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2020-01-26

PCBA锡膏清洗剂合明科技分享:军用PCBA通孔插装元器件“禁止双面焊”的必要性

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:202

PCBA锡膏清洗剂合明科技分享:军用PCBA通孔插装元器件“禁止双面焊”的必要性


一、引言

“禁限用工艺”起因于国家有关部门为加快产品技术进步,淘汰落后的生产能力,促进生产工艺装备和产品的升级换代而发布的《淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录》。

对于严重影响产品质量和可靠性的设计和工艺、影响环境保护和职业健康安全的设计和工艺,包括易造成产品质量常见病、多发病的工艺,导致产品合格率低的工艺,导致产品质量不稳定又难以控制、难以检测的工艺等,特别是严重影响产品可制造性的设计,我们用禁限用工艺来表示。

(1)什么是禁用工艺

在产品研制生产中,违反国家法规、严重污染环境、危害生产安全、不能保证产品质量,应淘汰或采用其他工艺方法替代的工艺。

(2)什么是限用工艺

在产品研制生产中,产品质量保证难度大或对环境保护有影响,但采取措施后,在一定条件下可以满足产品质量或使用要求的工艺。

从保证产品质量、环境和技术安全的角度出发应予以禁止,但就近期实际使用情况而言,尚无成熟替代工艺,在一定期限内采取规定控制手段的前提下还可使用,但长期必须或逐步淘汰的工艺。

(3)禁限用工艺并非航天专利

“禁限用工艺”各行各业都有。建筑行业有建筑行业的“禁限用工艺”,食品行业有食品行业的“禁限用工艺”,机械行业有机械行业的“禁限用工艺”……“禁限用工艺”这个名词不是航天的专利,也不是由航天部门首先提出来的。

在电子装联领域,对于实施“禁限用工艺”的必要性和可行性,长期以来得不到应有的重视。虽然很多标准内都以“不”“不能”“不应”“不允许”“应按”等词表述,但或许认识不足,或者由于内容分散,或许由于宣贯不力,并未引起工艺师尤其是电路设计师的高度重视,航天部门给予强调,提出“禁限用工艺”来规范设计和工艺,对于规范电子产品的设计和工艺,提高产品质量无疑是有益的。

二、提出“禁止双面焊”的必要性

1.PCBA禁止双面焊的规定

为提高焊接可靠性,QJ 3012和QJ 3117规定:印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊,焊料从印制电路板的一侧连续流到另一侧,禁止双面焊。双面焊往往会掩盖金属化孔本身质量问题,造成孔内夹渣、气泡、虚焊等缺陷,对多层印制电路板影响尤为严重。

①焊接要求:焊料在多层PCBA金属化孔中的渗透应不小于孔深度的100%,如图1所示。


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图1 焊接要求

②用单面焊接实施上述目标,焊接面的焊接质量要求如图2所示;此时PCBA元器件面的焊盘上焊锡铺展率达90%以上,引脚和孔壁呈现360°的润湿,严禁双面焊,如图3和图4所示。

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图2 焊接面的焊接质量要求

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图3 元器件面焊接优良

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图4 元器件面可接受焊接270°

③波峰焊时允许元器件面金属化孔内壁、PCBA焊盘及通孔内焊料有不超过25%板厚的焊料凹缩,如图5所示。

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图5 波峰焊时金属化孔焊接合格的垂直填充

通孔插装元器件的焊接质量判据分别如图6至图9所示。

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图6 良好焊点,0°<θ≤30°

良好焊点:可焊区(焊盘和引脚)被润湿的焊锡覆盖,且焊锡表层内的引脚轮廓可辨认;无空洞或表面瑕疵;引脚和焊盘润湿良好;引脚固定;引脚周围焊锡100%填充。

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图7 合格焊点,30°<θ≤40°

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图8 可接受焊点,40°<θ≤55°

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图9 通孔插装元器件金属化孔焊接引线和孔壁焊接面可接受焊接:270°,3/4

然而,通孔尺寸设计不当;PCB加工工艺控制不当,设备精度失控或通孔电镀不佳;元器件及PCB焊盘可焊性极差,如存在氧化、污染、焊端材料特性与焊料及助焊剂不匹配;助焊剂漏喷;波峰焊工艺参数设置不合理,如预热不足或过度、带速过快、波峰高度不足,以及波峰焊时支撑部位挡住焊接部位;等等。由于上述原因造成焊料未能完全润湿元器件引脚、PCB通孔及元器件面焊盘,金属化孔透锡率不符合要求,如图10所示。

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图10 金属化孔透锡率不符合要求案例

2.“禁止双面焊”的来源

QJ 3012和QJ 3117中规定:“印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊,焊料从印制板的一侧连续流到另一侧,禁止双面焊”。QJ 3012和QJ 3117相续于1998年和1999年制定,而在这两个标准出台之前,1995年航空部已经制定了HB 7262.2《航空产品电装工艺 电子元器件的焊接》工艺规范。HB 7262.2《航空产品电装工艺 电子元器件的焊接》工艺规范规定如下。

