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你可能没那么重视的焊膏选择,其实正是电子组装成功的关键
上传更新:2018-08-30

原创: Jason Fullerton 2018-08-30

作为焊料制造商的技术支持工程师,我会开玩笑地说,没有人会因为简单的问题打电话寻求帮助。现有的用户和潜在的用户常常会问一个常见的问题,就是“我该如何测试和评估新的焊膏?”

 

这个问题看起来很简单,回答起来似乎也不难,但实际情况远不是这样。对于正在寻找新的焊膏的组装厂商来说,由于根据评估结果而做出的最终决定将影响工厂未来几年的运营,因此,评估方法至关重要。不过,评估焊膏有几个基础因素,最佳评估方法因人而异,因此,不同的使用者得到的结果也各不相同。说得更简单些,对于如何评估焊膏这个问题,最佳答案可能是“要视具体情况而定”。换句话说,就是“你更看重的是什么?”

 

所以说,如果每个人的最佳答案都不一样,那该如何开始制定测试计划呢?最好是先从了解评估机构分配用于评估的资源开始,这通常指的是评估机构的规模。如果是一家只有一条SMT生产线且只有一名专职工程师的小型制造商,那他只能把精力放在最重要的因素上,也就是焊膏性能。另一方面,如果是一家拥有很多分支机构的大型制造商(甚至是跨国制造商)在做评估,而且是在专家团队的指导下进行测试,那么测试计划会包含所有可能的性能因素,其涉及的范围会非常广。比较全面的评估可能还会利用定制的或针对具体的测试目标而专门设计的测试设备,甚至可能要在多个地方而不是在一个地方重复做多次测试,而比较小的机构可能只局限于在生产计划中断期间对当前的产品设计或原型产品设计展开测试。任何测试计划的深度和广度都是由有效参与的可用资源来决定的,而且不能超负荷运行,因此,需要耗费大量的时间才能确定结果。

 

既然搞清楚测试计划的大致范围,下一步就是确定要做的测试的具体的关注点。所有评估都要调查清楚的两个关键点是:质量和可靠性。

 

美国质量学会(ASQ)定义的质量是“产品的特性等应符合其陈述的或隐含的需求的能力”。在这种情况下,关注点是由焊膏印刷工艺和回流焊工艺决定的关键工艺输出变量(KPOV),用来保证最终生产出来的印刷电路板组件(PCBA)的质量。这会随产品的功能和设计的变化而变化,所以这些关键因素会随着组装厂商改变。如果制造商有工艺控制计划,不管是什么工艺,找到KPOV最理想的着眼点是从工艺控制计划入手。这些因素都是在目前的工艺中受到控制或经过检查的因素,说明组装厂商在努力使产品达到规范的要求。

 

最明显的KPOV来自焊膏检查(SPI)系统:焊膏印刷体积,通常是以转移效率来计算(实际的印刷体积除以模板孔的理论体积,用百分比来表示)。其他以SPI为基础的输出包括面积覆盖范围和高度,这作为体积测量的补充。因为转移效率的分布将以面积比(A/R)的函数来表示,所以分析每个孔的SPI数据非常重要,它是模板面积比的函数。把所有数据整合在一起将得到整体的数据分布情况,这是由许多不同的子数据分布组成的。例如,(按照IPC/ANSI-J-STD-005的要求),如果使用的是四型粉末尺寸分布的焊膏,面积比超过0.8的孔的转移效率非常接近100%,焊膏尺寸分布的变化非常小。同样的焊膏,在面积比为0.50的孔上测试,焊膏尺寸分布的差别就非常明显,预计的转移效率会比较低,变化也会比较大。把从多个不同面积比的孔得到数据结合起来,特别是在有过多的数据点是取自所有焊膏都能够从容地做出好的结果的位置时,可能会掩盖焊膏的真实性能水平。

 

与印刷性能有关的其他因素可能包括:塌陷表现,在生产短暂停顿后的表现,以及模板寿命。这里列出的问题当然并不全面,而且任何对组装工艺来说非常重要的因素在评估中都是测试的选项。比较小规模的评估可能可以依靠制造商来进行测试,实现测试方法的标准化,比如热塌陷和冷塌陷,在评估过程中,可能需要分配更多的资源来重复这些测试。规模更大的评估可能还要开发独特的测试或测试工具来反映在他们的应用中遇到的特殊问题或独特要求;评估测试开发的限制在于人的想象力和可用的资源。

 

