IPCA610D无铅检验剖析.pptx

IPC-A-610D,無鉛焊接允收規范,簡介,有关,PCBA,焊接的各种允收规格，以,IPC-A-610“,电路板组装品质允收度”为最具权威性的国际规范，此,610,在,2000,年的,C,版是将焊接编在第六章，而,2005,年,2,月全新的,610,的,D,版则将提前到了第,5,章，由于无铅（,LF,）焊接即将到来，而其允收规格在整体上变动将不在少数，其详情如何早已被业者所密切注意，极欲深入了解以便及早应付。然而,610D,全册是涉及整体电子组装的总括性规格，通盘了解并非本文之目的。以下将专对焊接部分以简明易懂的文字加以说明。并分析其等更改内容的原委。,1.1,新工法的出现,首先在第五章前言中（原标记,5,），将,C,版原列的四种焊接方法之外，,D,版又增加了第,5,种代替焊接的全新,PTH,塞印锡膏的施工方法，其各种焊法分别为：,原有者,烙铁焊接,Solder Irons,电阻发热式焊接,Resistance Solder Appatatus,波焊或拖焊,Inruction Wave or Drag Soldering,（注：原文指电磁感应产生电流而发热之波焊而言）,总论,熔焊,Reflow Soldering,（注：原文是指将原始焊料熔融所得圆粒锡粉所再制成的锡膏，再一次加热熔融流动而完成,SMT,的焊接而言，日文称为回焊，台湾业者则直接引用为中文名词，大陆欲另译为再流焊，两者均性字面上的直译。事实上,Reflow,应是指锡膏中锡粒在高温中的熔融与贴焊之动作，故译为“熔焊”才是更贴切的译词）,新加者,：,插入式熔焊（,Intrusive Soldering,）。,诠译,无铅（,LF,）波焊的焊料以锡铜（,SC,；,Sn99.3%,、,Cu0.7%,，,mp,为,227OC,与锡银铜（,SAC,；,Sn96.5%,、,Ag3.0%,、,Cu0.5%,，,mp,为,217OC,）二者为主流，其等平均操作温度均尽量不敢设得太高（,SC,为,270OC,，,SAC,为,260OC,），才便搭配,Reflow,焊接等至少前后两次之强热操作，减少许多零组件与某些板材痛苦的双重煎熬，以便将操作降到最低。凡是板面少数还必须执行,PTH,的插孔波焊者，似可改为通孔中先印入无铅锡膏，然后再将引脚挤入，于是只要经过一熔焊后，即可将贴脚与插脚同时焊牢，不过此种全新尝试，目前还在逐渐发展中。,1.2,接触角,之后在前言中的未尾新增四段文字，又将接触角（,contact Angle,）的示意图由后移前来到,P.5-1,中（,C,版原在,P.6-3,）。并明文指出无论焊料与焊垫间，或焊料与引脚间所形成的接触角，均不可超过,90O,（另在,D,版,P.5-3,中附有彩色之示意图）。,1.3,无铅焊接的图面标示,前言中新增者，还对无铅焊点外观目检规格加以说明，并与锡铅者有所不同（事实上放松频多）。为了减少争议起见，,D,版中特别 附列多张彩色图样做为对比，且在右下角分别加贴黑底红圈与白字之无铅标记 以示区别。而且不定期以两则黑点单列之条文，明白指出无铅焊点的特征（实际上就是的缺点），其他品质则与有铅之允收规格相同。两则条文如下：,表面粗糙（颗粒状或灰暗）,Surface roughness(grainy or dull),接触角变大（,Greater Wetting contact angles,无铅焊点表面粗糙,2.1,外观与接触角,在,D,版,5.1,节中叙述对三级板类（,Class1.2.3,）就些二参数其均可允收（,Acceptable,）之各文字如下：第一则黑点的文字中，说明无铅焊料若焊后冷却较慢（例,20-30/sec,）时，则其焊点外观将呈现灰暗与微裂，有如橘子皮般的颗粒外观，且明白指出此为正常现象，并可加以允收。第二黑点则指明接触角不可超过,900,（见前图,1,）。第三黑点更进一步说明，凡当焊料已爬行到焊垫边缘或到过绿漆边界时，冷却后若焊体接触角大于,900,且呈现凸出者，只能说是第二则的例外，对于三级板类均可加以允收：,另在本,5-1,节之后，更附有,22,张彩色图片（,Fig5-4,到,5-25,），做为有铅与无铅的目视对比，以及无铅（,SAC,）焊点的目视允收标准。,诠释,无铅焊料之主流者锡银铜,SAC305,或,405,，此等三元合金在热熔或冷固之过程中，很难达到共晶共熔组成（,Eutectic Composition,）的理想状态。