免清洗焊接技术的应用

作者：上海贝尔有限公司 顾雷

欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 摘要：免清洗焊接技术是目前电子装配行业普遍使用的一种实用技术，具有简化工艺流程、节省制造成本的优点。笔者有幸主持了上海贝尔的免清洗焊接技术的引入评估和推广实施，至今已有五年多。在评价和实施过程中，对实际应用有了一定的认识和积累，借此机会写一些心得与大家共同探讨，实为抛砖引玉之举。不妥之处，请指正。 关键词：免清洗焊接 评估 测试 推广 实施 第一部分：序言 世纪交替，历史即将翻开崭新的一页；对于通信电子行业来说，充满着机遇和挑战。总结过去，立足现在，开创未来，这是我们每个专业技术人员当前最大的课题。回顾过去的十年，免清洗焊接技术（No—Clean Soldering Process）的普遍推广，构成了二十世纪末电子装配业一道亮丽的风景线。 第二部分：什么是免清洗焊接技术 免清洗工艺是针对原先采用的传统清洗工艺而言的，是建立在保证原有品质要求的基础上简化工艺流程的一种先进技术，而不是简单的“不清洗”——只是针对某些低档消费品类产品在品质可靠性方面要求不高的特点而采取的，虽然省却了清洗环节，却是建立在相对降低品质基础上的。 传统清洗工艺一直采用 CFC氟氯烃产品及1.1.1—三氯乙烷等作为清洗剂，用于装配板（PBA）的焊接后清洗，以清除 PBA表面残留导电物质或其它污染物，保证产品使用的长期可靠性。但是，CFC等清洗剂中含有 ODS臭氧耗竭原物质，破坏生态环境，严重威胁人类的安全。所以，1987年签署的“蒙特利尔协议”和相继召开的“哥本哈根会议”“布鲁塞尔会议”明确规定，在较短的时间内彻底禁止ODS类清洗剂的使用。由此可见，采用先进工艺技术替代原有清洗工艺势在必行。 80年代末，先进国家的技术人员先后研制开发了四种主要替代技术，用于电子装配行业，包括非 CFC溶剂清洗／半水清洗／水清洗和免清洗技术。从制造角度和工艺流程管理来说，免清洗焊接技术无疑具有无可比拟的优势，它具有缩短生产周期，降低废料产生，削减原料消耗，减少设备保养频度的特点，在很大程度上节约了生产成本。 免清洗焊接技术包括免洗波峰焊技术和免洗回流焊技术。前者由传统波峰焊接技术发展而来，通过对设备、材料等方面的变革达到免清洗效果，主要解决通孔元器件和混装联技术中固化表面元器件的波峰焊接。而后者则是目前在国内较为流行的表面元件装配中的重要工艺环节，通过材料选择和工艺控制来达到免清洗效果，主要解决表面贴装元器件的回流焊接。 第三部分：免清洗效果和产品可靠性的评价 在实际使用免清洗焊接技术时，很容易提出这样的问题：“How clean is clean？”“How clean is clean enough？”也就是怎徉评价免清洗的效果问题。这是免清洗焊接技术中一个最根本的问题，对于切实推广和实施新工艺具有举足轻重的作用。 新技术的应用，替代了原有的清洗技术；那么，原有的产品可靠性评价标准体系是否还适用于免清洗焊接技术呢？以下的分析可以有助于解开问题的答案。 在原来的枝术条件下，工艺评价测试体系包含有： 1． Ionic Contamination Test离子浓度测试 采用ROSE（Resistivity Of Solvent Extract）Test方法即污染物萃取液测试手段，使用专门的仪器（如OmegaMe-ter），自功对萃取液中所含导电离子污染物含量进行统计，并据此判断是否符合有关标准（如MIL—P—28809中规定的＜14.Oug NaCl／in^2的清洁度标准），满足产品可靠性要求；主要针对 Rosin—Based材料的测试。但是，该测试本身存在三大缺陷： （1）不能区别污染物种类，这样就不能确定某些污染物对产品特性造成的影响；（2）萃取液不能将所有离子污染物剔出计入总数，尤其是对于某些引脚结构较为复杂的SMT元件，从而将影响最终的判断结果； （3）它不能探测 Non—Conductive污染物，比如用于 HASL（热风整平）工艺的液体；过去的实践证明，这些非离子污染物也同样严重危害产品的可靠性。 2．SIR（Surface Insulation Resistance）Test表面绝缘电阻测试（具体内容将在以下作介绍，此处略） 以上事实说明，面对新技术、新材料的到来，我们必须发展新的工艺评价方法和测试判据以适应新的挑战。