①金属化孔双面印制电路板的焊接应符合图11所示的要求;采用单面焊接,使焊料在孔内充分润湿,并流向另一侧。

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图11 金属化孔双面印制电路板焊接

②多层印制电路板的焊接应符合图12所示的要求。严禁双面焊接以防金属化孔内焊接不良。

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图12 多层印制电路板的焊接

③为防止产生虚焊,严禁在印制电路板焊盘、金属化孔可焊性不符合QJ 201A及元器件引线可焊性不符合SJ 10669的情况下违章焊接。

④HB 7262.2与QJ 3012和QJ 3117中规定了“印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊,焊料从印制电路板的一侧连续流到另一侧,禁止双面焊”,那么这些标准中规定的“焊料从一侧连续流到另一侧”中“一侧”和“另一侧”是什么含义呢?在不违背“禁止双面焊”的原则下是否允许焊料从元器件面流向焊接面呢?或者说只要保证焊接质量和避免对元器件的不良影响,不管从哪边进行单面焊接都是允许的呢?

QJ 165B—2014在第5.5.4.2.2条有明确规定:“焊料只能从焊接面通过金属化孔流向元器件面,焊料应100%润湿金属化孔,并覆盖焊接面的整个焊盘。”

⑤业界提出:“在保证一次透锡的情况下,使用尖形烙铁头对透过的焊锡进行重熔修复”,实际上这里所指的“对透过的焊锡进行重熔修复”就是“双面焊”的代名词。对焊点进行“重熔修复”,在工艺上属于返工返修,应按QJ 2940A进行。

这里需要明确:任何意义上的“重熔”都不利于焊接可靠性的提高;重熔会导致IMC厚度的增长,甚至达到50μm,焊点变脆,焊接强度下降,振动条件下存在严重的可靠性隐患;重熔IMC需要更高的温度,否则是不能去除IMC的。通孔出口处镀铜层最薄,重熔后焊盘易从此处断裂;随着Z轴的热膨胀,铜层发生形变,由于铅锡焊点的阻碍,焊盘发生脱离。PCB因玻璃纤维与环氧树脂因有水汽,受热后分层;多次焊接,焊盘易起翘,与基材分离。

3.“双面焊”的危害

①双面印制电路板,尤其是多层印制电路板要求单面焊接,禁止双面焊接的原因是为了防止金属化孔内出现焊接不良现象,如图13至图10-16所示。

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图13 焊料渗透不合格点

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图14 多层板插装金属化孔、中继孔孔壁隐患的金相分析照片