一般熔焊操作的温时曲线（,Profile,），其峰温（,Peak Temp,）熔焊区段的升温与降温，保持正常情况时（,30C/sec,），则降温中,SAC,焊料中占最多量的锡（,96.5%by wt),，会率先自得冷却（,m.p2320C),而成为枝晶（,Dendrite),之棒状突出物，其余仍处于液状的共晶（,2170C,）部份，且将随后冷却面成为较平滑的区间部分。因而总体外观上将出现许多颗粒状的突起，微切片中亦可清楚见到纯锡枝晶均匀分布的现象。而且另外形成,Ag3Sn,白色板条状（,platelet),的,IMC,也是有目共睹。事实上结构中颗粒状的纯锡枝晶对强度与可靠度的负面影响不大，反而是共晶区的微裂与,Ag3Sn,的,IMC,，却是老化中开裂的起源,无铅焊点出现异常（,Anomalies,）时的允收规格,3.1,各种焊垫外缘,其直立侧壁或引脚之截断面，未能沾锡且露铜者均可允收（见,D,版,5.2.1,）,3.2,垫面或引脚,凡因皮膜破损或刮伤而未能沾锡，以致曝露底金属者，只要面积尚未,10%,者，均可允收（见,D,版,5.2.1,）,3.3,镀通孔（,PTH,）插脚波焊,焊后发生吹孔（,Blow Hole,），或,SMT,贴焊点呈现见底的针孔（,Pinhole,），或外表之凹陷者，只要焊点尚能符合其他品质要求，则,Class1,可允收。但,Class2,与,3,却须视之为“制程警讯”（,Process Indicator,）。读者请注意，从品管与改善之原则看来，发生制程警讯时，客户方面必须见到改善方案与执行决心后，才能对现品考虑允收，是故“制程警讯”反而成了更为严肃的整体性问题（见,D,版,5.2.2,）,3.4,锡膏熔焊后所得之焊点。,若其原始焊膏中锡粒尚可清楚辨识，而并未完成熔融愈合者，则（,LF,）三级板类均将视为缺点（见,D,版,5.2.3,）,诠释,通常锡膏中之锡粒表面都可能会生长，会生长一层薄薄的氧化物，此薄层氧化物从好的方面讲，是可用以防圆粒彼此间的相互熔合（,Cold weld,），坏的方面是当热量不足时将无法顺利愈合成为整体。,3.5,焊点发生不沾锡与缩锡等不良,凡无铅焊点出现不沾锡（,Non-wetting,）与缩锡（,Dewiitting,）等不良，而又未能达到品质要求者，均视为缺点而不建议允收。,D,板虽然已附列了,7,张图片，但欲表达了理念却相当含湖不清，必然会引发不同立场之间的无穷争议（见,D,版,5.2.4,及,5.2.5,），此时微切片对,IMC,的观察将大有帮助，缩锡处几乎都不会长出,IMC,来。,3.6,发生锡球（,Solder Balls,）或锡碎,焊后出现此等不良现象，且已违反了（减少了）电性上起码应有的绝缘空距Electrical Clearance,）者，对无铅焊锡当然还是缺点（见,D,版,5.2.6.1,所已附列下图,8,之二图）,3.7,波焊发生锡桥（,Bridging,）锡网与溅锡（,Solder Webbing/Splashes,）,当无铅波焊焊点发生此等不良时，主要原因就是焊料熔点升高，导致粘滞度太大流动性不足，拖泥带水之下进而造成搭桥挂网等严重异常，三组板类仍均视为缺点（见,D,版,5.2.6.2,及,5.2.6.3,所附列下图中之四图）液态无铅焊料流动性不足的诠释：若将焊接峰温（,Peak Temp,）针对焊料熔点（,m.p.,）所高出的温度落差（,T,），解释成为“火力”或流动性（,Flow or Fluidity,）时，对锡铅熔焊而言其火力平均为,40OC,，锡铅波焊平均可达,67OC,。但由于无铅焊料（,SAC,或,SC,）的熔点已较锡铅上升了,34OC,或,44OC,，为了防止零组件与板材被强热所烫伤起见，只好将无铅熔焊与波焊的火力减弱为,28OC,与,48OC,。如此一来在火力不旺流动性变慢以致黏滞度增大下，当然就容易发生搭桥短路的诸多缺点了。,而且无铅波焊之锡池中，一旦铜污染量超过,0.1%by wt,时，则池中焊料的,m.p.,还将上升,3OC,。在不敢相对拉高峰温下，无铅焊接所需的火力当然就更为不足。此种液料动作之迟滞难免会发生拖泥带水的现象，于是各种狼狈不堪的锡桥锡网，等诸多不够干净利落的严重缺点，也都一一现形。在无法除铜下只好添加纯锡对铜污染予以稀释。无铅波焊的焊温已高达,265-270OC,，对,PCB,板面上的各种铜件（,Copper Feature,）伤害极大。由于其熔（溶）铅（,Dissolution,）速率加快与铜污染增多下，造成熔点上升流性而更加变慢下，不但板面遍布破碎残锡外，而且焊点与锡池中所多的铜份，还会生成,Cu6Sn5,的针状结晶,IMC,（,IMC,即,intermatallic Compound,，此物本身具金属性，故材料界称之为介金属。不过也因写得出分子式，让化工界却另称为介面合金共化物）。