CN103293099A - 焊点可靠性测试方法及其插针装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PCB板的可靠性测试方法，尤其涉及一种常温下批量插拔针的可靠性测试方法及其装置。本发明主要提供一组插针装置，包括针、针板、网板和底板及其套件。制成待测PCB实验样板时，多根针通过针板的导引在套件板的压力下同时***PCB板焊盘上的焊球，脱模后得到焊盘已插针的待测PCB实验样板。本发明实现了焊盘批量插针、迅速、准确地插针，无需借助专用昂贵的插针设备。亦避免了现有技术的逐个焊盘插针时局部加热带来热冲击的缺陷。

Description

焊点可靠性测试方法及其插针装置

技术领域

本发明涉及一种PCB板的可靠性测试方法，尤其涉及一种常温下批量插拔针的可靠性测试方法及其装置。

背景技术

近年来在电子制造领域，印刷电路板(PCB)的焊盘在机械应力下与PCB 基板的分离，即所谓的“坑裂”或“pad cratering”作为一种越来越常见的失效模式而引起了广泛的关注。导致这一现象出现的原因之一就是无铅工艺的广泛应用，无铅焊接回流温度高，对PCB 板子的热冲击大。而且PCB 本身材料也为了无铅工艺进行了改进，从采用由双氰胺(或简称Dicy)作为固化剂改为采用基于苯环的酚醛树脂(phenolnovolac或简称phenolic)作为固化剂。新的材料导致了PCB 的基体材料变得更脆，从而降低了其本身的抗坑裂强度。此外，包括锡银铜(SnAgCu)在内的无铅焊料，其强度普遍高于有铅焊料，在机械冲击下会将更多的能量载荷传递至焊球下的焊盘与PCB 部分，导致了坑裂失效的大量出现。

焊盘的拉脱及坑裂现象已经成为电子器件板级测试中最主要的失效模式，引起了广泛的关注，并PCB坑裂失效的测试标准(IPC-9708)也已经于2010年底颁布，该标准提出了三种检测焊盘坑裂强度的实验方法。分别是高温拔针测试(Hot Pin Pull Test)，焊球拉拔测试(Ball Pull Test)以及焊球剪切测试(Ball ShearTest)。其中又以高温拔针测试，因其可灵活应用于不同规格的焊盘、进行不同角度的拉力试验，在行业中的应用最广。

高温拔针测试。首先，在待测PCB板上，需要将焊球经过回流焊制成固定在焊盘上。然后，使用专门的插针设备，针对PCB板上一个固定在焊盘上的焊球插针，插针时加热针和焊球，使针能与焊球进行刚性焊接。对每个焊盘插针都要经历前述流程。最后，针和焊球冷却固定为一体，进行拔针测试，得到焊盘坑裂强度，综合所有焊盘的测试数据评估PCB板的可靠性。

对于高温拔针测试，主要包括三个步骤：一、插针（测试的前期准备）；二、拔针测力；三、整理测试数据，评估样品可靠性。行业目前用于拔针、测试拔针强度的设备已十分普遍，拔针的注意事项、操作流程也已形成通识，而最后一步的数据处理、评估过程凭借已有的理论模型便可完成。因此对于高温拔针测试的进行和精确性，关键在于作为测试前期准备的插针过程。

现有的高温拔针测试，从其实验流程看有明显的缺陷：1. 针要逐个焊至待测的焊盘上，重复作业导致作业成本高;并且，插一根针时，插针设备将焊盘或锡膏上的针局部加热，使其***到熔融焊料中，***后需要一个冷却过程使针和焊料产生固态连接，花费时间长（每根针焊接至待测焊点需花费5~6分钟）。

2. 热针拉力测试中，由于采用无铅焊接工艺，回流温度高，给PCB板带来严重的热冲击，并且由于针逐根焊接作业，这种热冲击在整个PCB板上分布是不均匀、不可测的，严重影响焊点坑裂测试结果的准确性。

