banner
关于合明 资讯中心

2020-02-27

印制板助焊剂清洗合明科技分享:印制板连接器绝缘失效机理与工艺控制

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:232

印制板助焊剂清洗合明科技分享:印制板连接器绝缘失效机理与工艺控制


摘 要:绝缘失效是连接器失效的三大故障模式之一。连接器底部有多余物残留往往是引起连接器绝缘失效的主要原因。结合生产实际情况,从多余物来源进行分析,并从生产工艺、工装和检测方法上进行改进,有效控制了多余物的产生,最终实现了高可靠性的电气连接。

关键词:印制板连接器;绝缘失效;电气连接;工艺改进

 

在任何环境下,对于有高可靠性要求的航空电子机载设备,设备的正常工作尤为重要。任何一个信号传递错误都会带来难以预估的损失,产品损坏甚至危及到终端用户的生命。

机载设备内部安装着不同的功能印制板,各印制板之间是通过连接器进行信号传递的。连接器如果不能保证高可靠性地连接,那么产品的性能就不能充分发挥。绝缘失效是连接器失效的三大故障模式之一。引起连接器绝缘失效的主要原因是连接器底部有多余物残留,残留物会引起阻抗降低和短路等故障。由于多余物多发生于插座底部,受插座本体遮挡,常规检测和外观检测无法及时发现缺陷,对后期调试和排故造成巨大困难。

本文从造成连接器绝缘失效的多余物来源入手,结合实际生产流程进行有效控制,实现了高可靠性的电气连接。

1 连接器失效类型

连接器的主要失效模式可分为电接触失效、机械连接失效和绝缘失效[1]。这几种失效模式的表现形式和造成原因[2-4]如下。

1.1 电接触失效

电接触失效具体表现为接触电阻增大,接触对瞬断。这种现象多发生在压接型连接器或焊接(杯)型连接器中。造成这种现象的主要原因有:

1)压接型连接器卡簧失效或者接触件未安装到位,导致接触件无法锁紧最终造成接触对接触面积减小或无接触。

2)导线搪锡后压接,导线与接触件的接触面积减小,导致接触电阻增大。图1为导线未搪锡压接X光图,图2为导线搪锡后压接X光图,可以看到,图2红圈处导线与接触件内壁的接触面积明显少于图1。

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095100.jpg

3)焊接(杯)型连接器发生电接触失效的最多原因是断线或导线芯受损,这种现象多是导线焊点受到应力或剥线导致的线芯受损。焊点多采用热缩套管包裹,套管收缩后,不易发现导线受损,在振动过程中造成产品焊点时接时断。

4)最后,就是因接触件自身尺寸或磨损原因导致的接触问题。

1.2 机械失效

机械失效具体表现为信号连接不良,造成信号开路或短路。这种现象多发生在需要对接的连接中。造成这种现象的主要原因有:装配过程中锁紧装置未锁紧,锁紧时紧固力过大造成锁紧装置失效,连接器对接过程中个别插针歪斜造成插针错插等。

1.3 绝缘失效

绝缘失效具体表现为接触件之间以及接触件与壳体之间绝缘电阻下降,接触件之间以及接触件与壳体之间短路。这种现象多发生在印制板矩形连接器中,典型的印制板连接器示意图如图3所示。除去连接器结构和材料原因外,最主要的原因就是助焊剂残留对印制板造成的腐蚀或金属多余物造成的短路。图4为某产品因助焊剂残留对印制板焊点造成的腐蚀现象。图5为某产品因金属多余物造成插座与背板之间相邻焊点短路的X光图。

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095124.jpg

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095130.jpg

从检验手段上,电接触失效和机械失效能够从外观检测和产品测试过程中发现,但是绝缘失效因为受到环境因素的影响(特别是湿热环境下),在产品测试过程中造成的故障表现多为偶发,故障再次复现较为困难,对故障排查带来了很多麻烦。

