錫焊材料和設備的可靠性管理

 

本章闡述了電工電子產品錫焊材料和設備的可靠性要求及其試驗方法的有關內容，適用于以錫焊工藝和SMT連接的電子產品。

 

5.1 對焊劑質量的控制

5.1.1  液態焊劑分類

R型：純松香基焊劑，用符合GB 8145的固體松香溶于無氯溶劑而制成。

RMA型：中等活性的松香基焊劑，用符合GB 8145的固體松香溶于無氯溶劑而制成，其中含有改善焊劑活性的中度活性劑。

RA型：活性松香基焊劑，用符合GB 8145的固體松香溶于無氯溶劑而制成，其中含有改善焊劑活性的活性劑。

5.1.2  焊劑質量控制

5.1.2.1  外觀

用目測法檢驗，合格的焊劑應透明、均勻一致，無沉淀、無分層現象，無異物。

5.1.2.2  物理穩定性和顏色

a.  物理穩定性

將均勻的焊劑放入冷凍箱中冷卻到5±2 ℃保持60 min后觀察，應仍保持透明、無沉淀、無分層、無結晶物析出；將冷凍過的焊劑放入烘箱中加熱到45±2 ℃保持60 min后觀察應無結構分層現象。

    b.  顏色

    按GB 1722《清漆、清油及稀釋劑顏色測定法》規定進行測試，也可與未試驗的焊劑原樣進行對比。

5.1.2.3  不揮發物含量

    a.  松香基焊劑，不揮發物含量一般應(15％；

    b.  低松香焊劑，不揮發物含量一般應≤10％；

    c.  微量或無松香焊劑，不揮發物含量一般應≤5％。

5.1.2.4  粘度和密度

粘度：在5 ℃時應能被醫用滴管迅速吸入；

密度：在23 ℃時應為0.78～0.95 g/cm3。

5.1.2.5  水萃取液電阻率

R型和RMA型焊劑 (1×105 Ω·cm；

RA型焊劑 (5×104 Ω·cm；

微量或無松香型焊劑 (3×104 Ω·cm。

5.1.2.6  鹵素含量

R型和RMA型焊劑應使鉻酸銀試紙顏色呈白色或淡黃色；

RA型焊劑的鹵素含量應為(0.07～0.2 )%；

免清洗微殘留型焊劑的鹵素應為0；

免清洗低殘留型焊劑的鹵素含量應為(0.01～0.03) %；

水洗型焊劑的鹵素含量應為（0.5～2.0）%。

5.1.2.7  助焊性

    a.  擴展率

    R型(75％，RMA型(80％，RA型(90％，低松香型(85％，微量或無松香型(80％。

    b.  相對潤濕率

    經120 ℃烘箱老化1 h的0.8 mm銅線，在第三秒的潤濕力與理論潤濕力之比應(35％。

5.1.2.8  干燥度

焊劑殘留物表面在正常大氣條件下應無粘性，表面上的白堊粉應易被除去。

5.1.2.9  銅鏡或銅板腐蝕性

    a.  在溫度23±2℃，相對濕度為（45～55）％RH的密閉室內放置24 h，R型焊劑應基本無變化；RA型和免清洗微殘留型焊劑反應使銅膜無穿透性的腐蝕。

    b.  按SJ 2660中3.10.2條規范試驗，試樣在溫度40±2 ℃，相對濕度 ％RH的恒溫槽中連續放置96h，焊劑反應物的顏色區域應無擴張、無新的色斑、無水解現象。

5.1.2.10  酸值

一般液態焊劑不做此項分析，但使用者掌握焊劑的酸值對焊接工藝是有益的。酸值較高的焊劑在焊接過程中應盡量使其活化分解，且應注意焊劑的殘留物的吸濕性。

酸值表達有兩種方式，固體焊劑酸值和液體焊劑酸值，見SJ 2660中3.12條。

5.1.2.11  絕緣電阻

    a. 對于松香基焊劑，試件在焊接前后的絕緣電阻應不小于表7的規定值。

    b. 在ANSI/IPC-SF-818中，表面絕緣電阻測試（SIR）采用了50℃，90％RH相對濕度（7天）和85℃，85％RH相對濕度（7天）兩種模式，但絕緣阻抗應(108Ω。