3. 需要采用专门的热针拉力测试设备，设备价格昂贵。

4. 加热插针过程没有定标导引工具，精确度和可靠性全在于机械臂的预设精度，容易带来插针位置的不稳定性。

现有的常温拔球测试(Ball Pull Test)，也有局限性：1. 拔球时球与焊盘间的相互作用并不只有拉伸，还会有横向剪切力的干扰，不利于推测焊盘的可靠性。

2. 由于拔球方向只能垂直于焊盘，实验仅能测出拔球时垂直的力，无法测出其他各个方向的力。

因此，迫切需要发明一种测试方法，在焊盘可靠性测试中，最好可以实现焊盘批量插针、迅速插针，并且不需要借助专用、昂贵的插针设备。新方法也尽量要避免逐个焊盘插针时，局部加热带来的热冲击。

 

发明内容

要解决的技术问题：需要发明一种测试方法，在焊盘可靠性测试前期准备中，最好可以实现焊盘批量插针、迅速插针，并且不需要借助专用、昂贵的插针设备。新方法也尽量要避免逐个焊盘插针时，局部加热带来的热冲击。插针完毕后，针应该垂直位于焊球的正中央，否则拔针时会有额外的剪切力产生，影响最终测试结果。

因此，要设计一种插针装置，使用该插针装置，可以一次性将与待测PCB板上的焊盘相同数量的针插至待测PCB板上，取代目前高温拔针测试中逐根进行加热插针的方法。

技术方案：设计一种用于批量焊点的可靠性测试拔针的待测样品结构，包括针，焊球，焊点，金属间化合物，焊料，待测PCB板。其特征在于，焊点上涂覆有焊料，焊球通过焊料居中固定于焊点上，针***待测焊点上的焊球，针不触及待测焊盘。通过焊接，针底部固定于焊球内部，针的底部与焊球内部接触面生成金属间化合物。

优选的，所述的一种用于待测焊点可靠性测试拔针的待测样品结构，其特征在于，针的直径小于焊球的直径。针为有金涂层的黄铜针，金涂层用于增进插针、固定针时使针与焊球间有良好的浸润性。针垂直于待测PCB板。

为了制备上述结构，提供一组插针装置，包括针板、网板、底板(如图1)。

针板采用易于加工出螺丝孔和针孔的板制成。针板四角上各有一个螺丝孔，与网板、底板的四个孔位置、规格对应。针板四个边缘接近中间的部位有4个插槽，与网板边缘上的四个插槽错位对应。针板的主体中间部分上有若干小孔(如图1)，小孔数量、位置对应待测PCB板上的焊盘数量、位置。小孔直径与拔针测试用针的直径相仿，为了便于在小孔插针并将针固定，小孔直径略大于针的直径。针板用于导引插针、固定针(如图2)。

网板四角上各有一个螺丝孔，与针板、底板的四个孔位置、规格对应。网板四个边缘接近中间的部位有4个插槽，与针板边缘上的四个插槽错位对应。网板的主体中间部分是一个方形中空区域(如图1)，方形区域规格与待测PCB板的焊盘区域规格相仿，略大于后者，方形区域的厚度（即网板厚度）略大于焊球的直径。在PCB板支撑在底板的基础上，网板用于给焊球提供位置空间。进一步，网板四个外角处各有一个角孔，角孔与待测PCB板上4个边角处的待测焊点、针板针孔区域4个边角处的针孔位置对应。角孔直径大于焊点直径，角孔用于嵌套待测PCB板边角处焊点而定位网板与待测PCB板的叠放位置，使网板中空区域刚好包含待测PCB板的焊点区域，使针孔对准焊点(如图2)。

优选的，针板螺丝孔位置与网板的螺丝孔位置垂直对应。针板每个针孔位置与待测PCB板每个焊球位置垂直对应。网板四个角孔位置与针板针孔区域四角处针孔位置，与待测PCB板四角处焊球位置均垂直对应。

