一种组装主板(PCBA)可靠性验证方法

一种组装主板（PCBA）可靠性验证方法PreparedBy:Henry.PengIssuedate:Mar,30th,2011定义组装主板焊接的验证方式。1.技术背景RoHS&WEEE的无卤制程回流焊与波峰焊工艺调整焊接失效质量与可靠性的区别2.发明内容理论原理验证方式不良及改善方式主板验证方式锡须产生机理及避免方法3.具体实施方式流程：标准板，重工板可靠性验证(1)可靠性验证(2)HASS具体实施方式异常流程焊接性评估：X-Ray，红墨水，切片，推拉力，锡须检测RoHS&WEEE的无卤制程欧盟议会及欧盟委员会于2003年2月13日在其《官方公报》上发布了《废旧电子电气》设备指令（简称《WEEE指令》）和《电子电气功设备中限制使用某些有害物质指令》（简称《RoHS指令》），2006年7月开始执行。以下是RoHS中对六种有害物规定的上限浓度：1铅1000ppm以下4六价铬1000ppm以下2水银1000ppm以下5多溴联苯（PBB）1000ppm以下3镉100ppm以下6多溴二苯醚（PBDE）1000ppm以下回流焊与波峰焊回流焊：内部有一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。一般用于SMT(SurfaceMountedTechnology)贴片较多。波峰焊：让插件板的焊接面直接与高温液态锡接触达到焊接目的,其高温液态锡保持一个斜面,并由特殊装置使液态锡形成一道道类似波浪的现象,所以叫“波峰焊”，一般用于DIP等插件比较多。工艺调整除温度外，材料，PCB，助焊剂，焊料，焊接工艺的变更以及成本的剧增亦导致了焊接问题的进一步加剧，产生开裂，偏位，空洞，爬锡不足，锡须等焊接失效异常。当然，焊接失效除了跟焊接工艺有关之外，还与PCB选材，设计，助焊剂和焊接材料本身密切相关。一般无铅焊接的炉子最高温度在260以上才能保证焊膏的融化，而有铅（锡63%铅37%）焊接炉子的最高温度245-255就行了，要根据板和炉的情况来具体调节。焊接失效据统计，半数以上的主板失效是由于焊接失效引起的，而大多数公司却没有采用系统化的焊接可靠性验证方法来进行检测，导致主板由于焊接失效造成的可靠性不高。其实按照系统的焊接可靠性验证方法，通过选择合适的测试方法和验证方式，反馈至制程来控制焊接的质量，达到业界领先的产品质量是可以实现的。根据短板原理，主板系由成千上万的电子元器件通过焊接紧密联系在一起的系统，由于一两个焊接失效特别是关键器件的失效而导致不可用，即使这些失效在几年后才开始逐步呈现，也是极不划算的。当然，焊接失效除了跟焊接工艺有关之外，还与PCB选材，设计，助焊剂和焊接材料本身密切相关。质量与可靠性的区别本发明只涉及焊接可靠性验证方面，而不针对焊接原理及焊接工艺本身，仅对其进行一般性的介绍。本发明并没有针对每个单独测试的指引，而是有助于决定测试方式。这通常取决于主板的复杂性，技术和新颖处以及供应商。值得注意的是，功能和外观预测试时发现的焊接异常，包括虚焊，连桥，空洞，生锈，变色等属于质量问题，通过初步的改良工艺和改进焊接稳定性即可得以解决。而通过振动，高温高湿，冷热冲击等过程可靠性验证发现的焊接异常和外观瑕疵问题才属于可靠性的范畴，需要进一步的制程稳定性改良。理论原理针对在组装主板的设计和制造过程中，耐久焊接缺陷不易呈现的问题；用比产品在正常条件使用所经受的更为严酷的试验环境，使用可靠性加速的方法来进行测试，在给定的试验时间内就能获得比在正常条件下更多的信息。同时，须充分考虑可能的产品设计/材料不良导致的大规模重工至恶劣的使用，存储和运输环境，当中可能承受的环境，机构和综合压力。在诸多不良因素影响下的焊接状况，初始外观检测和全功能测试可能均良好，但随着时间的推移和环境，机构，综合应力的作用下，其潜在的缺陷会逐渐暴露出来。验证方式本发明公开了一种组装主板（PCBA）可靠性验证方法，用于确认包括计算机类电脑主板在内的焊接可靠性。