汽相再流焊可靠性鉴定试验总结报告.docx

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汽相再流焊可靠性鉴定试验总结报告

SMT生产线可靠性工艺鉴定试验总结报告

单位航天科技集团公司第九研究院二00厂

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SMT生产线可靠性工艺鉴定试验总结报告

1.情况概述：

当前，随着SMT技术大量应用，型号产品特点逐渐向多元化和复杂化发展，为了适应小品种，多批量的生产模式，我厂于去年引进了一条SMT生产线，分别为DEK半自动丝网印刷机，MYDATA自动贴片机和IBL汽相回流炉。

DEK248半自动丝网印刷机与前期引进的DEK全自动丝网印刷机相比，具有更高灵活性和自由度。

MYDATA自动贴片机在中、小批量的生产上优势尤为明显，具有灵活性强，贴片精度和贴片能力高等特点（有引线间距可达最小可达0.1mm，引脚宽度可达0.05mm，球形引脚最小间距可达0.16mm，焊球直径0.08mm），此外，针对多种规格的散料可定做相应的料带和料盘，适合当前型号任务的物料特点，极大的降低了人为操作带来的风险。

丝网印刷工艺和贴片工艺均为成熟工艺方法，早在上世纪90年代中期，我厂就引进了航天系统内的第一条SMT成产线，由半自动丝网印刷机，半自动贴片机和四温区红外回流炉三部分组成，在20世纪初，又引进了一条全自动的SMT生产线，由全自动丝网印刷机，全自动高速贴片机和七温区热风回流炉组成，因此，在丝网印刷和贴装工艺方面，具有丰富的经验，相关工艺方法在十几年的生产实践中已经得到了验证。

与上述两台设备相比，IBL汽相回流焊设备的引进，带来了全新的汽相回流工艺技术。

汽相回流焊技术诞生于1974，与传统的红外和热风回流焊工艺相比，汽相回流焊工艺在热传递效率，加热均匀性，峰值温度控制和防止二次氧化方面都具有一定的优势，但是，由于早期汽相液氟氯化碳的成本较高，对环境污染严重，一直未得到广泛应用。

直到1992年以惰性气体合成的新型汽相液的诞生，汽相回流焊技术得到了进一步的发展，随着2000年ROHS标准的提出，在倡导低碳节能设备的同时，汽相回流焊技术已经越老越多的应用于有着高可靠性焊接质量要求的电子电力行业。

随着元器件封装技术的不断发展，高密度，细间距，多I/0的元器件逐渐应用于型号产品中，通常一块印制电路板组装件上，包含多种尺寸封装形式的元器件，从1.6mmX0.8mm（0603封装）的阻容元器件到35mmX35mm1.27间距BGA封装器件（目前型号产品中常用的尺寸），由于元器件尺寸不同，在焊接过程中，需要的热容量存在差异，此外，随着无铅化的逐步普及，无铅元器件（目前以BGA居多）也越来越多的应用于目前型号产品中，由于焊点的熔化温度较高（普通SAC305无铅BGA熔化温度为217℃，Sn63Pb37BGA熔化温度为183℃），在焊接过程中，相较于有铅元器件，无铅元器件需要更高的温度和更大的热容量。

因此，在保证大热容量元器件的焊接质量，防止小热容量封装元器件过热损伤情况下，在焊接过程中，具有更高热传导效率，更平稳的升温速率，和可控峰值温度和可控时间的设备可以提供更可靠的焊接质量。

汽相回流焊工艺由于加热原理与热风和红外回流焊技术不同，在上述几方面具有明显的优势，同时，由于汽相层密度大于空气，整个焊接过程相当于在无氧环境中进行，有效防止了焊接过程中二次氧化的发生。