底板主要特征是，主体中间部分是一块方形中空区域(如图1)，规格小于待测PCB板。底板用于支撑、固定住PCB板。待测PCB置于底板之上，焊接针与焊球的回流焊过程中，底板中空结构用于防止底板吸走大量的热而导致焊接温度达不到焊球的熔化要求(如图2)。

插针装置附件(如图4)：两块普通的夹片，四角设置螺丝孔，与针板、网板和底板螺丝孔的位置对应。一块垫片，用于放置在针上。两块夹片用于将垫片、插上针后的针板、网板及支撑有待测PCB板平行对应好位置后压紧。（由于受到垫片的挤压，针网上固定的所有的针都将垂直、按针孔的导引***网板中的焊球内部，整个过程操作简单，插针过程可以完全得到控制）[如图4、图5(9)]

提供一种在待测PCB板上插针的方法(如图2、图5、图6)，包括以下步骤：

1. 通过回流焊将焊球焊接到PCB板的焊盘上

2. 在PCB焊盘上的焊球表面涂覆锡膏以改进其浸润性

3. 实验采用有金涂层的黄铜针，金涂层使得焊球与针之间有良好的浸润性，无须对黄铜针预湿润下，将针插嵌入针板。

4. 将待测PCB板放在底板中空区域上方。对应好网板四个角孔和待测PCB板边角上4个焊点的位置，将网板置于待测PCB板上方，使网板中空区域包含待测PCB板的焊球区域，对应好针板4个边角处的针孔、针和网板的4个角孔的位置，将固定有针的针板置于网板上。将垫片放置于针板的针固定区域上。

5. 上下两面各使用一片3mm的夹片用以夹住垫片、带针的针板、网板、固定有焊球的PCB板和底板，用四个螺丝钉穿过上夹片、针板、网板、底板、下夹片。

6. 拧紧夹片上的螺丝下夹片，平行压紧整个插针装置（上夹片、金属垫片、针、针板、网板、待测PCB板、底板），让所有针按针板孔的导引，受压力垂直、平行***焊球内部。

7. 将步骤6中的装置放置进回流焊设备，完成第二次回流焊，完成装置内部针与焊球的焊接。

8. 脱模，本发明中脱模过程对插针至关重要，尤其是在一些大型样品的制备。由于针与焊球间的连结强度比焊盘和PCB板间的大，如果没有控制好脱模过程，焊盘会遭到拔针测试前的受损。因此，良好的脱模过程应减少脱模对针脚产生的剪切力与弯矩并保持针板和网板在整个脱模过程平行

本发明的脱模过程(如图7)：第二次回流焊之后，将夹片、垫片、底板按顺序取开，得到针板、针、网板和待测PCB板紧压一体的结构(如图7-150)。使用两块金属片，金属片四边上安装有4颗螺丝钉，螺丝钉与金属片边缘的位置对应和针板、网板与板上插槽的位置对应相同。将一片带有螺钉的金属片从针板一侧将螺钉垂直置于针板插槽，将另一片带有螺丝钉的金属片从网板/待测PCB板一侧垂直置于网板插槽，将整体装置固定而不挤压，移至夹具中，在夹具的推力作用下，将针板和针(针此时固定于待测PCB板上)平行分离。从而完成脱模，得到批量焊接好针的待测PCB板，用于下一步拔针测试(如图8)。

有益效果：对比现有的高温拔针测试的插针作业，本发明从技术方案阐述的装置结构和插针流程可直观看出明显优点：1. 设计了一种插针装置，使用该插针装置，可以一次性将与待测PCB板上的焊盘相同数量的针插至待测PCB板上，取代目前高温拔针测试中逐个进行加热插针的方法。

2. 待测板经过两次回流焊就可以固定好整批的测试用的针，避免了高温拔针测试中多次、严重的热冲击，从而避免待测焊盘的先期损坏，从根本上进一步保证了测试结果的准确性。