目前，我们的新体系主要包括以下三项内容： 1) Ionic／Organic Cleanliness Test清洁度测试 与原来的离子浓度测试不同的是，清洁度测试引入了色谱分析手段，包括 IC（Ion Chromatography）离子色谱分析和HPLC（High-Pressure Liquid Chromatography）高压液体色谱分析二种方法，特点是： a．能帮助定义污染物种类，确定元器件、光板表面所含污染物的数量水平； b.是一种实验室手段，尚未成为生产直接支持工具； c．可用于确定材料的工艺下限并提供与现有测试手段的相关联系。 通过标注ionic／no—ionic物质的数量水平，参照现有的可接受条件技术，可以确定与SIR和ESS测试的关联；通过对照比较，可以帮助我们寻找适合于生产实际的现场工艺控制方法和监控工具，从而切实保证免清洗焊接技术的有效实施和控制。 2) SIR Test可靠性测拭 这是通过人为施加高温、高湿和电压等方式，在短期内模拟恶劣环境因素可能对产品造成的长期可靠性影响，以便确定免清洗焊接工艺的实施效果的一种手段。目前一般采用 IPC—SF—818标准作为测试方法和判据即在 85（C 高温、85%RH相对湿度、100VDC测试电压等条件下进行连续7天的测试，必须达到规定的表面绝缘电阻值（＞10^8ohm）才算符合可靠性要求。通常SIR测试和其它化学分析方法一起进行，使得评估者可以尽快和直接地获得评估检验结果。SIR测试结果曾经在很大程度上依赖操作者本身的技能，但是随着技术发展和各研究机构的不断努力，目前SIR已经逐渐成为一种精确的检测工具和手段，主要用于评价 Flux、Cleaner、Solderpaste和 Soldermask等产品焊接后产生的残留物对产品可靠性的影响。 3) ESS（Electrical Stress Screening）Test 这种方法主要用于评价功能性产品的可靠性程度。它结合各种环境因素如温度／湿度／振动，模拟极端环境破坏情况；同时在测试前／中／后各阶段分别加以功能测试并作比较，以确定产品的可靠性。根据用户需求，ESS可包括：强力温度循环测试、湿度倾向测试、热冲击测试和露点测试等一系列测试方法。它的特点是：测试迅速，可以及早获得测拭结果；能更真实地反映环境对产品可靠性的影响。缺点是：每次需用成品作为测试对象，费用较高。无论如何，ESS手段将更精确地显示免清洗焊接技术和长期可靠性之间的必然联系。 通过以上这些测试项目所构成的工艺评价体系，我们完全有能力来回答诸如“到底什么是清洁”“什么样的清洁才是足够的清洁”这样的问题。有了这样的体系保征，我们就可以清楚地对整个工艺的实施和控制作出准确的分析和定位，免清洗焊接工艺才能真正向世人展示其独特的魅力。 第四部分：免清洗焊接工艺的实施 明确了测试评价标准之后，接下去要考虑的是如何推广和实施这项新技术，使之发挥应有的效益。与原来的清洗技术相比，它的长处是显而易见的；但是，它毕竟是一项全新的工艺技术，习惯于旧有模式的人甚至你的上司可能不会很容易接受，往往会提出一些问题：“Will this process procedure more reliable assemblies and cost less than my cur-rent process？”也就是说，这种新工艺的实施到底能为企业、为制造工艺技术带来什么样的影响。前文我们曾提到过：免清洗焊接技术具有降低生产成本，同时又能保证产品质量的特点。在理论上论证了其可行性之后，实际上又是怎样的呢？能回答以上问题的唯一办法就是推广实施，用实践的方法来检验，所渭“实践出真知”。 实际上，推广这项新工艺的关键在于彻底改变人们对焊接工艺的认识；而通过部门间的协作、掌握实际解决问题的能力以及对使用什么样的材料和设备的仔细甄选则是实施过程中不可缺少的重要一环。 第一要点：加强部门协作，由工艺、质量、材料和生产人员一起成立专门的工艺推广实施小组。这样的组合具有以下功能： *各司其职，拥有强大的推动力； *多视点的观察，有利及早发现各种隐患； *可以互通有无，在解决问题中统一认识，增强解决实际问题的效率。 它的工作流程可以分为以下几个步骤： 1．