分方法計(jì)算，而測(cè)試曲線函數(shù)很難得到，從而造成計(jì)算會(huì)非常復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用中可以采用近似計(jì)算的方法，利用最大理論潤(rùn)濕力量的結(jié)果和測(cè)試時(shí)間來(lái)得出潤(rùn)濕曲線下的近似面積

取前面QFP引腳各參數(shù)計(jì)算得:

5 結(jié)語(yǔ)

能顯著影響潤(rùn)濕平衡法測(cè)試組件焊錫性測(cè)試結(jié)果的項(xiàng)目基本上是預(yù)處理﹑助焊劑﹑浸入深度﹑浸入速度﹑測(cè)試時(shí)間﹑測(cè)試溫度﹑浸入角度等。有測(cè)試驗(yàn)證需求的人員要確定好樣品測(cè)試所需要的條件，是正確分析樣品焊錫性的前提。業(yè)界使用的焊錫天平基本都能實(shí)現(xiàn)所需參數(shù)的量測(cè)，如何能很好地運(yùn)用儀器測(cè)量的數(shù)值達(dá)到精確分析的目的，是需要仔細(xì)了解的。

［1］ IEC－60068－2－69 2007 Tests－Test Te:Solderability testing of electronic components for surface mounting devices(SMD)by the wetting balance method.

［2］ IEC－60068－2－54 2006 Tests－Test Ta:Solderability testing of electronic components by the wetting balance method.

［3］ IPC/ECA J－STD－002C 2008 Solderability Tests for Component Leads，Terminations，Lugs，Terminals and Wires.

［4］ IPC J－STD－003B 2007 Solderability Tests for Printed Boards.

［5］ IPC J－STD－004A 2004 Requirements for Soldering Fluxes.

10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.008

TN784

A

1000－6133(2013)02－0032－06

2013－02－17

試驗(yàn)與檢測(cè)