3. 插针装置的组件为简单加工而得的金属片和螺丝钉，材料获取容易，廉价，装置制作成本低廉。

4. 插针过程中，针在针板的导引下可平行、垂直***焊球，***深度完全可控，有力支撑了后期坑裂强度测试结果的准确度。

附图说明

图1-针板、网板、底板俯视图

图2-插针装置侧视图

图3-针板、网板、底板构装三维示意图

图4-插针装置三维结构图

图5-冷插针方法图例及流程

图6-冷插针方法流程图（对应图5）

图7-装置脱模三维示意图

图8-常见的拔针测试示意图

图9-速度-拉力关系图

图10-回流焊次数-拉力关系图

图11-热老化时间-拉力关系图

标注：10-针板；20-针；30-焊球； 40-螺丝钉；50-网板；60-待测PCB板；70-底板；80-插槽；90-网板角孔；100-螺丝孔；110-夹片；120-垫片；130-焊盘；140-四缘中部有螺孔并装有螺丝钉的金属片；150-针板、网板、底板紧压结构

301-夹具；302-针；303-焊球；304-焊盘；305-PCB板

具体实施例

对某PCB板采用冷针插拔方法及装置进行焊盘可靠性测试的前期准备(如图5、图6、图7)

物料：针板10、网板50、底板70、NSMD PCB板60、金属垫片120、四角有螺孔的金属片110 两片、四缘中部有螺孔并装有螺丝钉的金属片140 两片，锡膏、黄铜针20

物料规格

设备：回流焊设备、DAGE 4000HS高速推拉力测试机、常用夹具

1.将焊料涂覆到PCB板60的焊盘上，然后用镊子将焊球30置于表面涂覆了焊料的焊盘130上，由于焊料熔化时属于流体，回流焊时焊球30将自动凭借流体的表面张力居中。

2. 通过回流焊将焊球30焊接到PCB板60的焊盘上.

3. 在PCB焊盘130上的焊球表面涂覆锡膏以改进其浸润性。

4. 将针20***针板10。

5. 将待测PCB板60放在底板70中空区域上方。对应好网板50四个角孔90和待测PCB板60边角上四个焊点的位置，将网板50置于待测PCB板60上方，使网板50中空区域包含待测PCB板60的焊球区域，对应好针板10四个边角处的针孔、针和网板50的四个角孔90的位置，将固定有针20的针板10置于网板50上。将金属垫片120放置于针板的针固定区域上。

6. 上下两面各使用一片3mm的金属片110用以夹住金属垫片120、针板10、网板50、固定有焊球30的PCB板60、底板70，用四个螺丝钉穿过上侧金属片110、针板10、网板50、底板70和下侧金属片110。

7. 拧紧金属片110上的螺丝，平行压紧整个插针装置（上侧金属片110、金属垫片120、针20、针板10、网板50、待测PCB板60、底板70、下侧金属片110），让所有针按针板孔的导引，受压力垂直、平行***焊球内部。

8. 将步骤6中的装置放置进回流焊设备，完成第二次回流焊，完成装置内部针20与焊球30的焊接。

9. 脱模：第二次回流焊之后，将金属夹片110、垫片120、底板70按顺序取开，得到针板10、针20、网板50和待测PCB板60紧压一体的结构。使用两块金属片140，金属片四边中间分别安装了4颗螺丝，螺丝与金属片边缘的位置对应和针板10、网板50与板上插槽80的位置对应相同。将一片带有螺钉的金属片140从针板10一侧将螺钉垂直置于针板插槽80，将另一片带有螺丝钉的金属片140从网板50/待测PCB板60一侧垂直置于网板插槽80，将整体装置固定而不挤压，移至夹具中，使用夹具作用于金属片140的推力，将针板10和针20平行分离。从而完成脱模，得到批量焊接好针的待测PCB板，用于下一步拔针测试。

10. 利用拔针测试设备，对上一步得到的针板连结的装置进行拔针测试(如图8)，记录每个焊盘的拔针力度，整理数据，评估PCB板的可靠性。

 