定义：考虑各种可能因素，制定行动目标和评估标准； 2．评估：制定评估计划并指导测试过程，分析结果； 3．决定：根据测试结果决定候选对象并将需求文件化，继而可以采购设备和进行验收测试准备； 4．执行和推广：安装机器，进行工艺调整，并解决实际问题，最后投入批量使用。 第二要点：掌握免清洗技术的内涵，提高解决实际问题的能力。一方面工艺工程师必须深入细致地对免清洗焊接技术进行学习和研究，在理论上达到融会贯通；另一方面，在推广实施中，工程师必须做到密切掌握事态发展，理论联系实际。最重要的是，要培训相关的技术员和工人，特别指出新技术与原有工艺之间的差别；同时，工程师与技术员和工人之间的密切交流，一起讨论和解决实际问题，有利于提高工人和技术员对故障的认识和修复能力，从而使推广周期缩短，新工艺得以正常高效地持续展开。 第三要点：关键材料的选择，主要包括免清洗助焊剂和焊膏，分别使用在波峰焊和回流焊工序。 选择重点在于“三个确保”即 *确保焊接产出的能力； *确保在极端状况下，残留物对产品可靠性没有影响； *确保不影响产品的美观和不对自动测试探针造成污染。如何实现这“三个确保”呢？ *首先采用 MeniscographTest（可焊性／平衡测试法），通过确定材料的润湿时间和润湿力量来评价材料的焊接能力，以实现第一个“确保”； *采用 SIR Test十Electromigration（电迁移）Test来确定产品的长期可靠性，以实现第二个“确保”； *采用 TGA测试方法，寻找提供尽量少的残留物的助焊剂，以实现第三个“确保”。 实验证明，助焊剂的固体成分（Solid Content）是影响免清洗焊接效果的重要因素。通常免清洗助焊剂中含有2%——4%左右的固体含量，而免清洗焊膏中则往往比较高一点，达到 2%—— 6%左右，这和工序的差异是密切相关的。通过FTIR测试（Fourier Transform Infrared Spec-trometry）可以分析助焊剂中固态物质的构成，对于正确地选择合适的材料具有一定的指导作用。 值得一提的是，无论是焊膏还是助焊剂只要采用免清洗焊接技术，都无可避免地面临残留物问题：留在板面和焊点上，可能影响产品的外观和污染自动测试探针；留在机器内，将增加设备维护人员的工作难度。所以，采用TGA（Thermogravimetric Analysis）测试技术，提前对材料在各种温度下残留物的分配情况（残留板面和机器内等）作出分析和预测，选择适合自身工艺的免清洗材料，不失为一种良策。 第四要点：设备的选购是保证新工艺实施的基础，主要包括波峰焊和回流焊接设备。选择时必须注意： *事先对所需设备的预期性能提出要求，并制作成采购文件； *必须事先对候选机型的设计原理有足够的认识，因为实践证明：即使是在同样条件下，生产同一种产品，不同设计的设备产出产品的故障率会有相当大的差异； *对设备提供的各种结构分别甄选，将有利于免清洗焊接工艺的部件有机配置，比如：采用怎徉的 Flux；加热的方式是怎徉的；温度控制的精度；惰性气体保护环境的选择；工艺监控和闭环控制系统的应用；对残留物的处理装置等。 第五要点：工艺环境的设定，其中最重要的改进是惰性气体环境使用的评估。 免清洗技术的推广，材料本身所具有的活性降低，去除氧化能力也相应减弱，这样极易造成焊料氧化，导致焊接故障。因此寻找一种惰性气体来保护工艺的实施具有现实意义。目前，大多数国家采用氮气来形成惰性气体气氛；这是因为，与其它气体相比，氮气具有安全可靠，来源广泛，经济性好的特点。 使用惰性气体后， *板上残留物明显减少； *焊点平滑，氧化现象减少； *焊球和桥接现象明显减少； *焊接时润湿力提高，润湿时间减少，非润湿性故障相应减少。 所以，采用 N2环境对于提高免清洗焊接质量，有效实施新工艺具有重要意义。 第五部分：结论 免清洗焊接技术是一项将材料、设备、工艺、环境和人力因素结合在一起的综合性技术，它的产生推动了制造工艺技术的变革，而它的推广则影响着相关产业的方方面面。将管理因素和技术因素有机结合，是这项技术投入实施的重要一环。随着相关技术的发展和研究人员的不懈努力，必将为 21世纪的免清洗焊接技术赋予新的内容。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/30/2004)