2 绝缘失效机理分析

2.1 引起绝缘失效的多余物

金属残留物,就是指生产过程产生或引入的金属物质(如导线丝、锡珠),这些物质本身具有导电性,搭接于本是相互绝缘的焊点之间,形成了本不该有的电流通道,造成短路。

助焊剂残留物,就是指印制板焊接后不挥发成分及残留的活性成分以及生成的金属盐类物质,这些残留物从极性上可划分为极性残留物和非极性残留物。如果印制板表面有极性残留物,这些残留物由于具有偏心的电子分布,因而有“极性”特征,其在一定条件下可以电离出离子,离子会发生定向迁移,最后形成电流通道,进而造成绝缘性能下降,即电化学迁移现象。非极性残留物虽然无极性,但会引起接触电阻增大,甚至造成开路现象。

由此可见,残留物除对产品外观有影响外,更重要的是造成产品功能的失效。

2.2 多余物来源分析

针对图4和图5的故障产品,从产品的生产工艺流程上对多余物的来源进行分析。连接器的装焊工艺流程如图6所示。


印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095137.jpg

1)搪锡工序:未及时清洗会产生助焊剂、锡珠残留,为后期增加清洗难度。

2)机械安装工序:工作桌面不符合6s要求,手汗触摸产品,会产生金属多余物、有机物污染。

3)波峰焊接工序:喷涂方式与助焊剂喷涂量参数设置不合理,发泡式喷涂方式和喷涂量大会产生助焊剂污染。

4)清洗工序:清洗不及时和清洗不彻底以及清洗方法不对,会增大清洗难度,增大助焊剂残留。

5)补焊工序:操作方法与习惯错误,会增加助焊剂的二次污染。

6)检验工序:仅作外观检查,无法发现隐性的故障。

7)三防涂覆工序:连接器与印制板之间的插针没有三防要求,缝隙没有密封要求,增加二次污染的几率。

8)调试工序:试验箱体内部不干净,机箱密封设计不够严密,导致污染物随水蒸气进入造成二次污染。

从分析结论得出,引起连接器绝缘失效的因素贯穿了整个产品的生产和调试过程,而现有的工艺文件对产品在操作要求上还不够细化,各工序无自检要求,终检环节的检验要求仅对外观进行评判,最终使隐患传递。

3 工艺改进

针对印制板连接器引起绝缘失效的多余物,根据多年的工作经验,笔者提出了“控制防范、清理隔绝”的原则,并遵循该原则对生产过程进行以下的改进。

3.1 工艺流程

生产工艺和生产流程上,运用FMEA(PotentialFailure Mode and Effects Analysis的缩写,即潜在失效模式及后果分析)这种工具方法,对该产品在生产和流程上存在的潜在质量问题进行分析,具体内容如下:

1)每道工序开工前增加了来料自检要求,确保开工前来料合格;

2)每道工序的完成增加了合格判据,确保状态符合图纸要求;

3)在生产过程中增加工装,保证操作状态的一致性;

4)对特殊过程和关键工序,在关键参数、动作和时间上细化;

5)合理安排生产进度,确定每批次生产最小经济量;

6)不定期地进行工艺纪律检查。

3.2 工装设计

搪锡是为了增加可焊性,因军工产品特点(小批量,多品种),搪锡环节大多采用手工搪锡方法。手工搪锡一致性差,效率慢。搪锡过程中容易产生锡珠和焊锡拉尖等现象,如图7红圈处所示。

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095142.jpg

为了提高搪锡质量并兼顾搪锡效率,制作了搪锡工装,工装以高弹塑性和抗冲击性的合成石板为材料,按照连接器的引脚排列位置钻孔,保证了搪锡后相邻引脚之间不会因搪锡产生锡珠的现象发生。同时对搪锡前连接器涂助焊剂的方式进行更改,将毛刷刷涂助焊剂方式改为蘸取助焊剂方式,有效防止了连接器引脚根部位置助焊剂的堆积。搪锡工装如图8所示。

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095148.jpg

3.3 焊接方法

图3所示的印制板连接器封装外型,在笔者单位的双面板、多层板中被广泛选用,印制板连接器采用波峰焊和手工焊接两种方式进行焊接。焊接环节的优化采取“提高波峰焊合格率,减少手工焊返修量;规范手工操作过程,减少二次污染引入”的策略。