附：对发明的测试质量进行评估——冷针插拔焊盘可靠性测试及拔球测试焊点可靠性测试结果对比实验

在每个测试实验中，使用相同的PCB板和焊接和金，共检验50个样本焊点，使用DAGE 4000HS高速推拉力测试机，对每个焊点进行测试后，记录拉力和失效模式。在冷针插拔/拔球测试中，对测试条件（如测试速度）或测试样品的热冲击与回流焊条件均进行调整，以得到对测试方法的全面的评估。由于使用了无阻焊膜覆盖焊盘边缘的PCB板，样品失效模式均为焊盘坑裂。

测试速度对测试结果的影响对比

首先使用三种测试速度：5 mm/s,50mm/s,100mm/s，即便使用5mm/s的测试速度，失效模式仍然为焊盘坑裂而非焊料的断裂。

实验结果对比：冷针插拔和拔球测试中，均可以观察到测试速度越高，焊盘坑裂强度越大。这是由于PCB聚合物的粘弹性引起的。

图表显示，比起拔球测试，冷针插拔测试的力值稍低，但平均值仍然是在前者的偏差范围内。

从图9中可以看到，冷针插拔测试的数值结果波动性极小，大约只有拔球测试的一半。

经过对比实验可以看出，对比行业认可的拔球测试，冷针插拔测试的结果与拔球测试的结果一致性较强，偏差在允许范围内，测试结果可靠。

进一步确认两种方法的测试结果，进行热冲击与回流焊条件对测试结果的影响对比。对比相同的冷针插拔测试用样品和拔球测试用样品，在不同的回流焊次数（2,5,7）和热老化条件下，力值的变化如图10

附：热老化时间对测试结果的影响对比图标如图11

后两个图标显示的两种不同测试方法所测试结果的一致性、低偏差与第一个对比结果（测试速度对力值的影响）完全呼应，进一步证明冷针插拔测试结果的可靠性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，如针的材料的等同替换，针板导引孔形状、规格的等同变化等均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于焊点可靠性测试拔针的批量插针装置；其特征在于，提供一组针板、网板、底板(如图1)和附件；

针板，针板上有一块含复数个针孔的区域，用于批量导引针***待测PCB板焊点中；

底板，用于承放待测PCB板；

网板，网板上有一块中空区域，网板用于架构待测PCB板焊点位置空间；

插针装置附件：夹片、垫片和螺丝钉(如图4)。

2.根据权利要求1所述的用于焊点可靠性测试拔针的批量插针装置，其特征在于：

针板四角上各有一个螺丝孔，与网板、底板的四个孔位置、规格垂直对应；针板四个边缘接近中间的部位有4个插槽，与网板边缘上的四个插槽错位垂直对应；针板的中间部分是一块针孔区域，有复数个小孔(如图1)；针板用于导引插针、固定针(如图2)；

网板四角上各有一个螺丝孔，与针板、底板的四个孔位置、规格垂直对应；网板四个边缘接近中间的部位有4个插槽，与针板边缘上的四个插槽错位对应；网板的中间部分是一个方形中空区域(如图1)；PCB板被支撑在底板上，网板用于给焊球提供位置空间(如图2)；

底板主要特征是，底板中间部分是一块方形中空区域(如图1)；底板用于支撑、固定住PCB板(如图2)；

插针装置附件：两块夹片，四角设置螺丝孔，与针板、网板和底板螺丝孔的位置对应；一块垫片，用于放置在针上方；两块夹片用于将垫片、插上针后的针板、网板及支撑有待测PCB板的底板平行对应好位置后压紧；实际插针时，强度较高的针将被压入焊点内部[如图4、图5-(9)]。

3.根据权利要求2所述的用于焊点可靠性测试拔针的批量插针装置的针板(如图1)，其特征在于，针板的中间部分上有复数个小孔，小孔数量、位置对应待测PCB板上的焊点数量、位置；小孔直径与拔针测试用针的直径相仿，为了便于在小孔插针并将针固定，小孔直径略大于针的直径。

