確定助焊劑殘余物的探針可測(cè)性

1、確定助焊劑殘余物的探針可測(cè)性確定助焊劑殘余物的探針可測(cè)性線路板完成焊接后焊點(diǎn)周圍會(huì)有很多助焊劑殘余物，這些殘余物不僅影響美觀，更為嚴(yán)重的是在探針對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)它會(huì)阻礙探針與焊點(diǎn)的接觸。本文介紹一種用精確測(cè)量探針與焊盤之間電性阻抗的方法，確定助焊劑殘余物的探針可測(cè)性。 Richard R. Lathrop Jr.SMT技術(shù)服務(wù)經(jīng)理賀利氏公司 雖然目前還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的探針可測(cè)性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，但焊膏制造商們近年來(lái)在這方面開(kāi)展了多項(xiàng)研究。已公布的研究報(bào)告表明，這些研究主要集中在穿透焊劑殘余物所需力的大小，以及探針藉由大量測(cè)試后外觀上的變化等方面。 滿足探針可測(cè)性的理想焊劑殘余物，其基本特性是不能妨礙

2、探針與測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電性接觸，不管是在探針剛開(kāi)始使用還是藉由成百上千次測(cè)試以后。要實(shí)現(xiàn)這種特性，可以使用不同配方的焊料，如焊劑殘余物少、回流焊過(guò)程中能使殘余物流到探針觸點(diǎn)以外、焊劑殘余物容易破碎或者殘余物較為柔軟而使得探針容易穿透之類的各種焊料。 探針探測(cè)時(shí)，這些焊劑殘余物不應(yīng)對(duì)探針表面造成污染，因?yàn)槲廴緯?huì)在上面積聚，另外殘余物還應(yīng)適用于目前使用的低彈力探針。我們根據(jù)一種檢測(cè)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)出一種新檢測(cè)方法，這種系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間對(duì)低彈力探針(最壞情形下)每次探測(cè)的接觸阻抗進(jìn)行量化處理。 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 探針數(shù)組式樣 首先設(shè)計(jì)一塊簡(jiǎn)單的試驗(yàn)板，目的是做出一個(gè)簡(jiǎn)陋的表面，上面有凸起焊球和很小但可以作為探測(cè)點(diǎn)的焊

3、盤(直徑30mil)，這些點(diǎn)數(shù)量龐大(2,916點(diǎn)/塊)，可以快速進(jìn)行測(cè)試。板子均采用4.5英吋正方形鋁板，在上面按銀鈀6:1的比例鍍上厚膜導(dǎo)體。上面還設(shè)計(jì)了兩個(gè)圓形基準(zhǔn)點(diǎn)，以便使用全自動(dòng)印刷機(jī)時(shí)能進(jìn)行視覺(jué)對(duì)位調(diào)整，試驗(yàn)中采用厚度6mil、開(kāi)口直徑28mil的模板。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 為測(cè)試探針阻抗，測(cè)試系統(tǒng)使用一塊插在PC擴(kuò)展槽中的數(shù)據(jù)采集板，由測(cè)試系統(tǒng)提供5V電壓并測(cè)量和探針串聯(lián)在一起的電阻上的壓降，試驗(yàn)板上的導(dǎo)體則作為地線形成回路。系統(tǒng)設(shè)置為以每秒5次的抽樣頻率對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量和記錄，并將所有讀數(shù)輸出到一個(gè)ASCII文本文件中，然后再送入電子表格軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化與分析。 機(jī)械設(shè)計(jì) 為能更好地對(duì)

4、試驗(yàn)板進(jìn)行探測(cè)，還制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的探針夾具，固定在一臺(tái)可設(shè)置的點(diǎn)膠機(jī)點(diǎn)膠頭上，效果上就像一臺(tái)xyz軸完全可程序的飛針探測(cè)裝置。z軸設(shè)為-0.167英吋，這是建議的探針工作行程，可以施加99克探測(cè)力。 先對(duì)三種類型探針進(jìn)行比較，分別為皇冠型、鏟型和尖頭型，針的直徑為0.031英吋,測(cè)試范圍0.050英吋。針柱和針頭為鋼材料，外層鍍鎳后再鍍一層金拋光；針筒為銅鈹合金，同樣藉由鎳金拋光。其額定平均阻抗為25M。 試驗(yàn)過(guò)程 在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，最初計(jì)畫對(duì)三種探針同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，夾具配置成最多可黏著四根探針。試驗(yàn)板上測(cè)試點(diǎn)以四個(gè)為一組，組成2727數(shù)組，數(shù)據(jù)采集板可同時(shí)測(cè)量記錄8個(gè)信道的數(shù)據(jù)。 試驗(yàn)計(jì)畫用這

5、種多探針測(cè)試裝置試幾種焊膏，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果，選出最適合探測(cè)點(diǎn)表面的探針類型，同時(shí)比較焊膏的探針可測(cè)性。因?yàn)樵囼?yàn)的目的是確定探針長(zhǎng)時(shí)間使用后阻抗的大小，所以使用一個(gè)探針進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)在一塊板上的探測(cè)次數(shù)是多探針時(shí)的4倍。 試驗(yàn)使用的六種焊膏都是免清洗型、63/37錫鉛合金、90%固體含量和3號(hào)錫粉，它們包含了當(dāng)今市面上聲稱符合探針測(cè)試性要求的所有產(chǎn)品。根據(jù)熱重分析法，測(cè)得它們回焊后的焊劑殘余物都在5%到6%的范圍內(nèi)，這六種焊膏分別編為A到F。 焊膏印刷之后，將試驗(yàn)板放在空氣環(huán)境下以預(yù)先設(shè)計(jì)的溫度曲線進(jìn)行回流焊，相對(duì)來(lái)說(shuō)時(shí)間較短溫度也比較低(圖1)，這是為了使焊劑殘余物的數(shù)量及附著性接近最差條件下的

