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1、可靠性 (中級),目 錄,一 焊接的故障和可靠性 二 接合的可靠性 三 Flux的可靠性 四 可靠性的評估方法,1.1 不良故障和可靠性,對於可靠性的議論，根據各自的功能和立場，有形形色色的說法，但其結果都是為了研究減少產品故障的方法，追求可靠性確實是一件比較辛苦的工作，但是如果可靠性不明確，當產品出現故障後，再研究對策進行改善則會更浪費時間和成本，因此各廠商都在為提高產品的可靠性而努力著。其中，焊接部的可靠性是指一次焊接完成部分因存在Flux，經過一段時間後，破壞焊錫，使本來絕緣的位置因Flux引起老化而出現通電現象。提高焊接可靠性就是抑制焊錫破壞現象和抑制Flux殘渣引起的絕緣老化現象。,
2、一 焊接的故障和可靠性,(1)焊接的可靠性 從製造印刷電路板到成品出貨，經過很多的檢查工程合格後供給市場。我們研究的可靠性故障就是在這些檢查工程中無法發現的，而在市場上出現的功能流失的不良現象。,組裝,出貨,貼裝,焊接不良,STOP,焊 接 故 障,市,場,可靠性模式,在上圖中，檢查中發現的焊接不良和可靠性無關，可靠性評價是經過所有的檢查後合格的產品，在出貨後，經過一段時間再確認的評價。因此工程內不良和要出貨後的可靠性不良要區分開來。,(2) 工程內不良和出貨後故障的不同 工程內不良是製造工程中檢查焊接時發現的不良，這種不良在出貨前得到修正。因此焊接不良多發時是提出如何提高焊接品質的對策，與此
3、相對出貨後的故障對策是怎樣延長焊接接合部的壽命。下表是兩種不良的具體對策比較表,1.2 市場故障和焊接不良,市場故障是指產品出貨到市場後，發生裂縫絕緣老化等情形和工程內檢查不到的不良，並由此引發的產品功能故障的情形。,(1) 代表性的市場故障 a :焊錫裂縫。焊接部因熱應力和機械負荷(環境溫度變化，開關的ON/OFF的溫度變化及應力負荷的影響)發生裂縫，使焊接部產生導面不良。 b :Flux的絕緣老化 Flux具有絕緣性(1102以上)但也 會因為各種原因產生絕緣老化的情況。具體來講是因為環境中的水份被Flux中活性成分吸收而引起絕緣老化。另外，因為殘渣的影響而使銅泊發生離子化，使Patter
4、n間導通，形成離子遷移現象。,c :焊錫腐蝕 Flux殘渣在焊接后仍具有反應性，由此引起焊錫和Flux反應，在Flux內生成離子生成物，而腐蝕銅Pattern。,(2) 可以通過檢查工程的焊接不良現象 a :虛焊 虛焊部分在經過一段時間或搬運搖晃才會引起導通不良。 b :錫球引起的橋接 基板上的錫珠因受到沖擊，在Land間移動而形成橋接。,二 接合的可靠性,2.1 接合可靠性的概念,整體上，焊接要求的要素 焊接性好 焊接強度足夠大 焊接壽命長 其中，焊接強度和焊接壽命是評價焊接可靠性的特性值。焊接性好是評價焊接強度和焊接壽命必須滿足的前提條件。在制造工程中，提高焊接性在減少焊接不良改善中占有重
5、要位置。,(1) 焊接性 焊接性是指相對焊接基材，焊錫的潤濕擴散特性。若焊錫在基材潤濕速度快，潤濕面積大則稱為焊接性好，為使焊接性良好需消除影響焊接性的因素。,a : 電子元件(電極的材質，表面狀態元件本體的耐久性) b : 焊錫材料(潤濕性可靠性) c : 印刷電路板(Land材質，表面狀態基板面積性Pattern規則) d : 焊接方法(焊接時間溫度設備) 這些因素中有一項不良都會引起焊接不良,(2) 焊接強度 焊接強度的大小是決定電路板在組裝工程出貨后在焊接部承受負荷時焊接部不被破壞的重要因素。 a :實裝工程 基板分割 / 傳送 元件貼裝(兩面板貼裝第二面時，對第一面元件的負荷) 波峰