该验证方法将预测试外观正常和功能稳定的组装主板分别经过可靠性测试及焊接性评估，为制程提供评估结果或为失效分析提供依据。其中可靠性测试包括重工，振动，跌落，重力冲击，高温高湿，冷热循环和高加速应力筛选，以模拟运输或极端环境使产品出货几年后可能出现的焊接问题提前暴露出来；而焊接性评估包括X-Ray，切片，红墨水，推拉力和锡须检测，充分检测焊接状况。该方法也有助于挑选合格的电子元器件，焊锡和PCB板。不良及改善方式常见的焊接不良改良包括：a．印锡不足，导致虚焊：增加印锡量，对钢网进行扩孔或加厚b．零件引脚可焊性差导致上锡不良：调整炉温，更换元件c．炉温曲线不良，比如温度低或恒温时间不够等：调整炉温曲线d．PCB焊盘可焊性差导致引脚与焊盘润湿不良：修整PCB焊盘，改良PCB其它可能导致焊接不良的还包括助焊剂过多/润湿性不足/活性不够/不均匀，走板速度太快，焊接前未预热或预热温度过低，PCB本身工艺问题/零件脚太密/穿孔不良，浸锡角度不对，有气泡/气泡爆裂形成锡珠等等。锡须产生机理及避免方法值得一提的是锡须，禁铅以后，锡须问题冒了出来。其根本原因是PCB的铜与焊料的锡相互扩散形成的金属互化物或电镀镀层的残余应力，其严重后果会导致相邻焊脚的短路和尖端放电，在移动时亦有可能脱落造成金属短路。它在初始常态下是不会很快呈现的，在某些环境因素例如在热带和昼夜温差较大的气候作用下几年后问题才会逐渐生长出来，这就需要进行充分的高温高湿和冷热循环（一般为半个月）来进行模拟，再用高倍的立体显微镜来进行锡须检测。视锡须检测的结果，充分考虑风险和成本，对锡须预防和补救措施有：控制回焊冷却工艺（每秒4℃以上，使用氮气）；冷却回火处理；加入镀镍或镀银层；将纯镀锡层高温退火处理；电镀雾锡，改变结晶结构等；用聚合物制造共性保护层等。主板验证方式主板认证包括可靠性验证和焊接性评估。过程验证主要包括重工Rework，振动Vibration，跌落Drop，重力冲击GravityShock，摇屏Torsion，冷热冲击ThermalShock，高温高湿HighTemp&Humidity，HALT（高加速寿命测试）和HASS（高加速应力筛选）。过程测试前后均要检查外观，进行全功能测试；而焊接性评估包括X-Ray，切片X-Section，红墨水Dry/Pry，推拉力Pull&Push，锡须检测FCT&TinWhisker等。流程：标准板流程：重工板实施条件和设备项次项目条件涉及设备1重工包括CPU底座，南桥（如有），北桥，I/O，网卡，声卡，BIOS芯片，显卡，内存，PCI插槽以及挑选的MOS管，直立电容/电感等电烙铁，热风枪，锡炉2振动5Hz@0.001g2/Hz至50Hz@0.01g2/Hz(斜升)，50Hz至500Hz@0.01g2/Hz(平)；加速度均方根值约为2.18Grms，15分钟/轴，垂直的三轴振动机3重力冲击160g(±5%)，2ms(±10%)，半正弦波，1次/轴，总共6个轴重力冲击机4跌落高度100厘米，按一角三棱六面总共十次顺序跌落跌落机5高温高湿温度为80℃，湿度为80R.H%，时间为360小时恒温恒湿机6冷热循环低温-40℃，高温80℃，停留时间15分钟，总共600个循环冷热冲击机7HASS低温-20℃，高温65℃,每个温度点停留12分钟，变化速率60℃/分，6个循环高加速寿命机，高压缩氮气项次项目内容涉及设备1切片包括CPU底座，南桥（如有），北桥，I/O，网卡，声卡，BIOS芯片，显卡，内存，PCI插槽以及挑选的MOS管，直立电容/电感等切割机，研磨机，抛光机，光学显微镜2红墨水包括CPU底座，南桥，北桥抽真空机，烤箱或恒温恒湿机，电子显微镜3X-Ray包括CPU底座，南桥（如有），北桥，I/O，网卡，声卡，BIOS芯片，显卡，内存，PCI插槽以及挑选的MOS管，直立电容/电感等立体X-Ray检测仪4推拉力挑选小封装的器件进行推拉力万能推拉力