 

   注：1)試驗時在溫度40℃、相對濕度（90～95）％RH的試驗箱中96h后測得。具體按GB 9491第5.10條。

5.1.3  試驗大氣條件

    a.  正常試驗大氣條件

    除非另有規定，試驗應在溫度15～35 ℃、相對濕度為（45～75）％和氣壓為86～106 KPa的正常試驗大氣條件下進行。

    b.  仲裁試驗大氣條件

   仲裁試驗的標準大氣條件，試驗溫度為23±1 ℃、相對濕度為（48～52）％和氣壓為86～106 KPa。

5.1.4  試驗方法、檢驗規則、包裝運輸和貯存

按GB 9491中5.6.7條要求；另免洗型低固液態焊劑的容器應采用深色包裝，以避免光線照射下引起變質。

5.1.5  液態焊劑的有效期

有效期一般大于6個月或由供需雙方事前約定，有效期必須在標簽中注明。

 

5.2  對焊料質量的控制

5.2.1  分類及技術要求

5.2.1.1  鑄造類焊料

    a.  鑄造類錫鉛焊料一般分為錠和條兩種，重量應符合表8的規定。

 

表8  錫鉛焊料重量標準

 

    b.  鑄造錫鉛焊料錠和條的表面應清潔，無腐蝕、夾渣、毛刺和外來夾雜物，焊料合金的化學成分應符合GB 8012中表1的規定。

5.2.1.2  擠壓類焊料

    a.  擠壓類錫鉛焊料分為無焊劑芯（絲材、棒材、扁帶、三角條）焊料和有焊劑芯（單芯、三芯、五芯和多芯）焊錫絲兩大類。

    b.  絲材及有焊劑芯焊錫絲的外形尺寸標準應符合表9的規定。圓棒、三角條焊料的外形尺寸標準應符合表10的規定，矩形棒焊料的外形尺寸標準應符合表11的規定，扁帶焊料的外形尺寸標準應符合表12的規定。

   焊料合金的化學成分，A級應符合GB 3131中表3-6的規定，B級應符合GB 3131中表3-7的規定。

    樹脂芯焊劑的類型和用途應符合表13的規定，焊劑的含量占焊料總重量的(1.5～3.0)％，助焊劑的特性指標應符合表14的規定，免清洗焊錫絲焊劑的要求參照免洗焊劑有關條例執行，焊劑含量應均勻，不應有斷空現象。擠壓類焊料表面應光滑清潔，不應有裂紋、夾雜和油污。

5.3  對焊膏質量的控制

5.3.1  焊膏的基本組成

5.3.1.1  合金粉末

    合金粉末是焊膏的主要成份, 是焊接后的存留物，通常約占焊膏重量的90%, 隨著金屬百分含量的增加, 焊接尺寸也增加, 即熱熔后焊料厚度增加。合金粉末的成份、顆粒尺寸、形狀及其含量、氧化程度對焊膏質量影響較大。

5.3.1.2  金屬成分

    a.  焊料應符合GB 3131中的有關規定。

    b.  不同的合金焊料其熔點和機械性能不同，由此構成焊接溫度不同的焊膏。質量良好的焊膏，合金成分應準確，在同一溫度下能保證各個焊點都同時熔化和再流；此外，合金粉末的含氧量應在80 ppm以下。

5.3.1.3  粉末的尺寸

    按照本章5.3.3.2的規定進行測試，粉末通過泰勒式篩子，其尺寸指標如表16所示。

    一般，粉末尺寸測量步驟由用戶和供應商共同確定，建議微粒尺寸認可型號為1、2、3、4型，分別對應160、80、50、40 μm。

 