6、情形。 多針測(cè)試 這個(gè)試驗(yàn)是對(duì)回流焊后的焊劑殘余物探針可測(cè)性進(jìn)行量化的第一次嘗試，試驗(yàn)中所有三種類型的探針都用到了。數(shù)據(jù)采集頻率為每秒5次，探針接觸到錫球后有2秒鐘停留時(shí)間。每種焊膏測(cè)試六塊板，每種探針進(jìn)行4,374次探測(cè)。 夾具上探針之間的間隙不如試驗(yàn)板上探測(cè)點(diǎn)柵格間距精確，因此會(huì)在探針頭與焊球頂部之間產(chǎn)生定位誤差，所以每塊板試驗(yàn)開(kāi)始之前，都要調(diào)整所有3個(gè)探針的位置，使它們與相應(yīng)焊盤位置對(duì)準(zhǔn)。 結(jié)果表明，鏟型探針在沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)時(shí)表現(xiàn)最差，如果不是對(duì)著正中它往往會(huì)滑出焊盤而探到焊點(diǎn)旁邊一般有很厚焊劑殘余物的地方。尖頭型探針也有類似缺點(diǎn)，但因?yàn)樗?，所以稍好一些?對(duì)每一種焊膏，試驗(yàn)前都黏著一套全

7、新的探針，并在試驗(yàn)后對(duì)探針拍照以記錄針頭污染及灰塵積聚情況。圖2是試驗(yàn)后拍下的探針照片。 單針測(cè)試 單針測(cè)試使用皇冠型針，每次都裝一個(gè)新的，數(shù)據(jù)采樣率仍然是每秒5次，但停留時(shí)間縮短為1秒以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)中探針要探測(cè)四塊板上的所有點(diǎn)，總共測(cè)11,664次，以觀察六種焊膏對(duì)探針長(zhǎng)期可測(cè)性的影響。 立即測(cè)試與延遲測(cè)試對(duì)比 到現(xiàn)在為止，我們所有的試驗(yàn)都是在焊膏剛完成回流焊時(shí)進(jìn)行的，在焊膏回焊的當(dāng)天完成探針測(cè)試，以仿真在線測(cè)試。我們用一種新的焊膏對(duì)最終測(cè)試時(shí)的探針可測(cè)性也作了研究，這種焊膏編號(hào)為H，和前六種焊膏的物理特性相同，也是免清洗型。用它作了八塊試驗(yàn)板，其中四塊板立即進(jìn)行測(cè)試以仿真在線測(cè)試，其

8、余四塊則在72小時(shí)之后測(cè)試以仿真最終測(cè)試。 數(shù)據(jù)顯示，用焊膏H的探針其可測(cè)性有少量降低。具體地說(shuō)，立即測(cè)試時(shí)有26次探測(cè)的阻抗超過(guò)10，而在72小時(shí)之后的測(cè)試?yán)镞@種現(xiàn)象出現(xiàn)了34次。而延遲測(cè)試失敗時(shí)測(cè)得的數(shù)值也要高，說(shuō)明焊劑殘余物隨時(shí)間推移會(huì)有所變硬。 本文結(jié)論 多探針測(cè)試有助于我們理解探針與焊盤對(duì)準(zhǔn)的重要性，藉由采用低彈力探針和類似焊點(diǎn)的探測(cè)焊盤結(jié)構(gòu)對(duì)每次探測(cè)進(jìn)行電性量化，可以幫助做出具有更好測(cè)試性的設(shè)計(jì)方案。這項(xiàng)測(cè)試只是對(duì)每次探測(cè)的探針接觸阻抗進(jìn)行實(shí)際量測(cè)的一種初步試驗(yàn)，所以還難以確定探針在何時(shí)需要清潔或更換。 對(duì)探測(cè)阻抗進(jìn)行多次量測(cè)有助于將其它干擾區(qū)分開(kāi)(圖3)。判斷合格與失敗的標(biāo)準(zhǔn)與具

9、體應(yīng)用密切相關(guān)，例如因探針被污染而使回路總電阻增加20對(duì)某個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)可能并不重要，但對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，增加20則可能導(dǎo)致誤判而需要重測(cè)或返工。 試驗(yàn)過(guò)程中我們看到，除非探針臟污特別嚴(yán)重，否則單純依靠視覺(jué)檢查探針頭的焊劑殘?jiān)遣荒軠?zhǔn)確判斷探針可測(cè)性的。而使用試驗(yàn)中的方法，只要對(duì)探測(cè)阻抗讀數(shù)超過(guò)10的進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，就可以將焊接材料的探針可測(cè)性表現(xiàn)情況排列出來(lái)。 參考文獻(xiàn)： 1.Dajie Guo, et al. (1999). A new test method to predict ICT performance of solder pastes. Proceedings of Nepcon Wes