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技术信息

技术文章--印刷电路板可焊性测试结果


摘要

本文着重介绍印刷电路板可焊性测试结果。采用润湿平衡法进行可焊性测试。此测试法使润湿力作为时间函数测量并自动记录测量值。表面粗糙度是参数之一,可影响表面润湿。本文将使用不同粗糙程度的印刷电路板测试,然后比较纯铜(Cu)表面的印刷电路板样品。进行可焊性测试前,使用不同的砂纸摩擦样品。摩擦划痕方向分为垂直和水平。这些方向与可焊性测试仪上夹持样品有关。

简介

电子设备生产中,焊接是*重要的过程之一。焊接目的是产生坚固,导电,长久可靠的焊点。可用一些测试评估焊接工艺中材料适配性。用于焊接的材料必须具有相配的可焊性。

可焊性不仅是能把焊料涂在表面。它是一种复杂的属性,反应材料与工业焊接适配度。例如,这些属性包括良好润湿性,清洗过程中机械和化学应变性好,或印刷电路板(PCB)热的应变性好。可焊性不是一成不变的参数。随着时间推移,它会根据环境影响而改变,从而影响材料表面。由于表面腐蚀,可焊性会恶化。材料可接触空气存放,但会被氧化,或可在充满惰性气体的包装内存放。

前面已提到,润湿性与可焊性有关。润湿性可解释为表面能力,它决定熔融焊料如何润湿表面。为了达到良好润湿性,必须先**表面污物。表面粗糙度也会影响润湿性。使用不同粗糙度的印刷版进行可焊性测试。熔融焊料润湿表面过程中,连接元件和熔融焊料间的表面原子会出现生活动。此外,连接表面和熔融焊料间会产生界面耦合。表面润湿分为几个等级。表面润湿关键参数是熔融焊料液滴和润湿表面间接触(润湿)角。接触角用θ表示,如图1所示。

图1:接触角θ

表面粗糙度

实际表面与理想表面粗糙度不同。表面粗糙度是几何粗糙,间距较小。这些粗糙现象会在生产中出现的。表面粗糙度是影响焊接的因素之一。它主要影响熔融焊料润湿和涂料过程。表面粗糙度降低有效接触角θ+,它与理想光滑表面接触角θ有关。公式如下(1)[2]:


其中,r表示实际表面和理想表面粗糙度比例。从公式(1)看出,  接触角θ+小于θ。说明与理想光滑表面相比, 焊料在粗糙表面蔓延性更好。另外粗
糙表面会使润湿表面上的焊料粘合性更强[2],[3]。

表面粗糙度由两个基本参数定义,**个参数是算术平均偏差Ra, 指在一个取样长度L内,纵坐标yi优良值的平均值,见公式(2)。第2个参数是二次方平均值Rq,有时表示为RRMS(均方根)。它表示所有纵坐标粗糙度的二次方均值,见公式(3)。横坐标减去偏差值。横坐标把实际曲线分为两部分其中两部分总面积之和等于长度L覆盖的整个区域[2],[3]。

表面形貌可由显微镜建立。SPM(扫描探针显微镜)能扫描显微镜,增强表面三维扫描。SPM有两种基本类型,原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)[3]。

可焊性测试

可焊性测试可能会涉及如下测试:浸润观察测试,锡球测试,润湿平衡测试。为了判断表面粗糙度对可焊性和可焊性测试的影响,我们使用润湿平衡测试。

润湿平衡测试

这种方法是把测试样品浸入到熔融焊料槽中并观察作用在样品上的垂直力。润湿力和提升力作为时间函数测量。测试结果及润湿力曲线如图2所示。


图2:焊料润湿角面和润湿曲线间的关系
 
测试样品

为了判定可焊性,使用大小25mm×15mm,厚1.5mm的PCB样品进行测试。测试样品采用纯铜抛光的印刷电路板。为了判定表面粗糙度影响,样品
表面粗糙度也不同。采用砂纸摩擦单个样品。根据粗糙度不同,砂纸分为五个等级(120 - 400)。**组样品中,砂纸划痕为水平方向,**组样品中,砂纸划痕为垂直方向。为了判定表面粗糙度影响,在测试中不再增加额外划痕。标记划痕方向和表面粗糙程度的样品如表1所示。


   图3:测试样品。



 表1:样品表面粗糙度

测量结果

可焊性测量值如下表所示。粗糙度测量值见表2。不带粗糙划痕的样品标记为Cu。测量值的比较和评估见“总结”。


通过显微镜Olympus LEXT 3000得到的测试样品
表面图片可用于直观演示。选出的表面如图4图5所示。测试样品的润湿力如图6所示。*终值为测量值的平均值。

  
图4:Cu_120表面3D曲线                         图5 :Cu_400表面3D曲线


     图6:样品润湿力

F2 / t2 / 3是**个参数,用来更好地比较和评估测量值。当润湿力达到*大润湿力的2/3时,F2就是*大润湿力,t2 / 3是时间。 F2 / t2/3 评估如
图7所示。


图7:根据铜表面参数F2 / t2 / 3润湿力评估

结论

从测量值可看出,与垂直方向划痕相比,水平方向划痕降低了润湿力。粗糙程度越大,水平和垂直方向的样品测量值间差异越大。图6表示测试样品润湿力曲线。图7通过参数F2/t2/3对比了所有尺寸和划痕方向的样品。与其它样品润湿力相比,纯铜样品润湿力较小,可能由于氧化物薄膜成。氧化物薄膜被样品砂纸取代。我们希望润湿力达到*大值,因此F2/t2/3参数值也要*大,因为润湿力与时间有关。图7所示,测试样品粗糙度越大,F2/t2/3参数值也越大。

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