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确定助焊剂残馀物的探针可测性

顺星电子科技集团 2022-08-21 12:36:52

线路板完成焊接后焊点周围会有很多助焊剂残余物,这些残余物不仅影响美观,更为严重的是在探针对焊点进行测试时它会阻碍探针与焊点的接触。本文介绍一种用精确测量探针与焊盘之间电性阻抗的方法,确定助焊剂残余物的探针可测性。


虽然目前还没有一个公认的探针可测性标准测试方法,但焊膏制造商们近年来在这方面开展了多项研究。已公布的研究报告表明,这些研究主要集中在穿透焊剂残余物所需力的大小,以及探针经过大量测试后外观上的变化等方面。



满足探针可测性的理想焊剂残余物,其基本特性是不能妨碍探针与测试点进行电性接触,不管是在探针刚开始使用还是经过成百上千次测试以后。要实现这种特性,可以使用不同配方的焊料,如焊剂残余物少、回流焊过程中能使残余物流到探针触点以外、焊剂残余物容易破碎或者残余物较为柔软而使得探针容易穿透之类的各种焊料。



探针探测时,这些焊剂残余物不应对探针表面造成污染,因为污染会在上面积聚,另外残余物还应适用于目前使用的低弹力探针。我们根据一种检测系统的原理设计出一种新检测方法,这种系统能够长时间对低弹力探针(最坏情形下)每次探测的接触阻抗进行量化处理。


试验设计



◆探针阵列式样



首先设计一块简单的试验板,目的是做出一个简陋的表面,上面有凸起焊球和很小但可以作为探测点的焊盘(直径30mil),这些点数量庞大(2,916点/块),可以快速进行测试。板子均采用4.5英寸正方形铝板,在上面按银钯6:1的比例镀上厚膜导体。上面还设计了两个圆形基准点,以便使用全自动印刷机时能进行视觉对位调整,试验中采用厚度6mil、开口直径28mil的模板。



◆数据采集系统



为测试探针阻抗,测试系统使用一块插在PC扩展槽中的数据采集板,由测试系统提供5V电压并测量和探针串联在一起的电阻上的压降,试验板上的导体则作为地线形成回路。系统设置为以每秒5次的抽样频率对电压进行测量和记录,并将所有读数输出到一个ASCII文本文件中,然后再送入电子表格软件进行数据简化与分析。



◆机械设计



为能更好地对试验板进行探测,还制作了一个简单的探针夹具,固定在一台可设置的点胶机点胶头上,效果上就像一台xyz轴完全可编程的飞针探测装置。z轴设为-0.167英寸,这是建议的探针工作行程,可以施加99克探测力。



先对三种类型探针进行比较,分别为皇冠型、铲型和尖头型,针的直径为0.031英寸,测试范围0.050英寸。针柱和针头为钢材料,外层镀镍后再镀一层金抛光;针筒为铜铍合金,同样经过镍金抛光。其额定平均阻抗为25MΩ。


◆试验过程


在试验设计过程中,最初计划对三种探针同时进行测试,夹具配置成最多可安装四根探针。试验板上测试点以四个为一组,组成27×27阵列,数据采集板可同时测量记录8个通道的数据。



试验计划用这种多探针测试装置试几种焊膏,然后根据测试结果,选出最适合探测点表面的探针类型,同时比较焊膏的探针可测性。因为试验的目的是确定探针长时间使用后阻抗的大小,所以使用一个探针进行试验时在一块板上的探测次数是多探针时的4倍。



试验使用的六种焊膏都是免清洗型、63/37锡铅合金、90%固体含量和3号锡粉,它们包含了当今市面上声称符合探针测试性要求的所有产品。根据热重分析法,测得它们回焊后的焊剂残余物都在5%到6%的范围内,这六种焊膏分别编为A到F。



焊膏印刷之后,将试验板放在空气环境下以预先设计的温度曲线进行回流焊,相对来说时间较短温度也比较低(图1),这是为了使焊剂残余物的数量及附着性接近最差条件下的情形。



多针测试



这个试验是对回流焊后的焊剂残余物探针可测性进行量化的第一次尝试,试验中所有三种类型的探针都用到了。数据采集频率为每秒5次,探针接触到锡球后有2秒钟停留时间。每种焊膏测试六块板,每种探针进行4,374次探测。



夹具上探针之间的间隙不如试验板上探测点栅格间距精确,因此会在探针头与焊球顶部之间产生定位误差,所以每块板试验开始之前,都要调整所有3个探针的位置,使它们与相应焊盘位置对准。

结果表明,铲型探针在没有对准时表现最差,如果不是对着正中它往往会滑出焊盘而探到焊点旁边一般有很厚焊剂残余物的地方。尖头型探针也有类似缺点,但因为它更尖,所以稍好一些。



对每一种焊膏,试验前都安装一套全新的探针,并在试验后对探针拍照以记录针头污染及灰尘积聚情况。图2是试验后拍下的探针照片。



单针测试



单针测试使用皇冠型针,每次都装一个新的,数据采样率仍然是每秒5次,但停留时间缩短为1秒以节省试验时间。试验中探针要探测四块板上的所有点,总共测11,664次,以观察六种焊膏对探针长期可测性的影响。



立即测试与延迟测试对比



到现在为止,我们所有的试验都是在焊膏刚完成回流焊时进行的,在焊膏回焊的当天完成探针测试,以模拟在线测试。我们用一种新的焊膏对最终测试时的探针可测性也作了研究,这种焊膏编号为H,和前六种焊膏的物理特性相同,也是免清洗型。用它作了八块试验板,其中四块板立即进行测试以模拟在线测试,其余四块则在72小时之后测试以模拟最终测试。



数据显示,用焊膏H的探针其可测性有少量降低。具体地说,立即测试时有26次探测的阻抗超过10Ω,而在72小时之后的测试里这种现象出现了34次。而延时测试失败时测得的数值也要高,说明焊剂残余物随时间推移会有所变硬。


本文结论



多探针测试有助于我们理解探针与焊盘对准的重要性,通过采用低弹力探针和类似焊点的探测焊盘结构对每次探测进行电性量化,可以帮助做出具有更好测试性的设计方案。这项测试只是对每次探测的探针接触阻抗进行实际量测的一种初步试验,所以还难以确定探针在何时需要清洁或更换。



对探测阻抗进行多次量测有助于将其它干扰区分开(图3)。判断合格与失败的标准与具体应用密切相关,例如因探针被污染而使回路总电阻增加20Ω对某个测试节点可能并不重要,但对另一个节点,增加20Ω则可能导致误判而需要重测或返工。



试验过程中我们看到,除非探针脏污特别严重,否则单纯依靠视觉检查探针头的焊剂残渣是不能准确判断探针可测性的。而使用试验中的方法,只要对探测阻抗读数超过10Ω的进行简单比较,就可以将焊接材料的探针可测性表现情况排列出来。

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