5.3.1.4  粉末的形狀

    按本章5.3.3.2的要求進行測試，焊料粉末顆粒形狀指標由用戶與供應商共同確定。一般應是有規則的球形和橢球形，其長寬比應在1.5:1以內。

5.3.1.5  表面狀態

    焊料粉末的表面應光亮、平滑，沒有粘結形成的小顆粒團。

5.3.1.6  焊膏焊劑應按本章第14章《對焊劑質量的控制》的要求進行分類測試。

5.3.2  焊膏性能

5.3.2.1  金屬成份

    按重量和按本章5.3.3.1的規定測試焊膏的金屬成份，其金屬成份應占（75～92）％，偏差應在±10％之內。

5.3.2.2  粘度

當以厘泊為單位對焊膏進行測量時，正常粘度值應在標準值的±1％之內。測量方法和狀態按本章5.3.3.5的規定。

5.3.2.3  坍塌度

按照本章5.3.3.6規定的印刷法進行測試，印刷直徑增大不應超過10%，烘烤后不應有互連發生。

5.3.2.4  再流特性

    進行焊球試驗，當熔融焊料在陶瓷或環基板上形成大焊料球時，判為優良；當熔融焊料形成一個大焊料球，但在其周圍有少數小焊料球，直徑不大于50μm時，判為合格；當熔融焊料形成一個或多個大焊料球，周圍還有大量小焊料球時，判為不合格。

5.3.2.5  粘著力測試

    按本章5.3.3.8的規定測試。

5.3.2.6  濕潤

    按本章5.3.3.7的規定測試。經過回流焊后，合格的焊膏應均勻濕潤，金屬樣片上不應出現明顯的反濕性、不濕潤情況。

5.3.2.7  產品分類標準

    a.  焊膏應按分類標準填寫下列各項：

  b.  合金  ％（每批成份元素）；

    c.  焊劑命名；

    d.  金屬 ％（質量）；

    e.  粉末尺寸 (表16)；

    f.  粘度 （用厘泊表示）；

    g.  焊劑命名代號；

    h.  制造廠家。

5.3.2.8  貯存期

    未開封的焊膏，應標明最小貯存期限及其存放條件。

5.3.3  品質確認測試

5.3.3.1  焊料合金成份

從焊膏中分離出焊料金屬：把適當數量的焊膏樣品在25 ℃左右的氣溫下轉換到陶瓷或玻璃容器上，加熱使金屬完全熔化后自然冷凝，然后用適當溶劑溶解冷凝的焊料，最后用認可的技術分析確認溶解液的合金成份。

5.3.3.2  焊料粉末微粒尺寸、形狀和表面狀態

    a.  用適當溶劑從焊膏中去除焊劑，分離出焊料粉末，經過反復清洗直至所有焊膏焊劑被清除為止，然后干燥取出粉末。

b.  粉末顆粒尺寸

    測量粉末微粒大小的方法, 應由用戶與供應商確定，以下示例可供選擇參考。

(  ASTMB 21B標準顯幕微粒尺寸區分方法；

(  亞篩粒度分析儀；

(  顯微鏡；

(  光線放射。

    c.  最基本微粒尺寸

    平均值微粒尺寸，使用晶粒細化分析儀(Hegmamm)確認，型號有CMA185或ASTMD1210。

    d.   焊料粉末微粒形狀和粗糙度

    用足夠倍數的雙目顯微鏡對焊料粉末進行目測，確認其中長寬比在1.5～1.0的和超過1.5～1.0的球形和橢球形微粒的百分率，當長寬比為1.5～1.0的占90％以上時符合球形規則標準。只有比值在1.0～1.07之間的微粒才確認為是完全球形。

