淺談SMT焊接質(zhì)量檢測(cè)及可靠性分析

摘 要：SMT產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性是SMT產(chǎn)品的生命。SMT產(chǎn)品因?yàn)楹附訉?dǎo)致的問題一般是由于在生產(chǎn)過程中焊點(diǎn)質(zhì)量問題。隨著新型元器件迅速發(fā)展，現(xiàn)如今SMT產(chǎn)品越來(lái)越復(fù)雜，在BGA用于生產(chǎn)之后，CSP和FC也開始步入企業(yè)生產(chǎn)階段，從而使SMT的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)和可靠性分析越來(lái)越復(fù)雜。文章主要介紹SMT產(chǎn)品焊接質(zhì)量的檢測(cè)及其可靠性分析，主要包括各種元器件焊接焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)方式，最后對(duì)SMT生產(chǎn)中焊接的可靠性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：表面組裝技術(shù)SMT；質(zhì)量檢測(cè)；可靠性

引言

SMT焊接的質(zhì)量檢測(cè)一般是檢測(cè)焊接時(shí)焊點(diǎn)的缺陷，一般包括元件的漏焊、虛焊、錯(cuò)位、橋連、焊料球、立件等缺陷。在企業(yè)中，會(huì)更注重SMT焊接質(zhì)量的工藝設(shè)備、工藝材料、工藝經(jīng)驗(yàn)、檢測(cè)和質(zhì)量控制，并為此花費(fèi)了大量制造成本，但始終不能使焊點(diǎn)缺陷率趨于“零缺陷”，所以只能在質(zhì)量檢測(cè)上進(jìn)行深入研究。SMT中焊接焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)的方法多種多樣，所以，我們要依據(jù)實(shí)際需要檢測(cè)的元器件以及需要檢測(cè)的項(xiàng)目等各種因素來(lái)選擇適合的檢測(cè)方法。SMT焊接的可靠性問題主要是：一方面，在熱循環(huán)過程中，焊接焊點(diǎn)通過芯片載體和基板材料出現(xiàn)熱膨脹失配（CET），從而表現(xiàn)為焊接焊點(diǎn)由于熱膨脹導(dǎo)致的疲勞失效。另一方面，隨著對(duì)電子產(chǎn)品性能要求的不斷提高，SMT技術(shù)中的焊接焊劑可靠性也變得越來(lái)越重要。

1 SMT質(zhì)量及常用檢測(cè)技術(shù)

表面貼裝技術(shù)（Surface Mounting Technology）簡(jiǎn)稱SMT。主要工作是將表面安裝元件SMC和表面安裝器件SMD直接貼裝在印制電路板表面。SMT焊接質(zhì)量高的話，它的表面應(yīng)該表現(xiàn)為好的濕潤(rùn)性，引線在焊盤上的焊接部位能夠被焊劑完全覆蓋，同時(shí)引線的高度適中，合理分布元件的位置，焊料的用量適中，焊板面盡量完整且平滑。目前，在表面貼裝技術(shù)工藝過程中，SMT焊接使用的質(zhì)量檢測(cè)方法較多。

1.1 AOI檢測(cè)

SMT焊接質(zhì)量檢測(cè)AOI質(zhì)量檢測(cè)又叫自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)，目前這種質(zhì)量檢測(cè)方法在電子生產(chǎn)過程中已經(jīng)被大多數(shù)企業(yè)認(rèn)可并投入使用。它的優(yōu)點(diǎn)有很多，主要是一方面在線測(cè)試（ICT）和功能測(cè)試（Fr）的通過率能得到提高，同時(shí)能降低目檢和ICT的人工成本，縮短了新產(chǎn)品產(chǎn)能提升周期等等。