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图15 焊料渗透不合格点甚至存在严重电气连接隐患

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图16 双面焊接的后果

②焊料在多层PCB金属化孔中渗透不良的焊点缺陷,将有可能存在内层连接盘与元器件引线接触不良的隐患。以75%的渗透深度计算,焊点可能存在下述不可靠的结果。

●厚度为2mm的4~8层印制电路板:金属化孔中将可能有2层中的内层连接盘与元器件引线不能直接通过焊料连接,如图17(a)所示。

●厚度为2.2mm的10层以上印制电路板:金属化孔中将可能有3层中的内层连接盘与元器件引线不能直接通过焊料连接,如图17(b)所示。

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图17 焊料在多层PCB金属化孔中渗透不良的焊点缺陷

三、基于Pro/Mechanical对透锡量的验证

用Pro/Mechanical软件对通孔插装元器件引线焊接后不同透锡量对焊接可靠性的研究表明,只有透锡量为100%时才能获得最佳的焊接可靠性。

1.试验数据

(1)4条引线透锡率100%

①应力集中在4条引线根部,最大应力为4.664×10^4Mpa。

②位移从上到下层状分布,4条引线最大形变量为0.444mm。

(2)一条引线透锡率75%,其余引线透锡率100%

①应力集中在4条引线根部,最大应力为8.529×10^4Mpa。

②位移从左到右层状分布,75%透锡率引线形变量最大为0.444mm。

(3)同侧引线透锡率75%,其余引线透锡率100%

①应力集中在引线上部,75%透锡率应力小于100%透锡率引线,最大应力为1.278×10^5Mpa。

②位移从左到右层状分布,75%透锡率引线形变量最大为1.190mm。

(4)异侧引线透锡率75%,其余引线透锡率100%

①应力集中在引线上部,75%透锡率应力小于100%透锡率引线,最大应力为7.813×10^4Mpa。

②位移从左到右层状分布,75%透锡率引线形变量最大为0.6437mm。

(5)3条引线透锡率75%,1条引线透锡率100%

①应力集中在引线上部,75%透锡率应力小于100%过锡率引线,最大应力为1.145×10^5Mpa。

②位移从左到右层状分布,75%透锡率引线形变量最大为1.271mm。

(6)4条引线透锡率75%

①应力均匀分布,且集中在引线上部,最大应力为1.467×10^5Mpa。

②位移从上到下层状分布,引线形变量最大为1.275mm。

试验示图如18。

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图18 试验示意图

2.数据对比分析

透锡量的验证数据对比分析如表1所示。

表1 透锡量的验证数据对比分析

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应力和位移柱状图分别如图19和图20所示。

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图19 应力柱状图

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图20 位移柱状图

3.结论

通过表1的对比分析及之前所做的力学分析可以得出如下结论。

①4条引线透锡率100%时元器件所受应力和形变量最佳。

②在不能满足所有透锡率都为100%的情况下,可以选择有一条引线透锡率为75%,或者对角引线透锡率为75%的方式,得到较高的可靠性。

③同侧引线透锡率为75%或有两条以上引线的透锡率为75%,都会大大影响产品质量。

④不均匀的透锡率会导致元器件形变量的不平均分布,造成形变量集中在某一条或两条引线,导致元器件变形。

⑤焊接时透锡率越高,结构所受应力和应变越小,即100%透锡率引线越多越好。

由此可见,能否达到100%透锡率,不仅影响到PCB内外层印制导线及焊盘能否可靠焊接,而且关系到元器件所受应力和形变量。当透锡率不能达到100%时,不但PCB不能焊透,还将导致元器件变形。



来源:范 陶朱公 可靠性杂坛



合明科技:一文教你如何确定和选择电路板清洗与免洗?


电路板清洗还是免洗是许多制造厂商面临的一个选项和纠结问题!

电路板经过DIP波峰焊助焊剂进行焊接,制成后有助焊剂的残余物,SMT锡膏焊接制成后有锡膏助焊机的残余物,是否需要清洗去除是我们业内人士在对产品进行定位的时候需要做出的一个选择和决定,同时在DIP、SMT后还有一些修补和后焊件的焊接所使用的锡线同样也残留助焊剂,是否能达到产品的技术要求,能够保留或者需要清除。

首先我们来认识一下助焊剂,无论是液态的波峰焊助焊剂,还是作为膏体状的SMT锡膏助焊剂。助焊剂的组成都是由松香树脂、活性剂(所谓活性剂是有机酸或有机酸的盐类)加上等等添加剂和助剂而组成助焊剂。这个构成,我们不难看出,助焊剂本身是具有腐蚀性的,从助焊剂的功用来说:

A、需要去除焊接面的氧化层,清洁焊接表面;

B、预活化金属表面;

C、降低熔融焊料的表面张力,形成饱满的金属焊点;

D、保持残留物要有一定的稳定性和可靠状态形成保护层,以免有机酸和有机酸的盐类在焊后表现出过大的腐蚀性和破坏性。

通俗的说,我们需要助焊剂的腐蚀性,因为金属表面都有可能或多或少的金属氧化膜和氧化层,需要助焊剂的腐蚀性功能清除氧化层,才能提高焊接面的可焊性。既希望助焊剂在焊前体现出有机酸和有机酸盐类的腐蚀性,也就是助焊剂的活性,又希望在焊后能够不表现它的破坏性和有害的一面,这是一种非常理想的状态。各材料厂商和制造商都会为这种理想状态而努力,但现实的产品中,或多或少都可能出现焊后残留物的腐蚀可能,只是依据产品定位的标准,满足标准的测试和界定需要,而定为免洗或清洗工艺。

我们可以简单的归纳助焊剂的腐蚀是绝对的,不腐蚀是相对的。是以什么样的一个界定指标和标准来分化,需要清洗还是不清洗,只在是否满足产品的技术需要。最典型的测试方式是铜镜试验和表面绝缘电阻,特别是经过高温高湿后的表面绝缘电阻。

以另外一个视角我们来看产品本身,我们如何面对电路板组件产品的技术要求高低,如果电路板组件需要有非常完备的技术要求和很高的可靠性,以现行的标准测试,使用现有的助焊剂和锡膏而未能保证可靠性的指标,就必须用清洗的方式将助焊剂和锡膏残留清除,避免未来产生的电化学迁移和腐蚀。如果产品的技术要求,以现行的助焊剂和锡膏满足相应的测试指标和产品技术要求,就不需要进行清洗。

在多年前,我们的许多电路板还有后焊件和修补的工序要求,会使用到有助焊剂芯的锡线进行操作,在板面焊点周边集中体现了助焊剂的残留,为了外观的需要,有些厂商用洗板水或者溶剂型清洗剂进行人工刷洗和局部处理,这种方式大部分情况都未能将助焊剂的残留物清洗掉,只是将集中在焊点周边的堆积物,把它铺展到更大的面积,表面上满足了视觉美观的需要而已,真正助焊剂可能产生的风险并未能够得到彻底的清除和解决。

综合以上观点,电路板上波峰焊助焊剂的残留锡膏助焊剂的残留后焊件锡线焊接的残留以及修补所用的焊膏等等残留物是否能满足电路板组件的技术需要,需要厂商对所使用的材料进行全面规范的检测,如能达到技术指标和可靠性,就不需要进行清洗,如未能达到,最简单最可靠的方式就是将电路板组件进行全面清洗,彻底去除残留物带来的不利影响和风险。





以上一文,仅供参考!

 

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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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