SMT印制電路板工藝質(zhì)量改良研究

趙琳

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊，050000）

0 前言

隨著市場競爭日益激烈，幾乎所有制造類企業(yè)都高度重視產(chǎn)品質(zhì)量管控，對產(chǎn)品可靠性也提出更高要求。某企業(yè)通過現(xiàn)場問題反饋的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的通信設(shè)備的PCBA（printed circuit board assembly裝配印刷電路板）是失效比例最高的部件，比例超過了50%。失效的主要原因是PCBA的工藝質(zhì)量出現(xiàn)問題。影響工藝質(zhì)量的因素很多，包括DFM設(shè)計、物料優(yōu)選和管控、生產(chǎn)工藝及管控、檢測及可靠性保證體系等多個環(huán)節(jié)，而且各個環(huán)節(jié)相互動態(tài)影響。本文將重點從物料管控、工藝鑒定、制程優(yōu)化等方面進行探討。

本文研究的目的是提高產(chǎn)品工藝鑒定水平，提前發(fā)現(xiàn)并解決工藝潛在缺陷，提升工藝可靠性水平，使錫珠、助焊劑殘留、虛焊（空焊）、脫焊等導致的工藝制程缺陷率下降40%。通過研究來甄別不合理工藝，優(yōu)化和改進工藝流程，并形成工藝固化機制和高效的工藝優(yōu)化團隊。

1 SMT裝配印制電路板概述

SMT裝配印制電路板是利用SMT（Surface Mounted Technology）表面組裝技術(shù)將元器件貼裝在絕緣PCB基板上，采用印制、蝕刻、鉆孔等不同方法來制造出導體圖形并和SMT元器件建立電路的互連互通。對PCB電路板圖形的設(shè)計及制造提出了很高要求。SMT作為電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝，能夠有效節(jié)省PCB面積，讓SMT印制電路板具有非常顯著的結(jié)構(gòu)特征。它在元器件的封裝方面有一定的要求，為了提供更好的電氣性能和通信聯(lián)系，在焊接時，要經(jīng)受較高溫度的元器件和基板必須具有匹配的熱膨脹系數(shù)，幫助散熱并為傳送和測試提供方便，從而實現(xiàn)對元器件內(nèi)部的保護。SMT工藝流程主要包括錫膏印刷、器件貼裝、回流焊接、AOI光學檢測、返修等環(huán)節(jié)。

2 PCBA產(chǎn)品工藝鑒定流程與問題分析

工藝鑒定是新產(chǎn)品試制與批量生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)，試制品合格是批量投產(chǎn)的前提條件，能有效避免因為工藝缺陷和可靠性缺陷造成巨大經(jīng)濟損失。產(chǎn)品工藝鑒定具有重要意義，首先，它可以通過可靠性評估，預先甄別出工藝質(zhì)量問題和可靠性缺陷，指出工藝質(zhì)量缺陷和潛在可靠性問題。其次，它可以通過改進工藝設(shè)計，完成工藝質(zhì)量優(yōu)化和流程固化。再次，它可以完善企業(yè)鑒定能力及管理。

■2.1 工藝鑒定流程

本文以某企業(yè)通信設(shè)備某型號的控制板試產(chǎn)產(chǎn)品（單板PCBA）為例進行工藝鑒定測試，采用新工藝、新板材時需要實施。工藝鑒定流程如圖1所示。

圖1 PCBA產(chǎn)品工藝鑒定流程

■2.2 工藝質(zhì)量鑒定流程

該通信設(shè)備的PCBA工藝質(zhì)量鑒定流程如圖2所示，樣本數(shù)量要求為35～50pcs（PCBA）。在PCB離子清潔度測試項目中，為了進行不同狀態(tài)下PCB表面清潔度對比，需要另外準備3pcs裸板PCB（未噴助焊劑、未裝配元器件）、3pcs裸板PCB（波峰工序中噴助焊劑、未裝配元器件），分別檢測其離子清潔度。

圖2 PCBA產(chǎn)品工藝質(zhì)量鑒定流程

所有待鑒定PCBA樣品都需按照產(chǎn)品的功能要求進行ICT和FCT功能測試，確定功能是否正常，同時做好編號。對所有通過功能測試的PCBA樣品進行焊點外觀全檢。主要觀察對象為虛焊、橋連、立碑、錫珠、錫渣、縮錫、拉尖、通孔填充高度等工藝缺陷或異常。當外觀檢查不能判斷是否存在通孔焊料爬升高度不足、橋連、焊料噴濺等問題的情況下，應借助X-ray檢查。從通過功能測試的PCBA樣品中任選5pcs，對樣品上的塑封IC類器件進行聲學掃描檢查，主要針對裂紋、空洞和分層等進行鑒定。從通過功能測試的PCBA樣品中任選3pcs，依據(jù)器件類型、焊接類型進行金相切片，觀察焊點金相組織的均勻性、空洞的大小及位置、測量IMC層厚度、判定焊接缺陷如開裂、冷焊、潤濕不良等。選擇代表性的焊點（2個/種）進行抗拉/剪切檢測，應關(guān)注焊點的失效模式以及拉（推）力的大小。評估PCBA在高溫高濕環(huán)境下是否存在因離子殘留導致絕緣阻值下降的問題。評估PCBA在高溫高濕環(huán)境下是否存在因離子殘留導致的電化學遷移問題。評估焊點在運輸和使用過程中抵抗振動導致的互連失效的能力。評估焊點在運輸、使用過程中抵抗機械沖擊導致的互連失效的能力。溫度循環(huán)評估焊點耐熱疲勞的能力。