    粉末粗糙度用光線散射法進行確認。

e.   表面狀態

用40～100倍雙目顯微鏡進行目測，符合標準的焊料粉末表面應光亮、平滑，沒有微粒粘結形成的小微粒團。

5.3.3.3   焊膏焊劑

焊膏焊劑的分離、測試及其指標應符合本章5.1.2《焊劑質量的控制》的規定。

5.3.3.4  金屬重量

當用以下方法進行確認時，金屬含量應在正常值的±10％以內。

    a.  將10～50 g(精度為0.01g.的焊膏放入已知重量的容器中；

    b.  在大約25℃下，給焊膏加熱至金屬液相溫度以上，待焊膏完全熔化后冷卻凝固；

    c.  用溶劑去除殘留焊劑，取出金屬，然后干燥，稱取金屬重量(度為0.01g., 并確認金屬的百分含量。

5.3.3.5  粘度

  通常采用圓筒旋轉粘度計(Brookfild.測量。粘度受圓筒的半徑、長度、轉速、環境溫度影響，通常采用下列參數和方法：

  環境溫度25±0.25 ℃，圓筒最小直徑5 cm，緩慢攪拌使樣品均勻，測量軸取最小一擋，轉速為5 rpm（轉/分）。

  粘度數據取最后2個周期峰值與最小值的平均值。但當最早的兩個旋轉周期的平均值大于最后2個周期平均值的10％時，則測試無效，需繼續測試。

5.3.3.6  坍塌度

      采用FR-4基材的試驗板，板上有多條間隙為0.2～0.4 mm的焊盤，將焊膏漏印其上；印刷后首先觀察焊膏是否漏印在焊盤上，然后將試驗板放在80℃烘箱中烘3分鐘，再放在170℃的烘箱中烘30秒，最后觀察試驗板的圖形的互連，若沒有發生互連則認為坍塌度合格。

5.3.3.7  再流特性焊球測試

按SJ/T 10670中5.3.2-d中規定進行。

5.3.3.8  粘著力

在溫度25±0.25 ℃、相對濕度（50±10）％RH條件下，保持周圍環境溶劑飽和，防止熔劑揮發。在印制板10 cm2面積上放置約5 g的焊膏并推平，然后取面積為1 cm2 、厚0.5 mm平整的不銹鋼板放在其上，不銹鋼板的中心焊有一根0.5 mm銅絲并連接拉力計，用于測量將不銹鋼板從焊膏中拉脫的力，以表征焊膏的粘著力。要求在16 h后復測一次。一般初始粘結力為 25～40 g/cm2，16h后的為 15～39 g/cm2。

 

5.4  對貼片膠質量的控制

5.4.1  貼片膠分類

5.4.1.1  按基體樹脂材料分類

    有環氧樹脂、丙烯酸樹脂以及聚合物構成的膠粘劑。

5.4.1.2  按固化的方式分類

    有烘箱間斷式熱固化、隧道爐連續式熱固化、紫外固化、光熱雙固化和超聲波固化等。

5.4.2  貼片膠特性

5.4.2.1  貼片膠的涂布性能

a.  穩定的單組份體系及工作壽命

單組份體系在室溫25 ℃下的貯存期為45天以上，低溫5 ℃下的貯存期為3～6個月。

b.  適當的粘度

適應于手工和自動涂敷要求，在涂布過程中應不拉絲、不沾污焊盤。涂敷后能保持輪廓，形成足夠的高度。膠的粘度應滿足絲網/漏板印刷、針轉移法、注射式等涂敷工藝要求。粘度試驗方法按GB/T 2794中規定的旋轉粘度計測量方法進行。

c.  離網性

貼片膠施放在印制板上時應有足夠的濕潤度，膠點應光滑圓整，有濕潤感，不應出現鋸齒狀。

d.  坍落度

貼片膠在涂布后應保持原有的形態，不應出現坍落和漫流現象，觸變特性好，在高溫固化時也不應坍落和漫流。測試時，可用3個直徑0.65 mm、高 0.25 mm 的膠點分別涂敷在平整的試板上, 一個試樣置于25±5 ℃、相對濕度（50±25）%RH的環境下50～70 min；第二個試樣進行固化。測量兩個試樣膠點擴展、收縮后的尺寸，并與原來膠點的尺寸比較，其變化應在10 % 以內 。 

 