计，立体显微镜5锡须检测选定某个特定的器件，对高温高湿和冷热循环可能培育出来的晶须使用高倍显微镜进行观测切割机，高倍立体光学显微镜实施状态和典型失效条件项次项目状态典型失效条件1重工重工时单片板无涵盖所述所有位置的必要，但单片板应包括至少两个核心器件，且10片板当中至少包含所述的器件三次以上焊盘不可复用；PCB严重变形；电子元器件严重变形；非联通的焊接点过近等2振动非包装非操作状态振动后组装主板功能，外观损坏3重力冲击非包装非操作状态重力冲击后组装主板的功能，外观损坏4跌落包装状态包装跌落后组装主板的功能，外观损坏5高温高湿非包装非操作状态存储后组装主板功能损坏；PCB严重变形，生锈或变色；6冷热循环非包装非操作状态存储后组装主板功能损坏；PCB严重变形，生锈或变色；7HASS操作状态，温度下降过程中先关机，低温状态下保持一分钟再开机运行；高温时保持运行回至常温常态后组装主板功能损坏；项次项目具体状况典型失效条件1切片切片时单片板应包括核心器件和连接器，且10片板当中至少包含所述的全部大器件在内；每片板至少包含11个位置爬锡高度低于65%；IMC层过薄；空洞等于或多于3个；空洞面积大于30%。锡裂；连锡等问题出现过多2红墨水每片板仅包含CPU底座，南桥，北桥红墨水渗透点过多；染色面积超过30%；染色长度超过焊接的半径长度的70%。3X-Ray照X-Ray时单片板应包括所有核心器件和连接器，其中CPU底座和南北桥要包含四个角，且每片板要有20个电子器件以上。连桥，变形，吃锡不足问题过多；4推拉力挑选的0805，0603，0402封装的小电容，小电阻，每种至少包含一个承受的推拉力小于30牛5锡须检测检测声卡，网卡的锡须生长状况高温高湿或冷热循环后观测到的锡须大于2毫米异常分析流程图众所周知，制程焊接并非完美，特别是对于新产品研发而言。因此焊接存在着一个容忍度的问题，即对于偶尔出现的单个不良可以放过，只有批量不良才需要进行制程改良。另一方面亦存在在时效的问题，如果过于纠缠个别不良而耽误了市场时间亦是不值得的。本流程正是遵循此一概念。ComponentRework（元器件重工）Thisinvolvesreplacingselectcomponentswithnewpartstosimulaterepairoperationsduringproduction.ThecomponentstargetedforreworkareidentifiedbyDellReliabilityEngineering.Thesetypicallyincludethechipsetcomponents,BGAs,especiallythosewithaggressiveballsizingandpitch,andsomeotherkeycomponentsorconnectors.用新器件取代所选的元器件以模拟生产过程中的维修操作，通常包括芯片组，CPU底座，以及其它的主要组件和连接器。跌落此类实验前后均需进行外观和功能检测，方能做切片和红墨水，目的是验证焊接的牢固性。可靠性验证(1)重力冲击振动温度冲击产品在其服务寿命内可能遭受气候压力，系由不同材料组成,当温度激烈变化时,不同材料冷缩热胀程度不同,会造成应力残留甚至破坏.可靠性验证(2)高温高湿存储分别得出低温(LOL)/高温(UOL)/振动(UDL)操作极限以后，综合环境应力测试CombinedEnvironmentsStress依以上3个操作极限而定,温度设定为(LOL+10℃)至(UOL-10℃),温度变化率为60度/分钟,振动幅度设定为0.25Xand0.5X的UDL.测试软件为Windows系统,Burn-InV6.0(或按客户要求).每个温度和振动幅度停留点为10分钟,周期为5个循环,可按图示执行.HASSProgrammedchamberTemperature0ºCLowerthermalcyclesetpointUppert