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在世界范圍內(nèi)，主要工業(yè)國(guó)家都在迅速消減有鉛焊接制造工藝，其中包括PCB組件。北美、歐盟和日本都計(jì)劃采用“無(wú)鉛”技術(shù)，許多公司也盡可能快地放棄有鉛焊接工藝。一些公司充分利用這一形勢(shì)，把無(wú)鉛技術(shù)作為加強(qiáng)其消費(fèi)者市場(chǎng)的主要手段。
轉(zhuǎn)向無(wú)鉛焊接技術(shù)幾乎使PCB組件的方方面面都受到了影響，包括測(cè)試和檢測(cè)手段。這里，我們著重論述一些相關(guān)的技術(shù)問題，以及無(wú)鉛焊接給自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)、自動(dòng)X射線檢測(cè)(AXI)以及在線測(cè)試(ICT)等主要測(cè)試和檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)的影響。
新型焊接技術(shù)的概念
禁止使用鉛焊料的趨勢(shì)促使電子制造商和工業(yè)組織，如NEMI和IPC等，開始考慮轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的錫-鉛焊接化學(xué)方法，尋求新的出路。泰瑞達(dá)公司參加了NEMI公司的“北美無(wú)鉛焊接組件技術(shù)藍(lán)圖”、“無(wú)鉛混合組件和返修項(xiàng)目”的制定，并加入了IPC 7-32焊接檢測(cè)能力標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)。
新型無(wú)鉛焊接概念主要包括錫-銀-銅和錫-銅焊接技術(shù)。大部分電子業(yè)同行為實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛焊接，正在向錫-銀-銅合金家族轉(zhuǎn)型。NEMI公司推薦了一種用于回流焊的Sn3.9Ag0.6Cu(+/-0.2%)和用于波峰焊的Sn0.7Cu“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”無(wú)鉛合金。然而，隨著許多工藝的變化，應(yīng)慎重考慮，采用更合適的配料比例，以適合更大范圍的應(yīng)用，使這種指定的合金既符合產(chǎn)品的營(yíng)銷要求，又經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
回流溫度
無(wú)鉛焊配料具有較高的熔點(diǎn)，可能會(huì)使元件與/或組件損壞。按照無(wú)鉛焊接概念，SnAgCu的熔點(diǎn)溫度從183℃提高到近217℃，峰值溫度高達(dá)260℃。通過較長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)加熱可以使高溫得到適當(dāng)降低。修復(fù)溫度也受到影響，有些部件的修復(fù)溫度可達(dá)280℃。
這種較高溫度下使用的元件必須進(jìn)行資格認(rèn)證，未經(jīng)認(rèn)證的元件要求進(jìn)行手工組裝。
光學(xué)檢測(cè)問題
檢測(cè)無(wú)鉛焊接基本上與檢測(cè)常規(guī)的有鉛焊接沒有什么區(qū)別。無(wú)鉛焊接的焊點(diǎn)外形看起來(lái)與傳統(tǒng)的錫-鉛焊點(diǎn)十分相似。檢測(cè)屬于哪種類型的焊接，關(guān)鍵是找到正確判斷每種外形視覺特征的檢測(cè)機(jī)理。
然而，無(wú)鉛和有鉛焊接的焊點(diǎn)從外表看還是有些差別的，并影響AOI系統(tǒng)的正確性。無(wú)鉛焊點(diǎn)的條紋更明顯，并且比相應(yīng)的有鉛焊點(diǎn)粗糙，這是由于從液態(tài)到固態(tài)的相變?cè)斐傻摹Ｒ虼耍@類焊點(diǎn)看起來(lái)顯得更粗糙、不平整。另外，無(wú)鉛焊料的表面張力較高，不像有鉛焊料那么容易流動(dòng)，形成的圓角形狀也不盡相同。這些視覺上的差異要求對(duì)AOI設(shè)備和軟件重新校準(zhǔn)。舉例來(lái)說(shuō)，某些有鉛焊接AOI系統(tǒng)中設(shè)置的“自動(dòng)通過值”可能與無(wú)鉛焊接存在輕微的差別。
如果當(dāng)前正使用人工檢測(cè)儀，并考慮轉(zhuǎn)換為AOI系統(tǒng)，正是合適的機(jī)會(huì)，因?yàn)榇藭r(shí)人工檢測(cè)儀必須進(jìn)行“重新校準(zhǔn)”。
無(wú)鉛焊檢測(cè)的工業(yè)研究結(jié)論
2002年泰瑞達(dá)公司資助成立了國(guó)家物理研究室(NPL)，對(duì)AOI系統(tǒng)的無(wú)鉛焊檢測(cè)能力進(jìn)行了獨(dú)立評(píng)估。NPL是英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，是獨(dú)立的測(cè)量和材料科學(xué)研究、開發(fā)和知識(shí)轉(zhuǎn)換中心，在國(guó)際上享有很高的聲譽(yù)。
