原创 正确实施首件检查是确保无铅焊接成功的关键

     作为生产制造经理，工艺这个词必须时时回响在你的耳畔，它是无铅应用中首先需要重视的。无铅焊接合金所造成的较小工艺窗口不仅对回流焊设备，而且也对首件检查设备和过程提出了更高要求。本文将重点阐述有关无铅焊接的典型工艺问题、应采取的相应首件检查策略以及无铅焊接SMT生产参数的认定和质量管理方法。制订一个高质有效的控制程序完全有赖于发现所有潜在工艺问题并加以防范的能力，为了避免产品在售出以后出现故障而面临巨大经济与声誉损失，业内领先的大型生产厂商纷纷通过加强首件检查使得这种可能性大为降低。

     目前业界已经发表不少关于无铅焊接中工艺窗口较小及其对可靠性影响的文章，可以肯定地说，焊接工艺发展到今天它所存在的一些工艺问题已经是可以解决的了。我们都已了解含铅焊锡膏的浸润范围由60秒到120秒，而能接受的峰值范围很宽，从205℃直至高达255℃。在目前的焊接工艺中，大温度范围对于可焊性与可靠性的问题都不是太大。而无铅合金的浸润工艺窗口要小得多，峰值温度范围为230℃到250℃，如果超出这些规定的工艺窗口会对焊点的完整性、元件的安全性及最终可靠性都产生不良影响。

    下面我们可以看到这在实际应用中如何妨碍获得稳定、可靠的工艺。直接影响首件检查和SMT生产线的重要工艺参数包括：
1. 浸润不佳和流动性；
2. 基板弯曲；
3. 较高的工艺温度会损坏元器件，或者改变所要求的焊点形状；
4. 产生条纹(也被称作“桔皮线”或“冻结线”)，柱状晶体使焊点看上去不太光亮，因而也更难认定其质量；
5. 无铅焊接助焊剂残留；
6. 立碑现象；
7. 产生小锡珠；
8. 产生锡须；
9. 产生空洞。

    了解了上述无铅焊接工艺典型特征之后，我们就可以确定企业在首件检查过程中如何贯彻质量评估和进行适当的SMT生产线参数认定。

     一个公司的设备与焊接耗材必须紧密结合才能保证可靠的焊接工艺，因而在选择时需要给予最大关注。回流焊炉的表现在整条无铅生产线中起着至关重要的作用，而最终成功的决定因素还是首件检查。过去10年来，国际焊接标准在全球范围内受到越来越多的重视，IPC 610目前被视作最重要的国际工艺标准，并将在今后较长一段时间仍然适用。符合这样的工艺标准一直以来都是很重要的，而根据这样的标准来进行检查更是必须。

    元器件日趋小型化，使焊点更小、焊接更难完成，如14mil(0.35mm)脚间距的TQFP、0402与0201器件、CSP及倒装芯片等，因而也更难检查，工艺标准则为SMT工艺认定提供了很有价值的指导方针。拥有标准、用标准来检验、用标准来生产应该是制造厂商的基本准则，在首件检查中保证焊点的牢固性就是为了遵循这样的标准。

     如果我们考虑到上面提到的无铅焊接工艺的典型问题，那么按标准来进行生产将面临很大挑战，SnAgCu合金浸润不佳的特性将使焊料完整填充变得更困难，同时超出规定的工艺窗口又会产生可焊性问题，无铅焊工艺窗口较小，在回流焊中做好温度控制和使△T最小化是保证焊接成功的关键。

     无铅焊接所要求的更高工艺温度也会带来新的障碍。当器件在回流焊中自身温度高过PCB时，熔化的焊料会因虹吸效应爬升到元件引脚上，从而改变正确的焊点形状。有时候需要采用破坏性界面检查方法，然而这种检查是一种很浪费的首件检查方法。另外，较高的工艺温度会产生器件膨胀和基板弯曲，这些问题都会导致准开路现象，而温度超出器件承受的最高范围又会造成致命的爆米花现象和器件内部下塌。

    另外一个需要注意的是，在首件检查中，现在标准的放大倍率较小的0度检验设备如显微镜是无法获取截面和侧面图片的。如何检查PCB板、检查哪里、用什么仪器检查，这些问题都关系到无铅焊接首件检查工艺的有效性和经济性。

     多年以来，操作者成功地用一些视觉显示器来反映完整的焊点情况，我们多次听到这样的说法:“好的焊点看上去就应该是这样的。”冷焊往往看上去比较黯淡、多纹，而无铅焊焊点的特征是看上去就比较黯淡，这是由于无铅焊合金凝固过程中产生的条纹、“冻结线”、“桔皮现象”所造成的结果。这些明显的“缺陷”是天然形成的，并不是焊接问题。用高倍率放大仪器检查焊点冻结线之间是否光滑，可以判断该焊点是否可靠。

    在无铅波峰焊工艺中，我们常会用SnCu或SnAgCu合金条。在焊锡槽中，铜会形成Cu6Sn5金属化合物针状或树枝状结晶体。这对生产是很不利的，当合金密度较低时含锡量较高，在焊锡槽底部就会沉降一些针状物并成为焊点组成部分。虽然这个瑕疵是天然形成的，但它确实使焊点看上去不够光亮，必须配备适当的检查设备并重新培训操作人员有关无铅焊检查工艺的标准才能得到正确判断。

