電子產(chǎn)品中元器件虛焊問題分析

汪選勝

（安徽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，合肥 230601）

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，常見的插件有數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）插件、數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）插件等。據(jù)統(tǒng)計，一塊DSP 插件板卡的焊點為13 000 個左右。這些焊點的焊接質(zhì)量直接影響插件信號的通信與交互，甚至影響電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運行性能。大規(guī)模密集型的焊點焊接對質(zhì)量有著更高的要求[1]。

虛焊通常指焊點無熔核或焊點熔核尺寸小于規(guī)定值，是焊點質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的一種失效模式[2]。因此，對于電子產(chǎn)品中元器件焊點的焊接是過程質(zhì)量控制中非常重要的一環(huán)。文章以某電子產(chǎn)品中一塊DSP 插件的電阻R18 和FLASH 芯片（位號“D5”）的數(shù)據(jù)線DQ5 引腿虛焊為案例，分析焊點虛焊狀態(tài)下可能存在的原因，并提出相應(yīng)的解決措施，從源頭上杜絕虛焊問題的發(fā)生，從而提升產(chǎn)品的過程質(zhì)量控制。

1 電子元器件虛焊機理分析

對于某電子產(chǎn)品中一塊DSP 插件的電阻R18 和FLASH 芯片（位號“D5”）的數(shù)據(jù)線DQ5 引腿虛焊，可能造成虛焊的因素主要包括印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）設(shè)計、裝焊材料和裝焊工藝3 個方面，如圖1 所示。

圖1 造成虛焊的主要因素

1.1 PCB 設(shè)計分析

《軍用電子設(shè)備印制電路板設(shè)計要求》（GJB 4057—2000）中明確規(guī)定，電路板設(shè)計時元器件焊接管腿與焊盤必須匹配，整體布局盡可能均勻。大質(zhì)量器件再流焊時熱容量較大，過于集中容易造成局部溫度低而導(dǎo)致虛焊，因此應(yīng)分開均勻放置。布局均勻也有利于重心平衡，在振動沖擊實驗中不容易出現(xiàn)元件、金屬化孔和焊盤被拉壞的現(xiàn)象。

按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，從元器件手冊中查找電阻R18、FLASH 存儲器芯片D5 的布線管腿尺寸，再從印制板圖中找到對應(yīng)元器件的實際布板尺寸進(jìn)行核對。不同型號的電阻的電阻與焊盤外形尺寸表，如表1所示。插件板上電阻R18 型號為RMK1608（0603）-0.1W，如圖2 所示。電阻長為（1.60±0.15）mm、寬為（0.80±0.15）mm， 焊盤長為（0.30±0.20）mm、寬為（0.30±0.15）mm。實際印制板上電阻焊盤長為2.0 mm、寬為1.0 mm，焊盤長寬均為0.5 mm，證明該電阻在PCB 上的焊盤設(shè)計合理。模塊板卡上FLASH 芯片D5型號為S29GL128N10TAI02，焊盤尺寸如圖3 所示，長為1.05 mm、寬為0.50 mm，實際印制板上焊盤長為1.90 mm、寬為0.50 mm，證明該芯片在PCB 上的焊盤設(shè)計合理。這樣就可排除焊盤設(shè)計與引腳不匹配的問題[3]。

表1 不同型號的電阻的電阻與焊盤外形尺寸表

圖2 電阻尺寸

圖3 FLASH 芯片尺寸

由于FLASH 芯片D5 屬于大質(zhì)量器件，在流焊時熱容量較大，需要分開均勻放置。觀察DSP 電路板整體布局可知：R18 在電路板上布局均勻，電阻不存在流焊時熱容量較大等情況；D5 芯片在電路板上布局均勻，重心平衡，滿足整體布局均勻的要求。

1.2 裝焊材料分析

裝焊材料方面的主要問題包括PCB 焊盤受污染、可焊性差，焊膏質(zhì)量差、焊盤上焊膏量少或沒有焊膏，元器件鍍層氧化、可焊性差等。

相關(guān)文件明確了針對表面貼裝元器件的篩選規(guī)范，即對于表面貼裝的電阻、電容、電感采用《計數(shù)抽樣檢驗程序 第1 部分：按接收質(zhì)量限（AQL）檢索的逐批檢驗抽樣計劃》（GB/T2828.1—2012）進(jìn)行檢查，按接收質(zhì)量限（Acceptance Quality Limit，AQL）值進(jìn)行抽樣二篩，且由此類貼裝構(gòu)成的部件、單元、分機必須進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選（Environmental Stress Screening，ESS）。對于表面貼裝無測試能力的集成電路，在由此類器件構(gòu)成的部件、單元、分機上進(jìn)行至少一次ESS，意味著后期的通電檢查、應(yīng)力篩選、老練篩選等都在驗證元器件的有效性。