AOI質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)與其它的檢測(cè)方式比較，可以將其放在生產(chǎn)線上的多個(gè)地方，但是一般來(lái)說，其中3個(gè)檢測(cè)位置是主要被放置的：（1）第一個(gè)位置一般放在錫膏印刷的后面，這樣可以檢測(cè)出在印刷過程中出現(xiàn)的缺陷，可以把由于錫膏印刷不過關(guān)的焊接缺陷而導(dǎo)致的焊接故障降到最低。（2）第二個(gè)位置一般置于再流焊的前面，這個(gè)主要是檢查元器件是否正確良好的貼放在板上的錫膏里，主要是盡量避免貼片不好導(dǎo)致的故障。（3）第三個(gè)位置一般放在再流焊的后面，這算是最后的把關(guān)，這樣做最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠把在安裝過程中的不良情況全部檢查出來(lái)，保證客戶和用戶手中的產(chǎn)品沒有問題。

1.2 X-ray檢測(cè)

對(duì)于不同器件，其檢測(cè)方法肯定不同。X-ray質(zhì)量檢測(cè)就特別適合檢測(cè)BGA，CSP與FC這類封裝器件下的焊接后焊點(diǎn)的質(zhì)量。同時(shí)因?yàn)閄-ray檢測(cè)能夠滿足產(chǎn)品可靠性的要求，能夠檢測(cè)到肉眼觀察不到的內(nèi)部小孔的焊接缺陷，所以這種檢測(cè)方法也適用于以前的THT和一般的SMT焊接焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)。以前使用有鉛焊料時(shí)，因?yàn)殂U對(duì)X光線的吸收能力比較強(qiáng)，所以焊接的缺陷很容易能夠被顯示出明顯的對(duì)照。目前大家對(duì)環(huán)保概念越來(lái)越重視，漸漸的有鉛焊料被無(wú)鉛焊料所替代，焊料無(wú)鉛化后，越來(lái)越多X-ray質(zhì)量檢測(cè)質(zhì)量嚴(yán)重下降，X-ray檢測(cè)面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。目前X-ray檢測(cè)進(jìn)行改進(jìn)，其工作過程變?yōu)椋枰獧z測(cè)的產(chǎn)品通過扇型光束穿過，然后在檢測(cè)屏上會(huì)出現(xiàn)X光的陰影圖像。所得到的圖像分辨率主要取決于X光管聚焦的尺寸。

1.3 組合測(cè)試技術(shù)

每種SMT質(zhì)量檢測(cè)方式都有其應(yīng)用范圍，目前還沒有找到哪種檢測(cè)方式對(duì)所有情況皆適用的。所以，在實(shí)際SMT產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中，需要由不同的SMT質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的適用條件及范圍，通過適當(dāng)合理的組合，進(jìn)行檢測(cè)，最大程度的把產(chǎn)品缺陷造成的故障降到最低。

2 SMT焊接技術(shù)的可靠性分析

2.1 可靠性概述

在表面貼裝的焊接技術(shù)中，焊點(diǎn)作為焊接的一個(gè)主要部分，一方面需要保證電氣暢通，另一方面需要保證機(jī)械連接。但是隨著電子元件日趨微型化，焊接焊點(diǎn)則需要承載更大的力、更強(qiáng)的電和溫度更高的熱學(xué)負(fù)荷。因此，提高SMT焊接技術(shù)的可靠性關(guān)鍵則需要提高焊點(diǎn)的可靠性。一個(gè)焊點(diǎn)是否良好的判斷準(zhǔn)則應(yīng)該是，在產(chǎn)品的使用周期內(nèi)，它的機(jī)械連接性能、電氣性能都不發(fā)生失效。它的外觀表現(xiàn)為：（1）良好的潤(rùn)濕；（2）引線在焊盤上的焊接部位能夠被焊劑完全覆蓋；（3）焊料的用量適中，焊板面盡量完整且平滑。理想的焊點(diǎn)則需要方面需要保證電氣暢通，另一方面需要保證機(jī)械連接。所以對(duì)于SMT焊接技術(shù)，合理適當(dāng)?shù)目煽啃苑治龊驮O(shè)計(jì)（DFR，Design For Reliability）都是必要的。但SMT焊接的可靠性存在著很多問題。下面我們將分析影響SMT可靠性的幾個(gè)因素。

