提高高密度器件贴装合格率

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  摘 要:表面组装技术(SMT)是无需对印制板钻插装孔,直接将片式元器件或适合于表面贴装的微型元器件贴、焊到印制板或其他基板表面规定位置上的装联技术,由于它具有结构紧凑、组装密度高、体积小、重量轻、高频特性好、耐振动抗冲等特点,被广泛应用到电子产品电路中。如何提高高密度器件的贴装合格率,对提高电子产品的质量起着关键作用。
  关键词:表面组装技术(SMT);BGA;QFP;回流焊
  中图分类号:TN401 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2013)11-0091-02
  随着SMT高密度表面组装技术的迅速发展,BGA器件的应用越来越广泛,对SMT装配工艺水平提出了更高的要求,由于BGA器件的检测和返修的成本高,因此如何提高BGA器件的焊接质量成为SMT行业的首要问题。
  1 故障现象
  我公司某产品印制板的BGA、QFP器件进行贴装,在贴装操作过程中,从丝网漏印—器件贴装—回流焊,严格按有关要求和规定执行,贴装的每个工序和环节,检验部门都进行了跟踪和验收。贴装后的印制板全部外协厂对所焊BGA进行了X-ray检测,检测结果为:BGA焊点无虚焊、焊点与焊点之间无桥连现象。检测后的印制板经手工贴装了电阻、电容等器件后,在调试过程却发现这批印制板工作不正常,其中主要是电源部位短路。
  2 原因分析
  为了确认造成短路的主要原因,我们查阅大量资料,学习有关SMT知识,搜集造成焊接不良的各种因素。我们从人、机、料、法环五个方面进行了仔细的分析。
  2.1 来料方面
  根据国军标GJB3243-98“电子元器件表面安装要求”中的要求:电子元器件在测试、烘烤、周转和安装过程中应避免静电损伤、引线扭曲和变形;元器件的引线歪斜度误差不大于1.0%;元器件的引线的共平面度误差应不大于0.1 mm;印制板的弓曲和扭曲应不大于1.0%。
  2.2 设计方面
  2.2.1 印制板设计无基准标志
  根据国军标GJB3243-98“电子元器件表面安装要求”:①对定位孔的要求为:印制板的四个角上,应至少有两个角上各设置一个定位孔,推荐四个角上各设置一个;定位孔作为焊膏施加和元器件贴装的原始基准时,必须保证孔的中心与焊盘图形的精度要求;定位孔的尺寸及位置有表面安装设备来决定。②光学定位基准标志要求为:对带有自动光学定位系统的高精度自动化表面安装设备,一般应在印制板一面两角上或三个角上各安排一个基准标志(称为板级基准),在大尺寸或细节IC焊盘图形的对角上或中心位置上各设置一个基准标志(称为局部基准),这些光学基准为高精度表面安装设备提供公共测量基准。该产品印制板既没有定位孔,也没有光学定位基准标志,即没有为高精度表面安装设备提供测量基准,在贴装过程中容易产生位置偏移,这也是引起短路等故障现象的原因之一。
  2.2.2 印制板的特殊性
  该产品印制板贴装的BGA器件型号为EP20K1000EFC672-2X,BGA焊球个数为:26×26-4(4个角的焊球为空置),此BGA焊球直径为0.6 mm±0.1 mm,印制板中BGA器件所对应的焊盘区域布满了直径为0.445 mm的对穿孔,焊盘直径为0.5 mm,焊盘与焊盘间距为1 mm,通过计算焊盘与对穿孔边沿之间的距离应为0.2345 mm,但部分对穿孔有偏移,不在中心位置。通过贴片机测量,焊盘与对穿孔较近的距离只有0.15 mm,也就是说,对穿孔与焊盘距离太近,因此BGA焊接时焊球塌陷后容易与距离太近的对穿孔相碰,造成短路。根据返修拆除BGA器件后的一块印制板图像(图1)可以看出,焊球痕迹与对穿孔距离十分接近,由于此处阻焊膜面积太小,如果阻焊膜太薄或附着力不好,在回流焊过程中焊锡容易穿过阻焊膜,造成焊球与对穿孔桥接,形成短路。
  2.2.3 工艺方面
  我公司SMT贴装设备自启用以来,分别贴装过含BGA器件的两个品种的产品,贴装后的这两个产品印制板通电调试全部合格。因此我公司具备一定的贴装能力,但由于公司军品贴装产品数量少,单价成本高,工艺及操作人员实践经验相对较少,还缺乏一定的贴装技巧和技能。根据以上分析,确认此次造成印制板短路原因为:印制板具有特殊性,焊盘间距小、对穿孔密度高,以及部分对穿孔位置有偏移;印制板存在特殊性,使用常规的模板漏印工艺,导致焊膏量相对偏多,易与对穿孔短路。
  3 改进方案及实施
  3.1 改进印制板阻焊膜
  针对该产品印制板的特殊性(焊盘间距小、对穿孔密度高,以及部分对穿孔位置有偏移),我们对该产品印制板采取改善BGA焊盘部位的阻焊膜结构,我们及时联系印制板加工厂家,对其提出具体要求,建议完善BGA焊盘部位阻焊膜结构。最后厂家将BGA部位各焊盘之间的对穿孔用阻焊膜封堵,从而杜绝BGA器件焊接后焊球与对穿孔桥连。
  3.2 改进漏印模板
