锡球

前言在表面着装技术精密发达的时代中,常常发生扰人的问题,其中以在零件部品旁,所发生小锡珠为最常见。本篇就探讨其发生原因与解决对策,提供使用人在制程上参考。1.如图a.锡膏在印刷后,零件部品在植装时,置件压力过强,锡膏因此产生挤压。当进入回焊炉加热时,部品零件温度上升通常比基板来得快,而零件部品下方温度上升较慢。接着,零件部品的导体(极体)与锡膏接触地方,Flux因温度上升黏度降低,又因部品零件导体上方温度较高而爬升靠近。所以锡膏是由温度最高Pad外侧开始溶融。2.如图b.溶融焊锡开始向零件部品的导体处往上爬,溶融焊锡形成像墙壁一般,接着未溶融焊锡中Flux动向,因溶融焊锡而阻断停止流动,所以Flux无法向外流。当然所产生挥发溶剂(GAS)也因溶融焊锡而阻断包覆。3.如图c.锡膏的溶融方向是向Pad的内部进行,Flux也向内部挤压,(GAS)也向内侧移动。零件部品a.点的下方因力量而使溶融焊锡到达b.点,又因吃锡不良a.点停止下降,产生c.力量逆流,a.b.c.d.的力量,使得焊锡移动。零件部品氧化,在导体侧面吃锡是有界线的如图c.所示,结果反而焊锡受压析出形成锡珠。另一方面Pad温度较快上升,在Pad上的溶融焊锡先产生回塑效果,无法拉引零件部品,此时的力量使得未溶融焊锡受压析出溶融而形成小锡珠。锡膏内Flux易析出气泡,Flux流动力量加上挥发型溶剂的挥发,再加上零件部品在Pad上拉引的力量同时使得未溶融焊锡受挤压析出溶融而形成锡珠。锡膏量过多或Pad面积太小,溶融焊锡所保有空间过小也易形成锡珠。对策零件部品旁发生锡珠的原因很多,需检讨与修正。1.在设计上Pad的温度,能均匀上升,考虑受热平衡,来决定Pad大小及导体长宽。2.在设计上考虑锡高的量,零件部品的高度与Pad面积,使得溶融焊锡保有舒展空间。3.温度曲线不可急遽上升。4.印刷精度及印刷量的控制,与印刷时的管理。焊锡珠现象是表面贴装过程中的主要缺陷之一，它的产生是一个复杂的过程，也是最烦人的问题，要完全消除它，是非常困难的。焊锡珠的直径大致在0.2mm～0.4mm之间，也有超过此范围的，主要集中在片式阻容元件的周围。焊锡珠的存在，不仅影响了电子产品的外观，也对产品的质量埋下了隐患。原因是现代化印制板元件密度高，间距小，焊锡珠在使用时可能脱落，从而造成元件短路，影响电子产品的质量。因此，很有必要弄清它产生的原因，并对它进行有效的控制，显得尤为重要了。一般来说，焊锡珠的产生原因是多方面，综合的。焊膏的印刷厚度、焊膏的组成及氧化度、模板的制作及开口、焊膏是否吸收了水分、元件贴装压力、元器件及焊盘的可焊性、再流焊温度的设置、外界环境的影响都可能是焊锡珠产生的原因。下面我就从各方面来分焊锡珠产生的原因及解决方法。焊膏的选用直接影响到焊接质量。焊膏中金属的含量、焊膏的氧化度，焊膏中合金焊料粉的粒度及焊膏印刷到印制板上的厚度都能影响焊珠的产生。A、焊膏的金属含量。焊膏中金属含量其质量比约为88％～92％，体积比约为50%。当金属含量增加时，焊膏的黏度增加，就能有效地抵抗预热过程中汽化产生的力。另外，金属含量的增加，使金属粉末排列紧密，使其在熔化时更容结合而不被吹散。此外，金属含量的增加也可能减小焊膏印刷后的“塌落”，因此，不易产生焊锡珠。B、焊膏的金属氧化度。在焊膏中，金属氧化度越高在焊接时金属粉末结合阻力越大，焊膏与焊盘及元件之间就越不浸润，从而导致可焊性降低。实验表明：焊锡珠的发生率与金属粉末的氧化度成正比。一般的，焊膏中的焊料氧化度应控制在0.05％以下，最大极限为0.15％。C、焊膏中金属粉末的粒度。焊膏中粉末的粒度越小，焊膏的总体表面积就越大，从而导致较细粉末的氧化度较高，因而焊锡珠现象加剧。我们的实验表明：选用较细颗粒度的焊膏时，更容易产生焊锡粉。D、焊膏在印制板上的印刷厚度。焊膏印刷后的厚度是漏板印刷的一个重要参数，通常在0.12mm-20mm之间。焊膏过厚会造成焊膏的“塌落”，促进焊锡珠的产生。E、焊膏中助焊剂的量及焊剂的活性。焊剂量太多，会造成焊膏的局部塌落，从而使焊锡珠容易产生。另外，焊剂的活性小时，焊剂的去氧化能力弱，从而也容易产生锡珠。