回流焊是可以用评估测试实现质量测量的另一个领域。焊点中的气泡可能是最明显的情况,而且可以在回流焊之后进行相关的质量测试。其他方法还包括测试焊膏的润湿和扩散、防止葡萄状焊点、焊球的性能,以及枕头效应和没有润湿的开路等缺陷。在测试开发期间,重点是识别从回流焊得到的关键输出,它与工艺有关,就像对印刷质量所做的那样,要时刻关注资源的限制。

 

可靠性是第二个主要因素,任何评估都不能把它给落下。根据美国质量学会对可靠性的定义,“产品的可靠性是在规定的条件下执行其预期的功能,并且在一定的时间内不出现故障”。对焊膏而言,可靠性的要求集中在两点:由焊料合金决定的机械特性和由助焊剂化学特性决定的电化学特性。

 

可靠性测试需要了解最终产品的运行环境,这就是为什么正确的测试非常依赖于组装件的设计,客户会如何使用它(也就是“执行其预定的功能”),客户计划在哪里使用它(也就是“在规定条件下”),以及保修期的时限或客户预期的产品寿命(“在一定的时间内不出现故障”)。这需要在开发产品中通过设计功能来定义,因此,只要是执行设计和制造的机构都可以很轻松地确定这些因素。从另一个角度来看,合同制造商很少去关注这些产品因素,在制定可靠性测试计划过程中,要么需要选择有代表性的测试,要么要同客户协商。

 

不幸的是,可靠性测试的成本并不低,而且进展速度也不能太快,因此,在比较小型的评估中,这很容易做出不做这项测试的决定,但做这样的选择存在一定的风险。影响可靠性的因素在制造期间是很难观察到的,但是,随着时间的推移,在决定采用某种新材料的很长一段时间之后,用户的满意度差就说明可靠性有问题。微软的Xbox 360的“三红现象”就是个很典型的可靠性问题的例子,在最初的测试中没有检测出可靠性的问题,但是到了实际的应用环境,大面积地出现可靠性问题,这说明如果在必要时没有做关键的可靠性测试,其产生的后果会非常严重。

 

合金是推动机械性能测试的主要原因,因此在多数情况下,任何一家想用另一种SAC305焊膏取代当前使用的SAC305焊膏的制造商都可以依靠过去的测试,但是在几个微分市场(例如,医疗、航空航天和汽车等市场)中可能存在例外的情况。机械性能可靠性的测试样例包括振动、跌落/冲击、热循环和耐高温测试。振动和跌落/冲击测试机械应力的健状性,热循环测试的热疲劳寿命,以及高温耐久性测试的抗蠕变性。这些测试的具体参数,例如温度、测试持续时间、振动幅度和跌落高度严重依赖产品和它预期的运行环境。

 

电化学可靠性测试对免清洗工艺至关重要。电化学可靠性测试要求使用温度/湿度/偏差度(THB)测试条件。在材料层面,供应商使用各种不同的表面绝缘电阻(SIR)测试证明他们的材料符合规范要求的最低性能水平。但是,这些测试都使用一种特定的偏差度、设计和环境条件组合,这样,它们无法复制所有可能的设计组合。因此,在暴露在适当的环境条件下,在通电的情况下在组装件上测试,这对检验免清洗助焊剂是否适合至关重要。

 

潜在的电化学可靠性缺陷测试对在焊接完成后需要进行清洗的工艺也很重要,但是,这些工艺需要注意确保在清洗后的清洁度。使用清洗的工艺通常依靠在测试组件上的提取物测试(例如,溶剂提取物的电阻、离子色谱、离子色谱法),来证明清洗工艺的有效性。在提取测试存在限制时,还可以在组件清洗完成后执行用于免清洗组件的THB测试,确保经过清洗的组件达到可靠性的要求。需要注意的是,在没有经过清洗的免清洗材料上进行提取测试,是单独使用的并且与在组装件上平行展开的THB测试没有关联关系,这不适合作为可靠性评估测试。

 

最后,只要是好的测试计划都非常重视在受到控制的环境中保持条件始终不变的情况下开发定量测量。如果在分析过程中在数据中发现异常,那么就可以认为数据可能存在问题,需要搞清楚出现异常的原因并消除它。在一些例子中,可能还需要重新做测试,而好的评估,在测试过程中不会出现有一小部分焊膏因特殊情况而出现不正确的数据。不要害怕和拒绝糟糕的数据,哪怕这是个不受欢迎的选择!你可以跟踪好的数据,它可以告诉你如何选择焊膏并预测在未来的几年里有可能帮助你取得成功的焊膏。重点应该是执行良好的测试并且在最后一次尝试中收集好的数据,而不是一味地要求在第一次就把测试做得尽善尽美,也不要想着只做一次测试。

 

作者简介:Jason Fullerton是Alpha Assembly Solutions公司客户技术支持工程师。

 

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