波峰焊接方面,在送板链速、预热温度、助焊剂喷涂量、焊接温度和锡峰高度等参数上摸索和设置,保证助焊剂中的活性剂及溶剂尽可能多地随高温分解或挥发,减小焊后残留物。针对不同类型的印制板,设置不同的焊接参数。同时发现,焊接时印制板送板方向与焊接后的焊点桥连数量有一定的关系。以30芯连接器为例,连接器的接点排列方式可分为矩形接点排列(如图9所示)、错位接点排列(如图10所示)。送板方向对错位接点排列的连接器焊接后的焊接效果影响较大,如图11所示为错位接点排列的连接器正确送板方向,焊锡流动方向没有受到插座引脚的阻挡,流动顺畅。图12所示为错位接点排列的连接器错误送板方向,焊锡流动方向受到插座引脚的阻挡,易造成焊点桥连现象。为减少人为判断失误,制作了波峰焊托盘工装,对送板方向进行标注,限定送板夹持边,使用工装焊接,大大提高了焊接合格率,减少了手工补焊数量。


印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095153.jpg

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095200.jpg

有些产品因结构布局需求,个别连接器还需要手工焊接。为追求焊点外观完美,操作者往往会涂覆过多的助焊剂,并多次修整焊点。多余的助焊剂顺着焊盘孔的间隙流入连接器,因得不到彻底的清洗,助焊剂对焊盘造成侵蚀,最终造成绝缘下降或功能失效。

针对该情况,应从可焊性和操作习惯上进行控制和改进,对连接器的引脚进行搪锡,增加可焊性,焊接过程增加预热工步,改正错误的操作习惯,改用助焊剂笔替代毛刷蘸取的方式涂覆助焊剂。通过细化工艺流程和规范操作及培训,达到提高质量的目的。

3.4 清洗方式与清洗设备

印制板在笔者单位有两种常见结构。一种为连接器均在元件面安装,且连接器数量、间距较为密集。另一种为连接器在元件面和焊接面均有安装。无论那种结构,板面均布局了一定数量的表贴器件。而印制板的清洗方式,在笔者单位有手工清洗、超声波清洗和水清洗。手工清洗无法保证板子底部的清洗质量,在清洗过程中可能对表贴元器件造成损伤。超声波清洗易在器件表面产生微小裂痕同时也会对元器件造成损伤。水清洗虽然清洗能力强,但受制于清洗液pH值的原因,若清洗液无法漂洗干净,则会对一些连接器的内部电路(内含滤波电容的圆形连接器)造成损伤。由此可见,每种清洗方法各有利弊。

针对该问题,对现有印制板布局结构进行分类,适当对工序路径进行调整,以发挥每种清洗方式的长处为目的,同时对现有的设备进行改造升级,对工艺参数进行摸索和改进,具体清洗方式的选择见表1。

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095205.jpg

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095210.jpg

图13为利用压缩空气为动力源改造的喷枪。使用喷枪对连接器底部的缝隙进行喷射冲洗,根据实际使用情况、喷洗工艺要求,每个连接器喷洗方向应自上而下,喷吸次数不少于10次,喷射后用干净棉球擦拭板面,棉球不变色即为清洗干净。图14为带薄膜电缆的印制板,使用超声清洗方式清洗插座,清洗液面应低于薄膜电缆刚柔板结合部位。

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095216.jpg

3.5 检验要求和方法

目视检验即用肉眼检查清洁程度,是目前印制板清洗操作中常用的方法。目视检查要求清洗后的工件表面应清洁,无油脂、焊剂残留物、灰尘、白粉、纤维状物质和其他多余物(如阻焊膏、胶带及其留下的痕迹、刷毛、引线和锡渣等)。即便借助10倍的放大镜也仅仅是对外观所能及的范围进行评判。连接器与印制板之间的缝隙底部受本体遮挡,这个位置往往是最难进行判断的。

因此,在判断印制板板面是否清洗干净时,应当在外观检验合格的基础上,进行设备检测。对金属多余物的检测,应当借助于X光机进行评判。对助焊剂残留物的检测,应进行离子污染测试。国内外标准中对板面清洁度的要求,最终以测试数值进行评判,即氯化钠盐当量离子杂质的最终值必须小于1.56 μg/cm2。笔者认为,离子污染测试不仅是对工艺清洗参数的验证,验证工艺清洗参数是否达到标准,同时也是对操作执行的验证,验证操作者是否按照工艺参数执行操作。因此,X光检测和离子污染测试必须纳入常规检测,原则上应当100%检测,若生产条件不允许,可进行抽检。抽检比例一般手工清洗的印制板每检验批中抽检比例为10%,但不得少于1件。采用清洗机清洗,每批清洗抽检1件或更多。