■2.3 工藝鑒定問題分析

通過對該通信設(shè)備某型號的PCBA的工藝鑒定，發(fā)現(xiàn)它存在如下一些問題。

（1）PCB表面離子清潔度：PCB表面離子殘留超標，PCB離子殘留量臨界于標準要求，通過對可能影響殘留量的各個因素加以試驗和排除，確定主要因素為PCB來料的離子清潔度問題及波峰焊接用助焊劑殘留量較大導致，應該加強PCB來料的離子清潔度檢測和管控,另外應該優(yōu)化助焊劑的使用工藝。

（2）外觀及X-Ray：所檢樣品主要外觀工藝缺陷為虛焊、連焊、錫珠、焊點開裂、針孔、縮錫、拉尖、劃傷、PTH填充高度不足等。上述缺陷的發(fā)生主要與焊接工藝曲線設(shè)置不當（如預熱不足、焊接時間和焊接溫度不足等）、助焊劑噴涂質(zhì)量、PCB通孔孔壁表面狀態(tài)、被焊元器件引腳可焊性等因素有關(guān)，需要從來料優(yōu)選與管理、工藝現(xiàn)場等方面進行優(yōu)化和管控。

（3）絕緣電阻：部分測試點潮熱后阻值不合格，潮熱后板面防潮油變色嚴重；測試位置未見明顯遷移現(xiàn)象，但其他測試位置的導線存在明顯的變色和腐蝕，如圖3所示。

圖3 絕緣電阻不合格

（4）電環(huán)學遷移：產(chǎn)品電化學遷移試驗后外觀檢查發(fā)現(xiàn)板面防潮油均嚴重變色，但電極間未發(fā)現(xiàn)明顯的電遷移和腐蝕。

（5）振動：在振動試驗后功能測試不通過，外觀檢查發(fā)現(xiàn)橋堆的部分引腳存在斷裂的現(xiàn)象和電感L1脫落、線路缺損、電感PTC脫落，如圖4所示。

圖4 隨機振動不合格

（6）機械沖擊試驗：試驗后外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)元器件脫落及焊點開裂等明顯損傷。

（7）溫度循環(huán)試驗：樣品防潮油普遍存在變色，對代表性性焊點金相金相切片和推拉力試驗后，樣品個別焊點斷裂模式為PCB基材斷裂，焊點拉力值明顯較接收態(tài)小。焊點金相切片均發(fā)現(xiàn)焊點開裂缺陷。

3 工藝質(zhì)量改良措施與效果分析

■3.1 改良措施

針對PCBA產(chǎn)品工藝鑒定發(fā)現(xiàn)的工藝問題，一定要從人、機、料、法、環(huán)、測等幾個方面進行系統(tǒng)整改，具體改良措施如下。

（1）加強人員培訓：建議技術(shù)工程師首先對一線的生產(chǎn)技術(shù)人員進行培訓。根據(jù)工藝方面所存在的工藝問題，對工程師進行技術(shù)培訓，提高技術(shù)人員對工藝生產(chǎn)中可靠性余量和可靠性保證的重視和正確理解，對可能出現(xiàn)的工藝問題應該從設(shè)計角度考慮，而不要局限于生產(chǎn)現(xiàn)場的單純工藝技術(shù)調(diào)整。

（2）提高設(shè)備維護水平：特別是波峰焊接設(shè)備，設(shè)備達不到工藝要求的陳舊設(shè)備，應該進行升級，并確保每一臺波峰焊接爐都配有助焊劑流量計。

（3）加強工藝物料檢測和管控：嚴格執(zhí)行修訂后的企標要求，檢測環(huán)境、檢測設(shè)備、檢測人員操作方法務(wù)必落實到位，特別是檢測工作的監(jiān)督等問題要投入人力和物力去落實好。

（4）優(yōu)化工藝制程：生產(chǎn)制程中，特別是波峰焊接和回流工藝工序，按照修訂后的波峰焊接工藝和回流工藝規(guī)范進行規(guī)范生產(chǎn)。在工藝生產(chǎn)前，檢查與上個工序的生產(chǎn)時間間隔是否符合企標要求。如果不符合，應該拒絕生產(chǎn)，并報知相關(guān)的生產(chǎn)主管。

■3.2 工藝質(zhì)量改良效果分析

鑒于篇幅，本文僅展示了優(yōu)化后板面錫珠，如圖5所示。大銅箔面被裹挾的錫珠不違反最小電氣間隙，基本滿足行業(yè)標準的要求。

圖5 優(yōu)化后的板面錫珠效果示意圖

4 研究發(fā)現(xiàn)與建議

本文主要探討了某SMT裝配印制電路板的工藝改良問題，闡述了PCBA工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的重要影響，指出了工藝鑒定與工藝優(yōu)化方面存在的不足。本文重點介紹了PCBA產(chǎn)品工藝鑒定流程，介紹了鑒定過程發(fā)現(xiàn)的問題，提出了工藝質(zhì)量改良的幾點措施，展示了優(yōu)化后的板面錫珠效果。本文的研究為企業(yè)PCBA工藝質(zhì)量改良提供了指導思想。本文也建議企業(yè)應該固化物料管控辦法，修訂物料的質(zhì)量評估辦法，包括技術(shù)要求、檢測方法和判定標準，加強企標的執(zhí)行力度，落實到物料管控實踐中。同時，企業(yè)應該固化工藝制程管控辦法，修訂工藝制程中各個環(huán)節(jié)的要求，可以有效管控工藝制程和保證制程可靠，建議加強企標的執(zhí)行力度，落實到生產(chǎn)實踐中。