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確定助焊劑殘餘物的探針可測性

上網時間: 2001年07月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:助焊劑殘餘物  探針可測性  線路板  焊接  電性阻抗 

線路板完成焊接後焊點周圍會有很多助焊劑殘餘物,這些殘餘物不僅影響美觀,更為嚴重的是在探針對焊點進行測試時它會阻礙探針與焊點的接觸。本文介紹一種用精確測量探針與焊盤之間電性阻抗的方法,確定助焊劑殘餘物的探針可測性。

Richard R. Lathrop Jr.

SMT技術服務經理

賀利氏公司

rick@4hcd.com

雖然目前還沒有一個公認的探針可測性標準測試方法,但焊膏製造商們近年來在這方面開展了多項研究。已公佈的研究報告表明,這些研究主要集中在穿透焊劑殘餘物所需力的大小,以及探針藉由大量測試後外觀上的變化等方面。

滿足探針可測性的理想焊劑殘餘物,其基本特性是不能妨礙探針與測試點進行電性接觸,不管是在探針剛開始使用還是藉由成百上千次測試以後。要實現這種特性,可以使用不同配方的焊料,如焊劑殘餘物少、回流焊過程中能使殘餘物流到探針觸點以外、焊劑殘餘物容易破碎或者殘餘物較為柔軟而使得探針容易穿透之類的各種焊料。

探針探測時,這些焊劑殘餘物不應對探針表面造成污染,因為污染會在上面積聚,另外殘餘物還應適用於目前使用的低彈力探針。我們根據一種檢測系統的原理設計出一種新檢測方法,這種系統能夠長時間對低彈力探針(最壞情形下)每次探測的接觸阻抗進行量化處理。

試驗設計

◆探針陣列式樣

首先設計一塊簡單的試驗板,目的是做出一個簡陋的表面,上面有凸起焊球和很小但可以作為探測點的焊盤(直徑30mil),這些點數量龐大(2,916點/塊),可以快速進行測試。板子均採用4.5英吋正方形鋁板,在上面按銀鈀6:1的比例鍍上厚膜導體。上面還設計了兩個圓形基準點,以便使用全自動印刷機時能進行視覺對位調整,試驗中採用厚度6mil、開口直徑28mil的模板。

◆數據採集系統

為測試探針阻抗,測試系統使用一塊插在PC擴展槽中的數據採集板,由測試系統提供5V電壓並測量和探針串聯在一起的電阻上的壓降,試驗板上的導體則作為地線形成回路。系統設置為以每秒5次的抽樣頻率對電壓進行測量和記錄,並將所有讀數輸出到一個ASCII文本文件中,然後再送入電子表格軟體進行數據簡化與分析。

◆機械設計

為能更好地對試驗板進行探測,還製作了一個簡單的探針夾具,固定在一台可設置的點膠機點膠頭上,效果上就像一台xyz軸完全可程式的飛針探測裝置。z軸設為-0.167英吋,這是建議的探針工作行程,可以施加99克探測力。

先對三種類型探針進行比較,分別為皇冠型、鏟型和尖頭型,針的直徑為0.031英吋,測試範圍0.050英吋。針柱和針頭為鋼材料,外層鍍鎳後再鍍一層金拋光;針筒為銅鈹合金,同樣藉由鎳金拋光。其額定平均阻抗為25MΩ。

◆試驗過程

在試驗設計過程中,最初計畫對三種探針同時進行測試,夾具配置成最多可黏著四根探針。試驗板上測試點以四個為一組,組成27×27陣列,數據採集板可同時測量記錄8個通道的數據。

試驗計畫用這種多探針測試裝置試幾種焊膏,然後根據測試結果,選出最適合探測點表面的探針類型,同時比較焊膏的探針可測性。因為試驗的目的是確定探針長時間使用後阻抗的大小,所以使用一個探針進行試驗時在一塊板上的探測次數是多探針時的4倍。