本次SMT生产线可靠性工艺鉴定试验重点内容为汽相回流焊工艺的可靠性验证。

DEK半自动丝网机和MYDATA自动贴片机在已完成设备性能验收的前提下，不再单独对设备进行可靠性鉴定试验。

因此，所有试验项目均围绕汽相回流焊工艺制定，具体试验项目试验进度见下表1

试验项目

进度

汽相液沸点稳定性试验

已完成

设备加热效率试验

已完成

有铅元器件焊点可靠性试验

已完成

混装元器件焊点可靠性寿命试验

进行中

X15型号产品焊点可靠性试验

已完成

X3X型号产品环境试验

进行中

X7型号产品环境试验

进行中

X41型号产品环境试验

进行中

表1

（注：

除前两项试验外，其他试验均由三台设备共同完成）

2.试验方案

2.1试验依据

试验项目的制定和试验结果的判断依据下表3中各项标准

标准名称

参考内容

GJB3243-98《电子元器件表面安装要求》

试验件焊点外观检验合格标准

GJB4907球栅阵列封装器件组装通用要求

BGA焊点X-RAY检验合格标准

ECSS-Q-ST-70-38C（高可靠性表面贴装焊接技术）

1.焊接可靠性试验方案制定；

2.焊点内部检验合格标准；

ECSS-Q-ST-70-08C（高可靠性电连接的手工焊接）

1.焊接可靠性试验方案制定；

2.焊点内部检验合格标准；

IPC9701《表面贴焊接接连接的性能测试方法及鉴定要求》

1.焊点可靠性试验寿命试验方案制定；

2.焊点可靠性寿命检验和计算标准；

表3

2.2试验内容

各试验项目方案依据相关标准和产品环境试验要求制定，具体试验内容见下表4

试验项目

试验内容

汽相液沸点稳定性试验

依据厂家提供的汽相液沸点温度，设备每次开机“HEATINGUP”结束后，记录汽相层温度，并定期进行检查核对汽相层温度是否与厂家提供温度一致；

设备加热效率试验

比较不同负载在相同工艺参数下温度曲线的差异，找出影响印温度曲线变化的因素，总结相关规律；

有铅元器件焊点可靠性试验

1.根据现有产品特点设计印制板，采购元器件；

2.使用四种不同峰值温度焊接4块试验件，在外观检查合格的基础上进行金相剖切试验，观察焊点内部结构；

3.根据焊点内部结构，确定后续试验件的焊接温度曲线；

4.使用已确定的温度曲线焊接2块试验件；

5.将试验件依据ECSS-Q-ST-70-38C和ECSS-Q-ST-70-08C中相关内容进行振动试验和温度循环试验（两块试验件振动试验要求一致，温度循环试验分别为100次和200次）后进行金相剖切试验，观察焊点内部结构，如果焊点内部裂纹小于25%，证明焊点可靠性可以满足当前产品要求。

混装元器件焊点可靠性寿命试验

1.根据IPC9701中试验件要求设计印制板，采购菊花链元器件；

2.使用三种不同峰值温度焊接3块试验件，在外观检查合格的基础上进行金相剖切试验，观察焊点内部结构；

3.根据焊点内部结构，确定后续试验件的焊接温度曲线；

4.根据IPC9701用于计算可靠性寿命的试验件数量，使用已确定的温度曲线焊接40块试验件；

5.根据IPC9701中寿命试验内容，将试验件中的32块进行温度循环试验，试验过程中对菊花链元器件进行不间断的监控，同时，热循环次数大于1000次，目的是计算平均失效寿命（50％）和累积失效百分比。