,此种异物经由马达的扬波带出后，每每使得板面呈现荆棘满地与遍布针状结晶的惨景，其后续还会引发更多的灾难。看样子无铅波焊快要走到了尽头，害在玩不下去了。日本焊料供应商,NS,公司曾在,SC,中另加少量的镍（,0.07%by wt,，已有专利），宣称可以解决问题。然而想要回到有铅波焊好么良好的境界，并还能够维持长泰久安的局面者，想必还不是那么容易。,3.8,扰焊（,Disturbed Solder,）与,SMT,焊点开裂（,Fractured Solder,）,当焊料已不再是共晶共熔之组成者（,Eutectic Composition,），则热熔与冷凝过程中一定会出现浆态（,Pasty range,）。此种固相与液相并存的状态，事实上相当不稳定，一旦自动输送中受到振动抖动等外力干扰时，不但局部焊料（指纯锡部分）会快速凝固形成骨状枝晶（,indrite,），或者出现应力条纹（,Stress Lines,）等明显外观；其表面有如于筋曝露血管突起之形貌者，特称之为“扰焊”。,无铅焊点原本表面就已不够平滑，但若出现应力条纹太多又过分明显者，仍然是扰焊所致，三级板类仍均视为缺点（见,D,版,5.2.7,，见图,11,）。至于表面贴装焊点的开裂，其原因也多半出自软弱浆态的时段中，遇到了过大应力的冲击，进而造成无铅焊点冷却后的开裂。三级板类均视之为缺点（见图,12,）。,3.9,锡尖或锡突（,Solder Projection,）,此等拖泥带水的缺点在目前锡铅焊料中，也偶尔会发生在波焊后的板面上，主要还是由于火力不足，流性迟缓，以致黏度增大所造成。不过当板面还同时存在绿漆硬化不足的缺失时，则还将助纣为虐而雪上加霜。三级板类无铅焊点出现此等现象，仍均视为缺点（见,D,版,5.2.9,见下图,13,）,3.10,无铅波焊其焊点焊环之浮裂（,Fillet lift,）,由于,PCB,板厚,Z,方向的热胀系数（,ZTE,），在无铅波焊的强热下平均达,55-60PPM/OC,而已，以致尚未焊牢时就被,CTE,的差异所拉裂了，若不幸无铅焊点中又出现铅污染或铋污染时，则还更是落井下石惨上加惨，有时焊点较牢时连铜环的外缘也被拉起。,D,版对于无铅波焊朝上之主板面（,Primary Side,）浮裂者，三极板类均可允收。,然而朝下直接触及热波的焊锡面（,Secondary Side,，俗称,Solder Side,）者，一旦也发现焊点开裂时，,D,版认为对,Class3,板类而言就是缺点,.,但对,Class2,板类却另判为“制程警讯”（,Process Indicador,）。至于,Class1,板类则全未提及如何处理，想必还只能让供需双方另行决定（下图,14,左系出自,D,版之,5.2.10,）事实上,IPC,各种规范均未涉及单面板的品质，主要原因是美国,PCB,与,PCBA,两大业界，多年来已不再生产单面板与单面板组装的产品，有所需求的美国品牌商，只要向亚洲业者购买最终之整机成为自己的品牌即可。因而单面板工艺所需的技术与品质文件都一向付之阙如。是故此,D,版之,5.2.10,节完全未提,Class1,（含单面板类）应该如何允收。而且对有,PTH,的,Class2,双面板与多层板，一旦发生焊点裂口或焊环浮离时，也就另采“制程警讯”的处理方法。由于单面板的各种焊点只分布在,Solder Side,上，连带双多层板，在此“焊接面”发生的问题如焊点分裂与焊环浮离均只字未提。事实上此种一旦焊锡面出现浮离时，其对品质的影响与组件面并无太大的不同，逻辑上仍然可以允收。至于铜环自板材面浮起之案例，凡当外缘浮空的高度尚未超过铜环本身厚度时，,D,版并将（非孔环式）各种其他表面焊垫的浮离，也一并归纳在此处。（见,D,版,10.2.9.2,）,3.11,焊点之热裂与收口（,Heat tear Shrink hole,）,由于无铅焊料多半难以达到共晶组成，因而焊点在冷却固化的过程中，首先大部分纯锡会率先固化而成枝晶（,Dentride,）。此种高温中众多纯锡枝晶间，尚存在高黏度的液态共晶（,Eutetic,）式合金。一旦此种固液并存的浆态其维持之时间太长，或受到颇大外力振动干扰时，其最后待冷中央的液体部分，会形成强烈快速的冷却收缩，进而出现所谓的收口（,Shrink hole,见上图,14,右画面）。,D,版对此种无铅焊接裂缝颇大收中（见上图右）的允收规格是：焊体裂口尚未太深仍可见到锡底；亦或此种裂口尚未触及到引脚、焊垫或孔铅壁等基底者，则仍可允收。倘若无铅焊点之收口或裂口已见不到锡底，或已直接碰触到引脚或焊垫者，则仍然视为缺点。至于有铅焊接者，其焊点一向不允许出现收口或热裂口。,綜上所述為無鉛焊接允收規格,thanks,