試驗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號錫粉,它們包含了當今市面上聲稱符合探針測試性要求的所有產品。根據熱重分析法,測得它們回焊後的焊劑殘餘物都在5%到6%的範圍內,這六種焊膏分別編為A到F。

焊膏印刷之後,將試驗板放在空氣環境下以預先設計的溫度曲線進行回流焊,相對來說時間較短溫度也比較低(圖1),這是為了使焊劑殘餘物的數量及附著性接近最差條件下的情形。

多針測試

這個試驗是對回流焊後的焊劑殘餘物探針可測性進行量化的第一次嘗試,試驗中所有三種類型的探針都用到了。數據採集頻率為每秒5次,探針接觸到錫球後有2秒鐘停留時間。每種焊膏測試六塊板,每種探針進行4,374次探測。

夾具上探針之間的間隙不如試驗板上探測點柵格間距精確,因此會在探針頭與焊球頂部之間產生定位誤差,所以每塊板試驗開始之前,都要調整所有3個探針的位置,使它們與相應焊盤位置對準。

結果表明,鏟型探針在沒有對準時表現最差,如果不是對著正中它往往會滑出焊盤而探到焊點旁邊一般有很厚焊劑殘餘物的地方。尖頭型探針也有類似缺點,但因為它更尖,所以稍好一些。

對每一種焊膏,試驗前都黏著一套全新的探針,並在試驗後對探針拍照以記錄針頭污染及灰塵積聚情況。圖2是試驗後拍下的探針照片。

單針測試

單針測試使用皇冠型針,每次都裝一個新的,數據採樣率仍然是每秒5次,但停留時間縮短為1秒以節省試驗時間。試驗中探針要探測四塊板上的所有點,總共測11,664次,以觀察六種焊膏對探針長期可測性的影響。

立即測試與延遲測試對比

到現在為止,我們所有的試驗都是在焊膏剛完成回流焊時進行的,在焊膏回焊的當天完成探針測試,以模擬在線測試。我們用一種新的焊膏對最終測試時的探針可測性也作了研究,這種焊膏編號為H,和前六種焊膏的物理特性相同,也是免清洗型。用它作了八塊試驗板,其中四塊板立即進行測試以模擬在線測試,其餘四塊則在72小時之後測試以模擬最終測試。

數據顯示,用焊膏H的探針其可測性有少量降低。具體地說,立即測試時有26次探測的阻抗超過10Ω,而在72小時之後的測試?這種現象出現了34次。而延遲測試失敗時測得的數值也要高,說明焊劑殘餘物隨時間推移會有所變硬。

本文結論

多探針測試有助於我們理解探針與焊盤對準的重要性,藉由採用低彈力探針和類似焊點的探測焊盤結構對每次探測進行電性量化,可以幫助做出具有更好測試性的設計方案。這項測試只是對每次探測的探針接觸阻抗進行實際量測的一種初步試驗,所以還難以確定探針在何時需要清潔或更換。

對探測阻抗進行多次量測有助於將其它干擾區分開(圖3)。判斷合格與失敗的標準與具體應用密切相關,例如因探針被污染而使回路總電阻增加20Ω對某個測試節點可能並不重要,但對另一個節點,增加20Ω則可能導致誤判而需要重測或返工。

試驗過程中我們看到,除非探針臟污特別嚴重,否則單純依靠視覺檢查探針頭的焊劑殘渣是不能準確判斷探針可測性的。而使用試驗中的方法,只要對探測阻抗讀數超過10Ω的進行簡單比較,就可以將焊接材料的探針可測性表現情況排列出來。

參考文獻:

  1. Dajie Guo, et al. (1999). A new test method to predict ICT performance of solder pastes. Proceedings of Nepcon West 1999. Anaheim, CA.

  2. Manchao Xiao, et al. (1997). Probe testability of no-clean solder pastes. Proceedings of Nepcon West 1997. Anaheim, CA.





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