NPL對(duì)“無(wú)鉛表面安裝組件自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的比較”這一課題進(jìn)行了研究，并在2002年7月公布了研究結(jié)果，旨在判斷無(wú)鉛焊接組件自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)是否存在問題。
供研究使用的測(cè)試對(duì)象是一種專門為此次研究制作的單色組件，一次制作了許多，有的有缺陷，有的沒有缺陷。組件包括許多不同的焊接類型。每個(gè)組件包含近100個(gè)元件以及1400多個(gè)無(wú)鉛焊點(diǎn)。設(shè)計(jì)的元件類型包括0.4mm節(jié)距256腳QFP，0.5mm節(jié)距TSOP，以及0402電阻。缺陷類型包括漏焊元件、未對(duì)準(zhǔn)元件、尺寸正確但參數(shù)錯(cuò)誤的元件、不良焊點(diǎn)、錯(cuò)誤極性元件、焊接橋，以及焊接不平整元件等。
參加AOI系統(tǒng)評(píng)估研究的有六個(gè)不同的制造商，其中包括泰瑞達(dá)公司。對(duì)無(wú)鉛組件和常規(guī)有鉛組件的檢測(cè)使用相同的軟件算法。研究表明，對(duì)無(wú)鉛焊PCB的評(píng)估結(jié)果與有鉛PCB相同，甚至更優(yōu)。兩者的錯(cuò)誤檢測(cè)率也十分相似。需要進(jìn)行的測(cè)試次數(shù)與測(cè)試對(duì)象是否含鉛無(wú)關(guān)。
研究表明，雖然在不同設(shè)備上測(cè)試結(jié)果略有差別，但大多AOI系統(tǒng)可以用于無(wú)鉛表面安裝組件的檢測(cè)。有些使用彩色算法和依賴單色攝像機(jī)的系統(tǒng)在評(píng)估無(wú)鉛焊點(diǎn)時(shí)會(huì)遇到問題。實(shí)踐證明，采用AOI系統(tǒng)對(duì)焊接分析時(shí)，不必用彩色圖像，單色圖像已包含了焊接分析所必需的全部信息。但使用彩色圖像進(jìn)行無(wú)鉛缺陷的檢測(cè)效果更好，例如焊接橋和不良焊點(diǎn)等。
自動(dòng)X射線檢測(cè)問題
我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)鉛焊的球形焊點(diǎn)中虛焊增多。無(wú)鉛焊的焊接密度較高，可以檢測(cè)出焊接中出現(xiàn)的裂縫和虛焊。銅、錫和銀應(yīng)屬于“高密度”材料，因此，像鉛這類材料阻礙X射線的照射。所以，有必要對(duì)X射線系統(tǒng)進(jìn)行重新校準(zhǔn)，但是所有的X射線檢測(cè)公司-無(wú)論他們生產(chǎn)手動(dòng)還是自動(dòng)X射線檢測(cè)系統(tǒng)-都說(shuō)自己的設(shè)備對(duì)于檢測(cè)無(wú)鉛焊接沒有問題，但是為了進(jìn)行優(yōu)良焊接的特性表征、監(jiān)控組裝工藝，以及進(jìn)行最重要的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)完整性分析，對(duì)設(shè)備的檢測(cè)要求有所提高。
無(wú)鉛焊對(duì)ICT的影響
前面已提到，錫合金是一種無(wú)鉛焊選擇，然而，錫焊會(huì)出現(xiàn)“金屬須”現(xiàn)象-即小的金屬凸起，伸出焊點(diǎn)或焊盤之外。這類須狀物可能生長(zhǎng)的很長(zhǎng)，使兩個(gè)焊區(qū)的電流過大，出現(xiàn)短路，引起設(shè)備故障。采用在線測(cè)試可以很容易地發(fā)現(xiàn)這一問題，但錫須的生長(zhǎng)可能需要一定的時(shí)間，這可能是一個(gè)長(zhǎng)期存在的可靠性問題。許多組織正在積極努力，如NEMI公司正在使用不同的錫合金，試圖最大限度地減少這種現(xiàn)象的發(fā)生。
為了優(yōu)化無(wú)鉛焊接的回流工藝，我們?cè)黾恿撕竸┑氖褂昧浚诜乔逑喘h(huán)境，隨著接觸電阻的增大，可能污染探針頭，對(duì)設(shè)備性能有損。因此，要求加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維護(hù)工作，或者把探針頭改換為更尖銳的類型。但是，更尖的探針頭可能與無(wú)鉛焊的脆性發(fā)生沖突，引起損傷。由于無(wú)鉛焊的脆性，在對(duì)測(cè)試設(shè)備中組件的彎曲特性加以限制時(shí)要加倍小心。
返修&修復(fù)問題
最后要考慮的問題是無(wú)鉛焊對(duì)返修和修復(fù)工作的影響。無(wú)鉛合金的熔解需要較高的溫度。如果組件上的元件尺寸較大，會(huì)出現(xiàn)較高的熱耗散，因此應(yīng)對(duì)元件進(jìn)行預(yù)加熱。由于采用無(wú)鉛焊接，并且在裸PCB片中去除了某種阻燃劑，修復(fù)時(shí)要求的高溫可能會(huì)損壞元件與/或組件。上面提到，NEMI公司正在通過“無(wú)鉛混合組件與返修項(xiàng)目”研究這些問題。許多公司也都在努力減少或消除PCB組裝線的缺陷，建立“零缺陷”組裝線。