通过对试验件平均失效寿命，无失效寿命，累积失效百分比三项数据的比较，分析混合焊接工艺的可靠性，从而得出采用混装工艺方法产品的可靠性寿命。

X15型号产品焊点可靠性试验

1.使用X15型号产品的印制板和其中两种BGA（1.27间距为无铅，0.8间距为有铅）

2.选用同类型封装元器件，模拟温度曲线，根据前期试验结果，确定焊接温度曲线；

3.使用已确定的温度曲线焊接一块试验件；

4.将试验件依据设计要求进行100次温度循环试验后进行金相剖切试验，观察焊点内部结构，如果焊点内部裂纹小于25%，证明焊点可靠性可以满足当前产品要求。

X3X型号产品环境试验

1.使用X3X型号产品的印制板和元器件

2.选用同类型封装元器件，模拟温度曲线，根据前期试验结果，确定焊接温度曲线；

3.使用已确定的温度曲线焊接产品；

4.对本批次产品进行相关的环境试验；

X7型号产品环境试验

1.使用X7型号产品的印制板和元器件

2.选用同类型封装元器件，模拟温度曲线，根据前期试验结果，确定焊接温度曲线；

3.使用已确定的温度曲线焊接本批次产品；

4.对本批次产品进行相关的环境试验；

X41型号产品环境

1.使用X41型号产品的印制板和元器件

2.选用同类型封装元器件，模拟温度曲线，根据前期试验结果，确定焊接温度曲线；

3.使用已确定的温度曲线焊接本批次产品；

4.对本批次产品进行相关的环境试验；

表4

2.3试验设备

设备名称

厂家

设备型号

设备名称

厂家

设备型号

丝网印刷机

DEK

248

X光机

XL6500型

6500

贴片机

mydata

MY100

汽相回流焊接炉

IBL

509

快速温度变化试验箱

银河

KWGD6025III

研磨机

Struers

\

桌面印制板检测系统

\

VS8

能谱分析仪

\

\

振动台

东菱

ES20

切割机

\

BUEHLERBeta

场发射扫描电子显微镜

\

S-4300&Jenesis-60

金相显微镜

\

USFENXZ-3

OPTIPHOT200

3.试验过程和结果

3.1汽相液沸点稳定性试验

汽相液沸点是决定焊接过程中峰值温度的关键因素。

汽相液沸点稳定性试验目的是检测设备所选用的汽相液沸点温度是否发生变化。

试验数据可直接由设备自带的传感器得出。

3.1.1试验过程

设备每次汽相层稳定后，在设备状态中记录汽相层的温度。

并将记录值填写到相应的记录表中。

3.1.2试验结果

通过对半年时间相关记录的分析，汽相液沸点温度温度，未发生变化。

3.2设备加热效率试验

设备加热效是调整工艺参数的关键因素。

设备加热效率试验目的是研究在负载不同，（即产品需要的热熔有差异的情况下）但是工艺参数相同（即程序设定相同）情况下，温度曲线的差异，根据温度曲线差异的规律调整针对不同负载生产时的工艺参数。

因此，首选，需要根据现有产品特点，总结常用的印制板组装件类型。

以印制板厚度，印制板面积，元器件材质，元器件布局密度4项因素，建立下列排列组合，其中，每种排列组合中的变量只有一种因素，具体组合内容见下表5：

印制板厚度

印制板面积

元器件材料

元器件布局密度

组合1

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

4.0mm

100mmX100mm

塑料

密

组合2

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

2.0mm

400mmX400mm

塑料

密

组合3

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

2.0mm

100mmX400mm

陶瓷

密

组合4

（图1）

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

2.0mm

100mmX100mm

塑料

疏

表5

图1（组合4）

3.2.1试验过程

根据表5中的排列组合要求制作试验件。

分别记录在相同工艺参数下的峰值温度。

每种组合中包含两种试验件，每种试验件至少需记录3次数值，并计算平均值。

3.2.2试验结果

试验结果见下表6

印制板厚度

印制板面积

元器件材料

元器件布局密度

峰值温度

组合1

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

226℃

4.0mm

100mmX100mm

塑料

密

215℃

组合2

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

225℃

2.0mm

400mmX400mm

塑料

密

226℃

组合2

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

225℃

2.0mm

100mmX100mm

陶瓷

密

218℃

组合3

2.0mm

100mmX100mm

塑料

密

224℃

2.0mm

100mmX100mm

塑料

疏

225℃

表6

通过上述试验数据，可得出以下结论：

（1）印制板尺寸对温度曲线影响较小；

（2）元器件布局密度对温度曲线影响较小；

（3）元器件材料对温度曲线影响较大；

（4）印制板板厚对温度曲线影响较大。

3.3有铅元器件焊接可靠性试验

有铅元器件焊接可靠性试验的目的是验汽相回流焊工艺的可靠性。

需要对汽相回流焊接的焊点进行可靠性试验，通过分析经历过环境试验后焊点的内部结构，判断焊点的可靠性是否满足产品需求。

因此，试验件应具备反映当前大多数产品的特点的要求。

根据前期试验结果，结合现有产品特点，印制板选用FR-4基材，8层板，板厚为2.0mm，采用HASL工艺，表面镀铅锡合金。

印制板上设计了部分印制线及过孔，在BGA器件中间位置设计过孔，用于测量中间热量变化。

印制板设计4个安装孔，便于进行振动试验。

图2

选用的元器件包含了当前型号产品中绝大部分封装形式，如BGA、QFP、CSP、SOP、SOP、PLCC、0201、0402、0603、0805、1206、1812。