3.6 产品防护

电连接器在高湿环境中工作时表面会产生水膜,骤冷骤热会出现凝露现象,由此在电连接器表面产生的电解现象也会使电连接器的绝缘电阻显著下降[5]。对连接器外漏部位灌注有机硅树脂等绝缘封胶,可显著提高电连接器在高湿环境下的绝缘可靠性,但是喷涂聚氨酯涂层及焊点套护对高湿环境下连接器的绝缘性能无明显帮助。基于该试验结论,综合考虑产品的使用环境和未来的发展趋势,如对于一些适海性产品,产品的三防要求特别严格,海上环境特殊,裸漏的金属部位会遭到盐雾腐蚀,危害极大,如图15所示。因此,考虑应当在清洗后、三防涂覆前增加工步,对印制板连接器与印制板之间的缝隙涂密封硅脂进行保护,如图16所示,阻隔外部不良环境对产品性能的影响。

印制板助焊剂清洗合明科技,微信图片_20200227095221.jpg

4 结论

本文阐述了生产过程中,印制板矩形连接器绝缘失效产生的原因及危害。从生产使用的角度提出了一些防控措施,提高了连接器在高温高湿环境下的绝缘可靠性。

笔者认为,一个产品出现质量问题,究其原因不一定是在某个点上出现问题,有可能是多种因素的共同作用,应该纵观产品的全流程进行分析。一个产品的质量改进,也并非在某个点上进行改进,应当是全流程的改进与完善,这样产品的质量才能稳固。同样,改进与优化不光是工艺各方面的优化,也包含制度的完善以及操作者对各项制度的执行力。没有执行力,再好的工艺方法也会出现问题。没有执行力,再好的制度也沦为空谈。

 

参考文献:

[1]林思达,潘骏,陈文华,等. 电连接器的可靠性研究述评[J].机电元件,2009(10):52-57.

 [2] 李逵,朱静.电连接器坑压式压接工艺技术仿真研究[J].电子工艺技术,2016,37(2):85-87.

[3]贺晓斌,张世明,刘双宝,等.卫星型号用板间连接器自动压接工艺研究[J]. 电子工艺技术,2016,37(5):275-279.

[4]张彬彬.航天器电子产品用板间电连接器典型失效模式研究[J].电子工艺技术, 2013,34(4):209-213.

[5]崔洁.装配工艺对矩形电连接器在高温环境下可靠性的影响[J].电子机械工程,2015(10):42-44.

 张伟,闫迎军 高可靠电子装联技术




合明科技解析:哪些因素影响着PCBA水基清洗工艺窗口?

 

关键词导读:电路板清洗、电子组件清洗、水基清洗技术、水基清洗剂、印制电路板

前言

在生产中,有关印制电路板(PCB)、印制线路板(PWB)和印制线路组件(PWA)的清洗在IPC文件和手册里均有相关指导文件,如:CH-65 印制板及组件清洗指南、SM-839 施加阻焊剂前、后的清洗指南、SC-60 焊接后溶剂清洗手册、SA-61 焊接后半水基清洗手册、AC-62 焊接后水基清洗手册。

一、电路板清洗工艺窗口

随着技术的进步,使用更小的元器件、高密度布局、材料的变化,和环境条件重新提高了电路板清洁度的重要性,印制电路组件的清洗性已成为一个非常具有挑战的任务。

印制电路板按照既定的行业标准进行设计,组装和品质控制。为了减轻由于污染造成产品失效的风险,清洗工艺必须提供一个已定义的工艺窗口,该窗口是可重复的并且是横跨组装工艺中所遇到的变量的广阔区间。为实现一个高良率的清洗工艺,许多因素影响着清洗工艺窗口:基板,污染物,可用的清洗技术,清洗设备,和环境因素。

 