6、焊時(兩面實裝的回流焊面) 剪切管腳,b :基板調整工程 將基板安裝到治具上時 ICT檢查時 c :組裝工程 組裝基板固定螺絲 防止基板變形的固定 彎曲基板矯正后的固定 在基板上固定重物(變壓器等),d :制品出貨后 耳塞端子電池盒開關音量鈕等反復加力產生負荷 傳送(卡車貨物船等) 堆積作業 / 車載機器(振動) / 落下(沖擊) 如上述所敘，在焊接產生負荷的情況很多，從設計制造的立場，焊接接合強度不足是一個重要原因。因此，做為提高可靠性首要重點是提高焊接強度。,(3) 焊接壽命 a:機械性破壞-因振動沖擊引起接合的 破壞現象 b:熱的破壞-因環境溫度變化，通電時發熱現象引起電路板膨脹收縮，加
7、劇焊接位置熱疲勞，熱腐蝕而破壞焊的現象。 c :化學性破壞-Flux殘渣受溫度濕度影響發生焊接部腐蝕和離子遷移，使本來絕緣的Land間開成導通現象。,溫度空氣應力稱為經過時間變化的三要素。這些要素復合作用就會促進焊接部老化。具體的經過時間變化例子如下圖，焊錫的拉伸強度的推移如圖,a. 焊接強度變大 焊錫倒角高 元件管腳線徑粗 倒角堅固鋸形 元件管腳線徑與插入 孔徑的差變小 b. 焊錫接合部的荷重變小 c. 使用環境溫度變低 d. 膨脹系數的差變小(基板及元件),三 Flux的可靠性,3.1 Flux可靠性的概念,(1) Flux的成份和作用 一般樹脂系Flux的成分由以下3種物質構成 松脂 活
8、性劑 溶劑 另外，Flux焊接時的作用有 除去金屬表面的氧化膜 焊錫表面張力下降，(焊錫容易擴散) 影響這些特性的主要成分是Flux中的松脂和活性劑。,(2) 松脂和活性劑的關系圖 Flux除去金屬表面氧化膜是因為發生化學反應，起化學反應的成分是松脂和活性劑。一般為提高金屬表面氧化膜的除去效果而使松脂和活性劑共存。但是活性劑只是有除金屬表面氧化膜的作用，不具有降低金屬表面張力和防止再氧化作用，因此只有活性劑不能完成焊接，松脂具有Flux所有特性，但效果較小，沒有活性劑會影響操作性，因此松脂和活性劑需共同混合使用。另外，一般的Flux殘留物是松脂中混有活性劑的狀態。,Flux殘渣,Fulx引起的
9、腐蝕原理如下面的流程圖，因具有順序性，所以選定Flux時要特別注意。 銅的氧化 和鹽酸的反應 氯化銅的生成 和水的反應 水氧化銅的生成 和碳酸氣的反應 鹼性碳酸銅的生成,3.2 Flux引起腐蝕的原理,松脂是香芹酮酸的一種，香芹酮酸發生以下的反應，起到去除金屬表面氧化膜的作用。,但是上面的反應速度非常慢，使有松脂焊接焊錫擴散的狀況非常不好。,活性劑主要使用胺的氧化鹽，有以下几個種類,活性劑清潔金屬表面是活性劑中的氯化氫的作用 代表性的反應如下 2R-NH +HCl+CuO CuCl +2R-NH +H O,發生上述反應，快速去除金屬表面的氧化層，這種反應速度快就稱為Flux的活性度大，但Flu
10、x也有一定的副作用，就是在焊接后Flux殘渣會腐蝕焊錫和降低Pateern間的絕緣阻抗。這主要是因為Flux中的氧元素發生反應后，Flux中的離子物質增多而造成的。因此，在電子產品上使用的Flux，為了抑制其副作用的發生，而使用活性不太強的活性劑。,2,2,2,2,絕緣不良是本來絕緣的兩個Pattern間因各種原因而導通的現象。焊接部的絕緣不良是絕緣的Pattern間，因Flux殘渣而使電氣導通的現象，焊接部的絕緣不良模式有以下3種 (1) 因電子傳導引起的絕緣不良 Flux殘渣中的離子發生電子移動，使Pattern間導通，形成絕緣不良,因電子傳導引起的絕緣不良,(2) 因電氣化學反應產生電流
