表面贴装焊点剪切力无合格判定标准的解析

表面贴装焊点剪切力无合格判定标准的解析

杨绪瑶

连云港杰瑞电子有限公司 江苏 连云港 222006

摘要：在电子产品竞争日趋激烈的今天，产品质量水平不仅是企业技术和管理水平的标准，更与企业的生存和发展息息相关。而随着元器件和PCB板的发展，SMT已成为电子组装的主流，提高产品质量已成为SMT生产中的最关键因素之一。如何判断SMT器件焊点的可靠性，SMT工厂常常想用剪切力大小来评估。但在整个电子制造行业中，包括国际电子工业联合会（IPC）在内的各个标准制定组织，并没有制定SMT焊接后器件的行业剪切力合格判断标准。本文将从几个方面分析为什么行业中没有统一的器件剪切力合格判定标准，以及如何来判断SMT焊点质量是否合格。

关键词：表面贴装工艺、焊点、可靠性、标准、剪切力、合金层

1. 引言

表面贴装工艺，又称表面贴装技术（SMT，Surface Mounted Technology的缩写），是一种无需在印制板上钻插装孔，而直接将表面组装元器件贴焊到印制线路板或其他基板表面的规定位置，用焊料使元器件与印制线路板之间构成机械和电气连接的电子组装技术。

表面贴装的最终目标是获得完美的焊点，即实现元器件与电路板之间机械和电气的完美连接。焊点的可靠性就成为焦点关注的问题。

如何来判断焊点的可靠性是每位SMT从业人员所必须掌握的技能。判断焊点的可靠性就需要参考相应的标准。行业内通常想通过测试器件焊接后的剪切力值来判断焊点的可靠行。然而，在整个电子组装行业中，有关于剪切力测试方法的标准，却没有判断剪切力值是否合格的标准。国际电子工业联合会(IPC)作为著名的全球电子行业协会，其制定了涉及电子行业的涉及、制造和测试各个领域的标准，但依然没有焊点剪切力测试是否合格的标准。

本文就从几个专业技术角度来分析为什么整个电子组装行业没有统一的判断焊点剪切力是否合格的标准。

2. 行业中没有统一的器件剪切力是否合格判定标准的原因分析

2.1 同一封装器件实际尺寸不同

以常见的贴片阻容感CHIP件为例，在整个电子行业中，器件供应商有几千上万家，因各家的生产工艺能力不同，导致其生产出的产品公差尺寸也有较大差异。同一封装尺寸的CHIP件，其实际尺寸各不相同。有的器件的公差在±0.03mm，有的器件是±0.05mm，还有的器件公差会接近或者超过±0.1mm。器件封装尺寸越大，公差尺寸也就越大,最大可达0.2mm以上。

2.2 不同公司对同一封装器件PCB板焊盘尺寸不同

不同的产品公司，对同一封装的器件焊盘设计的尺寸也存在差异。像在通信行业和智能穿戴行业，它对器件的要求间距比较近、比较密，焊盘尺寸可能就小一些，其他行业对器件间距要求没有那么高，尺寸可能就要稍微大一些。通信和智能穿戴的焊盘设计一般在0.3mm×0.3mm左右，或者甚至更小，达到0.3mm×0.25mm。而其他一些对器件间距要求不是很严的行业，封装的焊盘设计可能会达到0.35mm×0.35mm。PCB焊盘尺寸的不同，导致印刷钢网的开孔尺寸不相同，印刷锡膏的量也不相同，必然导致焊接强度的不同。

2.3 同一公司使用相同的尺寸的焊盘尺寸

相同封装的器件，实际器件尺寸会有差异，但在同一产品设计公司，一般会使用相同尺寸的封装焊盘。长宽尺寸各不相同，但是在PCB板子的封装焊盘尺寸却是相同的。在一些要求严格的产品设计公司，他们可能会根据器件的公差不同来设计不同的焊盘尺寸，但是大部分公司还是使用同一尺寸的封装焊盘。

2.4 不同产品使用不同厚度的钢网

在SMT实际生产过程中，不同的产品对于印刷钢网厚度的要求不同。在高密度的通信及智能穿戴行业中，因为存在封装较小的器件，如0.4mm Pitch BGA器件，钢网厚度一般会用0.1mm或0.08mm。在其他的一些行业中，PCB板上没有小封装器件，钢网厚度则可能稍微厚一点，有0.12mm、0.13mm、0.15mm等不同厚度，会导致不同类型板子上的0603封装以上的CHIP件的上锡量也不同。同一封装器件使用不同厚度的钢网，焊端的爬锡高度也不相同。最终反馈的剪切力测试强度也不同。