其中BGA器件引脚间距1.27、1.0、0.8mm、QFP引脚间距0.5mm。

具体牌号见下表7

元器件规格牌号

名称

总数

品名代码

元器件名称

型号规格

每产品

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G-CT41-0603-2R1-50V-104-K-N

70

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G+-CT41-0603-2R1-50V-473-K-N

48

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G-CTE41-S-50-EH-1C-226-M

28

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G+-CC41-0603-CG-50V-561-J-N

53

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G-CTE41-S-40-EH-1C-106-M

6

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G-CTE41-S-50-EH-1H-475-M

2

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G-CTE41-S-70-EH-1C-107-M

11

模拟显示板AP1

1

2000

电容

G+-CT41-1812-2R1-50V-105-K-N

1

模拟显示板AP1

1

9410

DSP

TMS320C6416EGLZA6E3

1

模拟显示板AP1

1

9035

接收器

LVDS接收器DS90LV048ATM

2

模拟显示板AP1

1

9004

反相器

SNJ54LVC14AFK

1

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

SDRAMMT48LC2M32B2P-5IT2

1

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

总线驱动器SN74ALVTH16244GR

2

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

同步FIFOIDT72V295L15PFI

1

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

同步FIFOIDT72V2105L15PFI

1

模拟显示板AP1

1

9028

滤波器

ACH4518-153-T

2

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

FPGAAPA450BG456I

1

模拟显示板AP1

1

8008

隔离放大器

ADUM3440CRWZ

5

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

LVDS驱动器DS90LV047ATM

3

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

FLASHAM29LV800BT-70EI

1

模拟显示板AP1

1

4000

集成电路

VIDEOD/AADV7123KST50

1

模拟显示板AP1

1

9687

放大器

AD8061AR

1

模拟显示板AP1

1

9390

晶振

VCC1-B3F-50MHz

1

模拟显示板AP1

1

9965

双排插针

1.27mm间距

1

模拟显示板AP1

1

9966

单排插针

2.54mm间距

1

模拟显示板AP1

1

5115

电源

MSK5230-3.3H

2

模拟显示板AP1

1

5115

电源

PT5406A

1

模拟显示板AP1

1

5115

电源

MSK5230-2.5H

1

模拟显示板AP1

1

9342

电感

MLCI2B2012A82NMB

1

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-102-J-M（0.063W）

9

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-103-J-M（0.063W）

48

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-472-J-M（0.063W）

15

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-750-J-M（0.063W）

3

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-101-F-M（0.063W）

8

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-330-J-M（0.063W）

134

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK3216-M-B-204-J-M-B（0.25W）

1

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-203-J-M（0.063W）

4

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK2012-M-B-2552-F-M（0.1W）