  针对该产品印制板BGA焊接后其锡量相对偏多的现象,在模板设计规范允许范围内我们采取改进漏印模板的方案,以减少锡膏量,避免BGA焊接塌陷后锡球与对穿孔相碰。我们在原漏印模板的参数基础上进行了改进:厚度由原来的0.15 mm改为0.12 mm,BGA焊盘部位开口由原来的100%改为80%。根据以上技术要求重新外协加工模板。
  3.3 改进回流焊接工艺
  在SMT工艺中,回流焊是很重要的一个环节,其焊接质量对最终产品的好坏起着至关重要的作用,因此焊接温度曲线是保证焊接质量的关键。为了进一步提高该产品印制板的焊接质量,必须设置一条合适的回流焊温度曲线,所以需对温度曲线设置进行完善和改进。
  3.3.1 设置再流焊温度曲线的主要依据
  ①不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线,首先应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置,因为焊膏中的焊料合金决定了熔点,助焊剂决定了活化温度(主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间)。②根据PCB板的材料(塑料、陶瓷、金属)、厚度,是否多层板,尺寸大小。③根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小及有无BGA、DSP等特殊元器件进行设置。   3.3.2 温度曲线的具体测试步骤
  ①准备好一块故障印制板(光板、贴片器件不全都不能反映实际热容量与空气对流传导的效率)。②选择能反映组装板上高(热点)、中、低(冷点)有代表的三个测试点(热点:一般在炉膛中间,无元件或元件稀少及小元件处;冷点:一般在大型元器件处,大面积布铜处、传输导轨或炉膛的边缘处、热风对流吹不到的位置),我们分别选择了BGA表面、BGA边角、BGA底部焊球三个测试点。③用高温胶带纸将三根热电偶的三个测试端粘在PCB的三个测试点位置上,需要特别注意的是测试端必须要粘牢,如果测试端翘起,采集到的温度不是焊点的温度,而是周围热空气温度。④将三根热电偶的另一端插入机器后面的1、2、3插孔的位置上,注意极性不要插反,并记住三根热电偶在表面组装板上的相对位置。⑤将被测的表面组装板置于再流焊机入口处的传送链上,同时启动测试软件,随着PCB的运行在屏幕上显示实时曲线。⑥当PCB运行过最后一个温区后,拉住热电偶线将表面组装板拽回,此时完成了一个测试过程。在屏幕上显示完整的温度曲线和峰值表。
  经过反复测试,最终确定焊接温度曲线设置如下:
  上温区(℃):170 175 175 175 180 230 275 230
  下温区(℃):170 175 175 175 180 230 275 230
  链速:80 cm/min。
  在此温度曲线中,升温区的升温速率为:1.5~1.7 ℃/ s;焊接区183 ℃从融化到凝固的液态时间为64~69 s;焊接区最高温度为211 ℃~230 ℃(一般峰值温度在210~230 ℃之间)。
  3.4 贴装工作
  以上工作做完之后,我们对该产品印制板进行了贴装工作,如图2所示。
  4 效果检查
  贴装完成后,我们从两个方面对其进行检测。
  ①X-ray检测。利用X-ray检测仪对BGA焊点进行检测,通过对整体正面、三圈、气泡等几个方面检测焊点有无短路、锡珠、开路、空焊、虚焊等缺陷,检测结果如图3所示。整体正面图片可以清晰看出:焊点与焊点之间、焊点与对穿孔之间无短路、锡桥现象,也没有产生锡珠。三圈图片中看出明显的三圈,说明焊点二次塌陷良好,BGA焊接良好,无开路、空焊、虚焊等缺陷。气泡检测图中可以看出,气泡所有空洞面积占整个焊球面积的比例小于3%,根据IPC-A-610D电子组装件可接受条件中第8.2.12.4条,表面安装阵列-空洞可接受条件为:空洞小于25%焊球X-射线图像的面积。此结果说明焊接预热时间充分,温度曲线设置良好。
  ②电气性能检测。电源部位检测:通过对贴装的印制板的电气性能测量,电源部位没有短路;输入输出端口阻抗测量:通过对贴装芯片各接口的静态阻抗进行测量,所测数据与外协厂家贴装合格的印制板数据相同。
  5 结 语
  BGA器件的焊接是一门十分复杂的工艺,它不仅要保证BGA器件本身的质量,还受到印制板设计、设备能力、人为因素等各方面的影响,若只顾及某一方面是远远不够的。在以后的实际生产过程中我们还要不断研究和探索,努力控制影响BGA焊接的各项因素,使焊接达到最好的效果,进一步提高BGA焊接水平,完善高密度表面贴装器件工艺,提高合格率。
  参考文献:
  [1] GJB3243-98,电子元器件表面安装要求[S].
  [2] IPC-A-610D,电子组装件可接受条件[S].
  [3] 吴懿平,鲜飞.电子组装技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.
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