4.根据权利要求2所述的用于焊点可靠性测试拔针的批量插针装置的网板(如图1)，其特征在于，网板中部方形区域规格与待测PCB板的焊盘区域规格相仿，略大于后者，方形区域的厚度即网板厚度，与焊球直径相同；进一步，网板中空区域四个外角处各有一个角孔，角孔与待测PCB板上4个边角处的焊点、针板针孔区域4个边角处的针孔位置垂直对应；角孔直径大于焊点直径，角孔用于嵌套待测PCB板边角处焊点而定位针板、网板、待测PCB板的叠放位置，使网板中空区域刚好包含待测PCB板的焊点，使针孔垂直对准焊点。

5.根据权利要求2所述的用于焊点可靠性测试拔针的批量插针装置的底板(如图1)，其特征在于，底板方形中空区域规格小于待测PCB板；待测PCB置于底板之上，焊接针与焊球的回流焊过程中，底板中空结构用于防止底板吸走大量的热而导致焊接温度达不到锡球的熔化要求。

6.根据权利要求1所述的焊点，其特征在于，包括焊球、焊盘、用焊接方法形成的连结点。

7.一种用于焊点可靠性测试拔针的待测样品结构[如图5-(11)]，包括针，焊球，焊点，金属间化合物，焊料，待测PCB板；其特征在于，焊点上涂覆有焊料，焊球通过焊料居中固定于焊点上，针***待测焊点上的焊球，针不触及待测焊盘；通过焊接，针底部固定于焊球内部，针的底部与焊球内部接触面生成金属间化合物。

8.根据权利要求7,所述的一种用于待测焊点可靠性测试拔针的待测样品结构，其特征在于，针的直径小于焊球的直径；针为有金涂层的黄铜针，金涂层用于增进插针、固定针时使针与焊球间有良好的浸润性；针垂直于待测PCB板。

9.提供一种在待测PCB板上插针的方法(如图2、图5、图6)，其特征在于，包括以下步骤：

1）通过回流焊将焊球焊接到PCB板的焊盘上

2）在PCB焊盘上的焊球表面涂覆锡膏以改进其浸润性

3）将针插嵌入针板；

4）将待测PCB板放在底板中空区域上方；对应好网板四个角孔和待测PCB板边角上4个焊点的位置，将网板置于待测PCB板上方，使网板中空区域包含待测PCB板的焊球区域，对应好针板4个边角处的针孔、针和网板的4个角孔的位置，将固定有针的针板置于网板上；将垫片放置于针板的针固定区域上；

5）上下两面各使用一片夹片以夹住垫片、带针的针板、网板、固定有焊球的PCB板和底板；用四个螺丝钉穿过上夹片、针板、网板、底板和下夹片；

6）拧紧夹片上的螺丝，平行压紧整个插针装置（上夹片、垫片、针、针板、网板、待测PCB板、底板和下夹片），让所有针按针板孔的导引，受压力垂直、平行***焊球内部；

7）将步骤6中的装置放置进回流焊设备，完成第二次回流焊，完成装置内部针与焊球的焊接；

8）脱模(如图7)，第二次回流焊之后，将夹片、垫片、底板按顺序取开，得到针板、针、网板和待测PCB板紧压一体的结构(如图7-150)；使用两块金属片，金属片四边上安装有4颗螺丝钉，螺丝钉与金属片边缘的位置对应和针板、网板与板上插槽的位置对应相同；将一片带有螺丝钉的金属片从针板一侧将螺钉垂直置于针板插槽，将另一片带有螺丝钉的金属片从网板/待测PCB板一侧垂直置于网板插槽，将整体装置固定而不挤压，移至夹具中，在夹具的推力作用下，将针板和针(针此时固定于待测PCB板上)平行分离；从而完成脱模，得到批量焊接好针的待测PCB板。

10.根据权利要求1，所述针板上的针孔与待测PCB板上的焊球，空间上几何连线与待测PCB板成0~90°；所述网板上的角孔与针板针孔区域的四角处的针孔，与待测PCB板四角处的焊球，空间上几何连线与待测PCB板成角角度与前述角度相同。

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