電阻R18 是表貼電阻，整盤采購，一盤3 000 個電阻，機器上貼裝一個編帶就需要一盤。一盤電阻的包裝并不密封，也沒有逐個檢驗。當(dāng)個別焊端出現(xiàn)輕微污染、銹蝕、氧化或者共面性不符合要求時，貼裝就可能出現(xiàn)焊點失效。雖然回流焊爐在焊接操作中會對元器件焊端氧化、共面性進(jìn)行檢查，但是輕度的氧化和不共面性檢查存在遺漏的可能。當(dāng)電阻有一個焊端出現(xiàn)輕微氧化時，焊膏與焊端合料不充分，就有可能造成焊點失效。

位號“D5”的FLASH 元器件，采購后未逐一檢驗。當(dāng)元器件的個別管腿出現(xiàn)輕微不共面性時，機器貼裝會在輕微不共面的管腿上出現(xiàn)焊點失效。當(dāng)不共面性很明顯時，超出回流焊爐的檢查范圍，機器就會停止工作，不再貼裝此類元器件。

1.3 裝焊工藝分析

印制板廠對回流焊爐焊接的插件板進(jìn)行“三檢”，即自查、互查和檢驗。這3 種檢查方法都是在自動光學(xué)檢測（Automated Optical Inspection，AOI）測試儀器檢測的基礎(chǔ)上增加肉眼檢查。當(dāng)浸潤角小于90°時認(rèn)為焊點合格，漏檢率為5%。自檢、互檢中，人工檢查主要針對存在明顯焊接問題的焊點進(jìn)行返工。插件板上電子元器件密集程度高，人工檢查每個焊點不可能實現(xiàn)，需要對每塊貼裝完成的電路板進(jìn)行通電調(diào)試、長時間通電考機、應(yīng)力篩選試驗、老練試驗和環(huán)境試驗等工作，同時包括檢查焊點的失效性。

印制電路協(xié)會（Institute of Printed Circuits，IPC）主要為印制板、電子組裝件行業(yè)及其用戶提供發(fā)展規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，其中一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被美國等國家標(biāo)準(zhǔn)所采用。IPC 統(tǒng)計給出的焊接焊點失效率在5‰內(nèi)都屬于正常范圍。在該插件中，13 000 個焊點中共有2 個焊點虛焊失效，失效率為0.15‰，屬于正常范圍，可以判定焊點失效為偶發(fā)單一性失效[4-5]。

2 電子元器件虛焊控制手段

電子產(chǎn)品中，元器件的焊接表貼是項特殊的工作。焊點失效虛焊狀態(tài)主要從PCB 設(shè)計、裝焊材料和裝焊工藝3 個方面進(jìn)行過程質(zhì)量控制，從源頭杜絕虛焊問題的出現(xiàn)。

在PCB 設(shè)計方面，設(shè)定合理的焊接參數(shù)。焊接參數(shù)的設(shè)定需要根據(jù)插件電子元器件的PCB 焊點設(shè)計規(guī)范和實際操作中的焊接經(jīng)驗，在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)通過試片、試焊等方式，調(diào)整相應(yīng)的焊盤大小和引腳大小。

在裝焊材料方面，增加貼片在焊接前、焊接中和焊接后的檢測機制。逐個檢查小批量的芯片，而大批量的芯片采用抽檢方式，重點檢查電子元器件的污染、氧化、不共面性等情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。針對批次性的問題，查找發(fā)生的原因，杜絕隱患。

在裝焊工藝方面，加強對電子元器件的采購、存儲控制環(huán)節(jié)，盡量減少元器件的污染、氧化、不共面性。在通電調(diào)試中，將發(fā)現(xiàn)的焊接問題及時反饋給裝調(diào)廠家把問題閉環(huán)，同時在后續(xù)長時間通電考機檢查、應(yīng)力篩選、環(huán)境試驗和老練篩選檢查中重點關(guān)注返工焊接的元器件和同種類的插件板，找到共性問題的原因，將偶發(fā)故障的故障率降至最低。

3 結(jié)語

在電子產(chǎn)品制造過程中，元器件的焊接質(zhì)量是影響整機運行性能的重要因素，而焊點虛焊狀態(tài)是在電子元器件調(diào)試、裝配過程中最常見的質(zhì)量問題。文章以具體的電阻與集成電路虛焊為案例分析虛焊的機理，找到對應(yīng)的因素并針對性提出控制手段，從設(shè)計、機制、管理等方面確保有效監(jiān)控電子元器件的焊接，力爭杜絕虛焊的出現(xiàn)，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。