2.2 影響可靠性的因素

SMT焊接過程中，焊接焊點(diǎn)的理想狀況是要求形成一個(gè)可靠的、電氣上連續(xù)的、機(jī)械上穩(wěn)固的連接，為了保證以上情況的發(fā)生，必須要在設(shè)計(jì)過程中考慮可靠性，焊點(diǎn)可靠性受很多因素影響，其中包括焊點(diǎn)的幾何形態(tài)、焊點(diǎn)的內(nèi)部質(zhì)量、材料的相容性和焊接材料的力學(xué)性能等，其中，焊點(diǎn)的幾何形態(tài)是影響SMT焊接焊點(diǎn)可靠性的重要因素。

SMT焊接焊點(diǎn)的可靠性和它的疲勞失效與焊接過程中的多種因素有關(guān)，從目前研究結(jié)果來(lái)看，SMT焊接過程中，焊接的工藝、材料和焊點(diǎn)的幾何形態(tài)都會(huì)影響焊點(diǎn)壽命，從根本來(lái)說，焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變和應(yīng)力集中是誘發(fā)焊點(diǎn)內(nèi)裂紋萌生與擴(kuò)展的力學(xué)因素。下面將從以下幾個(gè)力學(xué)因素方面對(duì)焊點(diǎn)的可靠性進(jìn)行分析。

（1）元器件的引腳數(shù)相同、焊料的焊膏成分不同，QFP焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度有明顯區(qū)別。試驗(yàn)表明，含鉛的QFP焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度小于焊膏成分為無(wú)鉛QFP焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度；焊膏成分相同、引腳數(shù)不同的QFP焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度也有明顯的區(qū)別。引腳數(shù)越多，尺寸越小，抗拉強(qiáng)度也越高，QFP焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度高于焊膏中釬料合金自身的抗拉強(qiáng)度。（2）試驗(yàn)表明，PBGA焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度隨著焊球的直徑增大而減小，同時(shí)，從材料上看錫鉛共晶釬料（63Sn37Pb）PBGA表面貼裝的焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度大于焊膏中釬料合金自身的抗剪強(qiáng)度。（3）試驗(yàn)表明，CBGA封裝的焊點(diǎn)一般最先起裂的位置位于焊膏與基板的界面處。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋慢慢發(fā)生擴(kuò)展并導(dǎo)致沿晶斷裂；隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，焊點(diǎn)的上界面也逐漸出現(xiàn)疲勞裂紋。焊點(diǎn)的晶粒逐漸長(zhǎng)大且金屬間化合物層厚度增大。

3 結(jié)束語(yǔ)

在SMT焊接過程中，質(zhì)量檢測(cè)及其可靠性分析的研究中，我們總結(jié)了在SMT生產(chǎn)中各種質(zhì)量測(cè)試的方法：自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）、X-ray檢測(cè)、組合測(cè)試、在線電路檢測(cè)（ICT）、邊界掃描、功能檢測(cè)（FT）和系統(tǒng)測(cè)試（ST）等。不管是采用什么樣的方式，都應(yīng)該取決于產(chǎn)品自身的性能、種類和數(shù)量。一般的測(cè)試順序是這樣的：連接性測(cè)試-在線測(cè)試-功能測(cè)試。一般來(lái)說，對(duì)元件及PCB光板特別是印刷焊膏后的測(cè)試，即加強(qiáng)SMT生產(chǎn)的源頭監(jiān)管，會(huì)使故障率大大降低。同時(shí)我們還對(duì)SMT焊接的可靠性進(jìn)行了分析，從根本上找到焊接時(shí)焊點(diǎn)的力學(xué)性能對(duì)焊接質(zhì)量的至關(guān)重要的作用。希望對(duì)SMT焊接在以后的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]謝青松，趙立博.SMT表面貼裝技術(shù)工藝應(yīng)用與探討[J].船電技術(shù)，2009，29（10）：36-38.

[2]胡建明.提高SMT焊接質(zhì)量的方法與措施[J].科學(xué)咨詢，2009（5）：50-51.

[3]徐向榮.電子元器件表面組裝工藝質(zhì)量改進(jìn)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010.