1

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-681-J-M（0.063W）

1

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK2012-M-B-37R4-J-M（0.1W）

2

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK3216-M-B-750-J-M（0.25W）

3

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-512-J-M（0.063W）

8

模拟显示板AP1

1

8001

电阻

RMK1608-M-B-822-J-M（0.063W）

8

模拟显示板AP1

1

4200

二极管

肖特基二极管BAS16

1

模拟显示板AP1

1

1100

插头

母板插头RM672-204-312-9501

1

模拟显示板AP1

1

9965

双排插针

2.54mm间距

1

表7

3.3.1试验过程

（1）温度曲线确定

根据有铅焊接工艺窗口，选用4种峰值温度焊接试验件，具体要求见下表8

（注：

峰值温度选择1.27间距BGA器件底部焊点的温度）

焊膏

网板

峰值温度

试验件1

107E

0.18

215℃

试验件2

107E

0.18

220℃

试验件3

107E

0.18

225℃

试验件4

107E

0.18

230℃

表8

将上述试验件进行金相剖切，观察焊点内部结构，剖切部位见下图3红线部分

图3

金相分析结论和图片见下表9

金相分析数据

BGA截面

QFP截面

0603电阻截面

切片描述

结论

IMC厚度（μm）

图片

切片描述

结论

IMC厚度（μm）

图片

切片描述

结论

IMC厚度（μm）

图片

最大

均匀

最小

最大

均匀

最小

最大

均匀

最小

试验件1（215℃）

焊点内部晶粒均匀致密，空洞面积小于25%；

可接受

图4

焊点内部晶粒均匀致密，根部焊料填充满足要求，存在少量空洞；

可接受

图8

焊点内部晶粒均匀致密，根部焊料填充满足要求，存在少量空洞；

可接受

图12

试验件2（220℃）

图5

图9

图13

试验件3（225℃）

图6

图10

图14

试验件4（230℃）

图7

图11

图15

表9

图4图5

图6图7

图8图9

图10图11

图12图13

图14图15

图16QFP引脚根部锡量金相照片

金相分析结论：

从三种元器件的切片结果来看，不同的峰值温度的焊接工艺对焊

接情况没有明显影响。

SEM结果显示焊料与所有PCB焊盘，QFP,0603封装可焊端生成的金属间化合物（IMC）较为均匀连续，而与BGA封装可焊端生成的IMC层厚度不均匀；界面IMC层厚度随着焊接温度的升高和工艺的变化差别无明显规律。

根据上述金相分析结论，在界面IMC层厚度随着焊接温度的升高和工艺的变化差别无明显规律的前提下，选择热熔量最低（即峰值温度为215℃）的温度曲线进行后续试验板的焊接。

（2）试验件焊接

用于可靠性试验的试验件数量为2块，采用相同工艺方法进行焊接，具体焊接流程见下图17

图17

按照上述流程焊接两块试验板，全过程需对检验工序进行记录，检验记录见下表10

检验设备

检验结论

丝网印刷检验

VS8光学检测仪

焊膏厚度均匀一致，无坍塌，凹陷，拉尖情况，偏移量小于焊盘面积的15%

贴片检验

VS8光学检测仪

贴装元器件无贴错方向，极性贴反情况，偏移量小于焊盘面积的15%

焊接后检验

VS8光学检测仪

X-RAY检测仪

焊点光亮，无疏松表面,焊锡充分润湿连接部位,有引线元器件的引线外形可目测辨认;

BGA焊点内部气泡小于25%，且边缘部位没有气泡

表10

（3）环境试验

检验合格后，将两块试验件进行振动试验，振动试验后，对其中一块试验件进行100次温度循环，另一块进行200次温度循环，具体试验要求如下：

a.振动试验

振动试验条件依据ECSS-Q-ST-70-08（高可靠性电连接的手焊接）中13章中提供的振动量级进行振动试验，使用V864振动台进行，将安装有印制板组装件的工装直接连接到振动台面上进行试验（图17），振动量级见下表11；

正弦振动

频率范围

10Hz-2000Hz

振动幅值

（峰～峰值）10Hz～70Hz，1.5mm

70Hz-2000Hz，15g

扫描速度

1oct/min

试验持续时间

一次循环，从10Hz～2000Hz～10Hz

随机振动

频率范围

20Hz～2000Hz，15g-r.m.s

功率谱密度

0.1g2/Hz

试验时间

10min，每一轴向

表11

图18

b.温度循环试验：

温度循环试验依据ECSS-Q-ST-70-38C（高可靠性表面贴装焊接技术）中温度循环条件制定，使用KWGD6025III快速变温箱,温度变化要求见下表12

压力

标准大气压

试验温度

-55℃～100℃

停留时间

每次循环在-55℃和100℃时保持15分钟

持续时间

每一循环约1小时

循环次数

100次和200次

表12

（4）焊点可靠性分析

焊点可靠性参考ECSS-Q-ST-70-38C标准相关内容，即焊点在振动试验和温度循环试验后内部裂纹长度如果小于25%，证明焊点可靠性满足空间级产品要求。

本次焊点可靠性通过金相剖切手段进行分析。

具体分析过程如下：

a.确定金相剖切部位

100次温度循环试验200次温度循环试验

红色标记部位为金相剖切部位；将经历100次温度循环的试验件定位1#样件，经历200次温度循环的试验件定为2#样件。

b.焊