2.5 不同器件厂家镀层厚度差异

不同贴片器件厂家，因工艺水平及部分质量参数要求的不同，生产出的器件焊接端子的镀层也有差异，镀层的厚度和可焊性各不相同。镀层的差异导致焊接后焊点两方面的不同，第一个是润湿性不一样，焊端锡膏的爬升高度也就不同；第二就是镀层本身与器件引脚的粘附强度也有差异。因此经常会发生在做剪切力测试的时候把端子的镀层一起给推掉的现象。

2.6 PCB板焊盘的表面处理方式不同

PCB焊盘表面的处理方式有多种，常用的有ENIG、OSP、HASL、Im-Sn和Im-Ag等。不同的表面处理方式，焊接后的合金层也各不相同，同时也表现出不同的焊接强度，已经在许多方面得到了验证。特别是ENIG板和OSP板，通常情况下，OSP板的焊接强度要明显强于ENIG板，在表面镀金器件的焊接上尤为突出，因焊点中过多的Au物质，进而产生一种独特的焊接缺陷“金脆”现象，使器件的焊接剪切力强度大幅度降低。

2.7焊料合金不同、工艺参数差异

不同的SMT贴片厂家，因工艺需求不同，使用不同成分的焊料。最常用的的有军工行业使用的Sn63Pb37焊料和民用产品中常使用的SAC305焊料，以及部分SAC105焊料。不同的焊料，工艺参数不同，其焊接后焊点剪切强度也不相同。通常情况下，无铅锡料焊点的剪切强度要大于含铅锡料焊点的剪切强度。同一种焊料生产时工艺参数上的差异也会影响到焊点剪切强度的不同。

3. 如何判断焊点是否合格

既然行业没有统一的剪切力测试是否合格的标准，那应该如何判断焊点是否合格呢？可从以下两个方面来判断器件焊接后焊点是否合格。

3.1 焊点外观是否符合IPC-610H中的标准要求

IPC-A-610H《电子组件的可接受性》是电子行业广泛采用的电子组件验收标准，标准中收集了业内有关电子组件的外观质量可接受要求。标准分三个等级来定义不同的外观质量可接受性，都是经过大量可靠性验证试验得出的结论。该标准是检查人员、操作人员及其他与电子组件验收要求相关的人员必须掌握的技术标准。

3.2 切片确认IMC层是否合格

金属间化合物IMC系Intermetallic compound 的缩写。广义上说是指某些金属相互紧密接触的介面间，会产生一种原子迁移互动的行为，组成一层类似合金的”化合物”，并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之的Cu6Sn5及锡镍之间的Ni3Sn4最为常见，对焊锡性及焊点可靠度(即焊点强度)两者影响最大。

判断IMC层是否合格可从以下两个方面分析：

1. IMC层是否连续不间断：只有连续不间断的IMC层才能更大的承受焊点的剪切力，因此必须保障IMC层的连续性；

2. IMC层的厚度：IMC层到底多厚才是最合适的，行业内至今也没有明确的结论，但一般可接受的合金层厚度为锡铜IMC厚度为1um-3um，锡镍IMC 厚度为0.5um-2.5um之间。有些公司可能要求的比较宽松，但整个行业内都不会接受合金层厚度超过5um。

4. 结论

4.1通过前面的分析，因物料实际尺寸的不同、PCB焊盘尺寸设计尺寸的不同、工艺制程窗口不同（不同钢网的厚度、不同的焊料）、物料本身质量一致性不同等几个方面的因素，得出为什么行业内没有统一的剪切力测试是否合格的标准。

4.2判断焊点是否合格，一是看其外观是否符合IPC-610H的标准要求，二是切片确认焊点的IMC层是否合适、以及是否连续不间断即可。

参考文献：

1. 樊融融. 现代电子联装工艺可靠性[M].北京：电子工业出版社，2012

2. 顾霭云. 表面组装技术（SMT）基础与通用工艺.北京：电子工业出版社，2014

作者简介：

杨绪瑶（1982-），男，毕业于山东理工大学，高级工程师，多年从事PCBA的研发、生产制程等技术工作。