    另外，无铅焊接浸润不佳的特性在波峰焊过程中会使焊料填满PTH通孔更加困难，用标准的波峰焊设备生产符合IPC第三级标准的高可靠性产品是不容易的，我们要充分考虑选用合适的无铅选择性波峰焊来降低缺陷率。任何情况下，都要经济、彻底地进行首件检查。IPC标准可以用昂贵的破坏性截面检查或用可提供90度、从板子水平面角度看到图像的光学检查设备来检查。

    查看隐蔽焊点上的助焊剂残留物也很关键，但这无法用X光设备检查出，这时我们可以用ERSASCOPE BGA视觉检查系统来检查这些问题。无铅合金中的高含锡特性会很容易造成焊点产生锡须；同时无铅合金的流动性不佳和表面张力较强容易造成立碑现象，而且超过规定的焊料工艺窗口会产生许多小锡珠，只有用放大倍率高的0～90度镜头才能查看到。另外，无铅焊接要求的较高工艺温度会导致空洞增多，这可用破坏性检验或X光检查出来。

    BGA、CSP和倒装芯片的无铅焊接都会随着较小工艺窗口而产生越来越多的问题，这就要求我们很好地控制温度。BGA有两个阶段回流焊过程，也称为“两次塌陷”，显然，如不检查到一次塌陷的缺陷就会导致元器件早期失效。在无铅焊接过程中，一次塌陷和二次塌陷之间的温差有时只有低达5℃！AOI和X光可以检查整条工艺控制所显示的图像，但也检查不出一次塌陷和二次塌陷的区别。

    在首件检查中用ERSASCOPE BGA光学检查系统来认定SMT生产线参数非常有用，事实也证明它可以减少产品在保质期内出现故障的可能性，一些大量应用BGA、CSP和倒装芯片的大型消费电子产品生产厂商因这种问题往往要损失成千上万的资金，更不用说为此而引发的一系列品牌、形象等连锁负面影响。

     检查小型CSP和倒装芯片需要用到检查功能更先进的ERSASCOPE 2中的倒装芯片镜头。原先ERSASCOPE光学检查系统光圈离PCB板表面的距离大约是0.3毫米，倒装芯片的高度或缝隙仅0.05mm，但我们只能 “从上往下看”。而ERSASCOPE 2的倒装芯片镜头的光圈已降低到0.012毫米，这样我们就可以“从下往上看”了，甚至可以看到倒装芯片焊点的顶部。

     无铅焊接较高的工艺温度将给BGA器件装配带来较大问题，我们可以看到在回流焊过程中由于CTE匹配问题而引起的元件锡球剥离现象。这样的焊接问题在无铅焊接工艺中将会非常普遍，我们必须用更加先进的首件检查手段来检查出这些会影响器件可靠性的问题。根据ERSASCOPE目前1,800多家用户的经验，我们在此强烈建议要在首件检查中检查出这些器件缺陷。

    总而言之，由于无铅焊接所引致的较高工艺温度和较小工艺窗口，彻底进行首件检查就变得至关重要。这样的光学检查需要有一个放大倍率更大的、更灵活的、可进行0～90度探测的镜头。已获专利的ERSASCOPE光学检查系统不仅能对隐蔽的BGA、CSP和倒装芯片焊点进行检查，在无铅焊接中，它还是一个十分有价值的高放大倍率(可达 350倍)综合性检查工具。

    看见才能生存，只有能在无铅焊工艺生产中看见所有的潜在问题，才能及时做出反应，解决问题，确保质量，坚持可靠性标准。只有我们检查出所有潜在可能产生的缺陷，才能让所遵循的6σ质量理念真正发挥作用。我们最终的目标是实现“零缺陷”，但由于受到缺陷检查设备限制，直到今天这一目标还无法实现，因此在整个质量保证体系中采用先进检测设备是非常有意义的。

     无铅焊接的首件检查必须非常认真地加以对待，关键工艺工程师唱主角的时代已过去，QS管理人员和工艺工程师也越来越显示出他们的重要性。一个经过认证的无铅焊SMT生产线可减少工艺问题的产生并降低返修率和废品率，从而大大降低由此引起的生产成本。批量生产厂商都知道，如果无法在生产线中检查出所有潜在问题与缺陷，将会给他们带来很大的经济与企业形象上的损失，但谁又相信采用了无铅焊接这些问题就会自动消失呢？相反，所有迹象都表明这些工艺问题会大大增加。

    拥有标准并按被认可的焊接标准来进行检查和生产是必要的，但没有企业能真正完全做到这一点。坦率地说，有多少按IPC 2、3级标准进行生产的企业在对隐藏的PLCC引脚脚尖焊缝和难查的TQFP引脚脚后跟焊缝进行检查？更不用说在BGA上的两次塌陷了。无铅焊接工艺的到来要求厂商非常认真重新审核他们的QA程序，并配备适当的设备和安排必要的员工培训来做好首件检查，这才是成功的关键。做不到这点，他们将付出沉重的代价。