11、 Flux殘渣中的離子和電子的吸引而使負電荷離子向正電荷的電極側移動。因這種電子的移動而引起Pattern間導通，形成絕緣不良。,因電氣化學反應產生電流圖,(3) 雙重充電電流 象這樣，絕緣阻抗的下降，是因為出現使Flux殘渣中的離子物質的影響而使電子容易移動的環境。 一般防止絕緣阻抗下降的措施有以下三方面 在Flux中不使用有極性材料 使用不吸濕的材料 使用Flux殘渣能固化的材料,四 可靠性的評估方法,(1) 沾濕性試驗的概要 一般在使用高活性Flux的情況 基材表面氧化度低，無臟污的情況 焊接性較好就是說焊錫和基材間具有良好潤濕性時，則焊接性較好。但這種說法較為抽象，具體評價焊接性時需要
12、對潤濕度進行定量的測試。 潤濕簡單而言就是固體表面和液體的親和性。,4.1 通過沾錫性試驗評價潤濕性,如焊錫的潤濕角圖從力學角度換算，達到平衡條件有如下關系式,rs=r1 cos+r1s,這里r1 cos+r1s是表示附著張力潤濕程度。若90時，則潤濕，90時沒有潤濕。,焊錫的潤濕角,沾錫性試驗作用是評價Flux活性度和母材表面狀態的差的焊接性。通過沾錫性試驗評價焊接不良。沾錫性試驗機構成如下圖所示， 具有上下可動焊錫槽和試 料夾上有負荷傳感器的設 備。試料接觸溶化的焊錫 后，被浸漬，然后從焊錫 脫離，測定這一過程力和 力的方向，來評價元件的 焊接性。,沾錫試驗設備結構簡示圖,一般沾錫曲線圖,
13、T,0,T,1,T,2,T,3,T,S,A,B,F,F,w,G,理論上最大潤濕力,潤濕基准線,基准線,浮力線,錫槽,試料,潤濕力,時間,上圖圖中縱軸表示元件負荷力(潤濕力)，橫軸表示時間。在潤濕基准線以下表示沒有潤濕力，潤濕基准線以上表示有潤濕力。 時間 T0表示焊錫槽內溶化的焊錫表面接觸到試料，這時曲線開始偏離基准線。 時間 T1表示焊錫開始在試驗片潤濕的時間。,時間 T2在這一點，試料僅受到浮力作用，是試料的浮力線，用下式可以計算出浮力大小。 B點的力(mN) = 0.08t h a h: 試驗片在焊錫中浸漬深度 a: 試驗片的橫截面積 t: 溶解的60/40焊錫235的常數,注意試驗片浸
14、漬在焊錫中一定深度，試驗片承受浮力，因此潤濕力不是從基准而是從浮力補正的浮力線求出潤濕力。,時間 T3 記錄線到達潤濕基准線的時間 注理論上潤濕基准線應該是最大潤濕力的2/3， 表示如下式 Fw = F f = e cos- d h g Fw 試驗片上的作用力mN F 焊錫潤濕作用力mN f 試驗片的浮力mN : 焊錫的表面張力mN/mm, 接觸角deg d 試驗片的橫截面積mm2 h : 浸濕的深度mm g/mm2 焊錫的密度 g： 9.8 103mm/sec2 重力加速度 接觸角0時，浸漬深度按0mm計算,時間Ts嚴格的講，浮力線和記錄曲線交點T2是浸濕開始時間，實用上因為基准線和記錄線的
15、交點Ts和T0-TsT0-T2的時間差極小，將T0-T2用T0-Ts代替測量。這種情況下，潤濕時間稍有變長，但在允許誤差范圍內。,(2) 試驗結果的應用 根據試驗曲線的結果，來判斷DIP焊接時焊接品質的壞。,向上的拉力和毛刺發生的關系,上圖顯示G增大，也更容易發生毛刺不良。在下圖中，表示了靜止焊錫槽中的銅濃度與溶化焊錫度和潤濕時間的關系。當焊錫中的銅濃度達到某種濃度時，會使潤濕時間急劇延長焊接性變差。從圖中可以看出銅的許可界限值。,像這樣，通過焊接性曲線的試驗結果，找出和焊接的相關因素，是調查焊接狀態的有效手段。,銅濃度和引線的潤濕時間,焊接的靜特性與焊接的動特性不同，是以評價焊接后的特性為目的的。Flux的靜特性是確認焊接后Flux的穩定度。靜特性包括以下試驗項目,4.2 Flux的靜特性評價,(1) 腐蝕性試驗 在銅板上，按規定的加濕條件使焊錫和Flux 溶化，通過觀察Flux殘渣的顏色變化，判斷銅板有無腐蝕。 腐蝕是焊接后在加濕狀態下空氣銅焊錫Flux殘渣間發生的化學反應，試驗片發生反應時會出現以下的現象