(一)基板:设计清洗工艺的第一步是印制线路板布局的彻底审查以确定镀覆孔,孔的厚径比,任何适用堵塞或掩蔽的导通孔,和阻焊膜材料的选择。部件组成、尺寸和几何形状可以创造低间隙和小出口的夹层元器件而导致残留很难去除。

小型和轻量的部件当它们通过清洗工艺时增加了夹持组件的需求。清洗工艺设计首先考虑电路板表面、金属化和兼容性的限制。部件独特的限制可能会使一些元器件在进行清洗工艺时受到限制。

(二)组件污染物:对独特部件的考虑和限制有了明确了解后,在可制造性设计的下一步则考虑组装(通常是焊接)工艺后,留在电路板上的污染物的影响。为了解污染物的风险,设计人员须考虑助焊剂残留的成分,物理特性,数量,清洗材料对去除焊接残留的能力。焊接材料的相互作用,即助焊剂与相关于组件的热加工工艺及热加工工艺和清洗工艺之间的保留时间对产生的组件清洁度会有所影响。后续的处理步骤也可能影响产品的清洁度。焊膏、助焊膏、波峰焊助焊剂影响焊接工艺后残留去除的程度和难度。助焊剂残留物的不同清洗速率是与助焊剂的组成、再流后时间、再流温度有关。

 

所有电路板设计都必须考虑这些再流焊因素及参数的重要性。溶剂包含不同类型的分子间相互作用:氢键、离子偶极和偶极间吸引。随着助焊剂残留物改变,清洗速率也有所不同。对于所有清洗活动,清洗剂和清洗系统-包括时间、温度和力度都会影响清洗效果。



以上一文,仅供参考!

 

欢迎来电咨询合明科技印制板助焊剂清洗剂、功率模块锡膏清洗剂,微波功率芯片焊后清洗剂、IGBT功率器件封装焊后清洗剂、晶圆级封装焊后清洗剂、芯片封装焊后焊膏清洗剂、芯片焊后球焊膏、 芯片焊后锡膏 、芯片焊后清洗 、助焊剂清洗剂、PCB组件封装焊后水性环保清洗剂、SMT封装焊后清洗剂、精密电子清洗剂、半导体分立器件清洗剂、SMT焊接助焊剂清洗剂、锡嘴氧化物清洗剂、PCBA清洗剂、芯片封装焊后清洗剂、水性清洗剂、FPC清洗剂、BGA植球后清洗剂、球焊膏清洗剂、FPC电路板水基清洗剂、堆叠组装POP芯片清洗剂、油墨丝印网板水基清洗全工艺解决方案、BMS新能源汽车电池管理系统电路板制程工艺水基清洗解决方案、储能BMS电路板水基清洗剂、PCBA焊后助焊剂清洗剂、组件和基板除助焊剂中性水基清洗剂、功率电子除助焊剂水基清洗剂、功率模块/DCB、引线框架和分立器件除助焊剂水基清洗剂、封装及晶圆清洗水基清洗剂、倒装芯片水基清洗、SIP和CMOS芯片封装焊后清洗剂、SMT钢网、丝网和误印板清洗除锡膏、银浆、红胶,SMT印刷机网板底部擦拭水基清洗剂、焊接夹治具、回流焊冷凝器、过滤网、工具清洗除被焙烤后助焊剂和重油污垢清洗剂,电子组件制程水基清洗全工艺解决方案。


【阅读提示】

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。

 

【免责声明】

1. 以上文章内容仅供读者参阅,具体操作应咨询技术工程师等;

2. 内容为作者个人观点, 并不代表本网站赞同其观点和对其真实性负责,本网站只提供参考并不构成投资及应用建议。本网站上部分文章为转载,并不用于商业目的,如有涉及侵权等,请及时告知我们,我们会尽快处理。

3. 除了“转载”之文章,本网站所刊原创内容之著作权属于合明科技网站所有,未经本站之同意或授权,任何人不得以任何形式重制、转载、散布、引用、变更、播送或出版该内容之全部或局部,亦不得有其他任何违反本站著作权之行为。“转载”的文章若要转载,请先取得原文出处和作者的同意授权。

4. 本网站拥有对此声明的最终解释权。

上门试样申请 0755-26415802 top