e.  粘接強度

在焊接前應能有效地固定元件，但粘接度應適當，便于拆卸和更換元件。

f.  有可鑒別的顏色

貼片膠應具有特有的顏色, 以便輔助視覺檢查、識別安裝過程質量。

5.4.2.2  安全性

貼片膠應無毒、無味、阻燃、不揮發，對環境和人體安全無害。

5.4.2.3  固化性能

a.  快速固化

貼片膠應能在較低的溫度下和較短的時間內固化。

b.  不應放出氣體

貼片膠在固化過程中，不應出現氣體，形成貼片氣孔，導致吸收焊劑和灰塵。

5.4.2.4  固化后的機械電氣性能和相容穩定特性

a.  機械強度

室溫貼片膠在固化后的拉力應為0.7～1 Kg/片，在高溫強度降低時仍有足夠的固著力。在波峰焊時元器件不掉落，能經受印制板的移動、翹曲。

b.  電氣性能和吸濕性

貼片膠應有低的介質損耗、高的體積電阻和表面電阻。在相對濕度95％條件下存放七天后具有以下性能：

           tgδ＜0.02 (1MHz)；

           Rs≥1013 Ω.cm；

           Rv≥1012 Ω。

c.  相容穩定特性

貼片膠固化后應與后續工藝過程中的化學制品相容，不發生化學反應；對焊劑、清洗溶劑保持惰性；在任何情況下具有非導電性和抗濕、抗腐蝕的能力。

5.4.3  貼片膠在使用中應遵循的原則

5.4.3.1  溫度過渡

    貼片膠應冷凍存放, 使用時從低溫環境取出，應放置使其過渡到室溫后, 再啟封容器使用，以防止吸潮,導致固化時放出氣體。

5.4.3.2  控制用量

    應控制貼片膠的用量, 既要充足，充滿基板與元件之間的空間，確保粘牢, 又不應擴散到印制板上，發生互連。按標準SJ/T 10670 5.2.3執行。

 

5.5  漏板質量的控制

5.5.1  金屬漏板制造工藝

    金屬漏板的制造工藝有三種：化學腐蝕(單面或雙面)、激光切割、電鑄法。使用材料有不銹鋼、黃銅鍍鎳、黃銅、鈹青銅等。其中漏板開口的位置、形狀、精度，孔壁的粗糙度、張網所用的絲網和膠水等因素，都直接影響漏板印刷質量。無論采用那種制造工藝都應對以上因素進行嚴格控制。

5.5.2  開口尺寸與漏板厚度

    漏板設計制造應控制：

    a.  開口尺寸比焊盤尺寸小20％以內；

    b.  開口尺寸與漏板厚度之比(1.5；

    c.  開口寬度≥4～5 μm。

5.5.3  制造精度要求 

 

        制造精度應高于±0.05 mm，孔壁粗糙度RZ應控制在15 μm以內。

5.5.4  開口的幾何形狀

a.  對于0.13～0.18 mm厚的漏板，其錐形面一般為0.013～0.025 mm；

b.  對于0.38～0.5 mm厚的漏板,其錐形面為0.038～0.064 mm。

5.5.5  漏板尺寸

漏板的網框每邊應比PCB對應的邊緣大25 mm以上。柔性金屬漏板，當PCB邊長小于200 mm時，網框內邊尺寸取PCB尺寸的2倍以上；當PCB邊長大于或等于200 mm時，網框內邊的尺寸距PCB每邊至少應為100 mm。

 

5.6  工裝的控制

5.6.1  漏板

5.6.1.1  質量控制

    漏板質量控制按本篇18章執行。

5.6.1.2  清洗要求

    漏板在使用后應進行清洗，用柔軟的棉布沾上丙酮或乙醇, 將絲網板的開口部內外徹底清洗, 用空氣噴槍吹掉塵埃, 再用溶劑擦拭，應確認開口部無堵塞。

5.6.1.3  保存要求和壽命

    漏板的保存應避灰塵。為保持緊繃，應垂直豎立放置。漏板的使用壽命因刮刀材料、印刷條件、漏板材料的不同而異，平均在3～5萬次。

5.6.2  刮刀

刮刀是焊膏印刷的重要工具，對工藝影響較大的參數有：形狀、平行度、硬度、安裝角度、外加壓力和行走速度等。宜用金屬刮刀或橡皮刮刀（邵氏硬度90度）。

5.6.3  托架

        工裝架或托架應滿足SJ/T 10533的要求。

5.6.4  防靜電設施

    防靜電設施應滿足SJ/T 10533的要求。

5.6.5  返修工作站

返修工作站應配備防靜電和預熱裝置，能對SMD進行開通，能達到與焊料熔化溫度相差保持在25～50 ℃的范圍。對錫鉛合金焊料，宜預熱至125～150 ℃，以低于4～5 ℃/s的升溫速度逐漸升溫；加熱方法可采用對流、傳導、輻射三種方式，但最終應采用噴射熱空氣的對流加熱或電阻加熱的傳導方式實施。