免清洗焊膏的活性较松香型和水溶型焊膏要低，因此就更有可能产生焊锡珠。F、此外，焊膏在使用前，一般冷藏在冰箱中，取出来以后应该使其恢复到室温后打开使用，否则，焊膏容易吸收水分，在再流焊锡飞溅而产生焊锡珠。2、模板的制作及开口。我们一般根据印制板上的焊盘来制作模板，所以模板的开口就是焊盘的大小。在印刷焊膏时，容易把焊膏印刷到阻焊层上，从而在再流焊时产生焊锡珠。因此，我们可以这样来制作模板，把模板的开口比焊盘的实际尺寸减小10％，另外，可以更改开口的外形来达到理想的效果。模板的厚度决了焊膏的印刷厚度，所以适当地减小模板的厚度也可以明显改善焊锡珠现象。我们曾经进行过这样的实验：起先使用0.18mm厚的模板，再流焊后发现阻容元件旁边的焊锡珠比较严重，后来，重新制作了一张模板，厚度改为0.15mm，开口形式为上面图中的前一种设计，再流焊基本上消除了焊锡珠。件贴装压力及元器件的可焊性。如果在贴装时压力太高，焊膏就容易被挤压到元件下面的阻焊层上，在再流焊时焊锡熔化跑到元件的周围形成焊锡珠。解决方法可以减小贴装时的压力，并采用上面推荐使用的模板开口形式，避免焊膏被挤压到焊盘外边去。另外，元件和焊盘焊性也有直接影响，如果元件和焊盘的氧化度严重，也会造成焊锡珠的产生。经过热风整平的焊盘在焊膏印刷后，改变了焊锡与焊剂的比例，使焊剂的比例降低，焊盘越小，比例失调越严重，这也是产生焊锡珠的一个原因。再流焊温度的设置。焊锡珠是在印制板通过再流焊时产生的，再流焊可分为四个阶段：预热、保温、再流、冷却。在预热阶段使焊膏和元件及焊盘的温度上升到1200C—1500C之间，减小元器件在再流时的热冲击，在这个阶段，焊膏中的焊剂开始汽化，从而可能使小颗粒金属分开跑到元件的底下，在再流时跑到元件周围形成焊锡珠。在这一阶段，温度上升不能太快，一般应小于1.50C/s，过快容易造成焊锡飞溅，形成焊锡珠。所以应该调整再流焊的温度曲线，采取较适中的预热温度和预热速度来控制焊锡珠的产生。外界因素的影响。一般焊膏印刷时的最佳温度为250C+30C，湿度为相对湿度60％，温度过高，使焊膏的黏度降低，容易产生“塌落”，湿度过模高，焊膏容易吸收水分，容易发生飞溅，这都是引起焊锡珠的原因。另外，印制板暴露在空气中较长的时间会吸收水分，并发生焊盘氧化，可焊性变差，可以在1200C—1500C的干燥箱中烘烤12—14h,去除水汽。综上可见，焊锡珠的产生是一个极复杂的过程，我们在调整参数时应综合考虑，在生产中摸索经验，达到对焊锡珠的最佳控制。主要有以下几点一，焊料成球焊料成球是最常见的也是最棘手的问题，这指软熔工序中焊料在离主焊料熔池不远的地方凝固成大小不等的球粒；大多数的情况下,这些球粒是由焊膏中的焊料粉组成的，焊料成球使人们耽心会有电路短路、漏电和焊接点上焊料不足等问题发生，随着细微间距技术和不用清理的焊接方法的进展，人们越来越迫切地要求使用无焊料成球现象的SMT工艺。引起焊料成球的原因包括：1,由于电路印制工艺不当而造成的油渍;2,焊膏过多地暴露在具有氧化作用的环境中;3,焊膏过多地暴露在潮湿环境中;4,不适当的加热方法;5,加热速度太快;6,预热断面太长;7,焊料掩膜和焊膏间的相互作用;8,焊剂活性不够;9,焊粉氧化物或污染过多;10,尘粒太多;11,在特定的软熔处理中,焊剂里混入了不适当的挥发物;12,由于焊膏配方不当而引起的焊料坍落；13、焊膏使用前没有充分恢复至室温就打开包装使用；14、印刷厚度过厚导致“塌落”形成锡球；15、焊膏中金属含量偏低。二，焊料结珠焊料结珠是在使用焊膏和SMT工艺时焊料成球的一个特殊现象.，简单地说,焊珠是指那些非常大的焊球,其上粘带有(或没有)细小的焊料球.它们形成在具有极低的托脚的元件如芯片电容器的周围。焊料结珠是由焊剂排气而引起,在预热阶段这种排气作用超过了焊膏的内聚力,排气促进了焊膏在低间隙元件下形成孤立的团粒,在软熔时,熔化了的孤立焊膏再次从元件下冒出来,并聚结起。焊接结珠的原因包括：1,印刷电路的厚度太高;2,焊点和元件重叠太多;3,在元件下涂了过多的锡膏;4,安置元件的压力太大;5,预热时温度上升速度太快;6,预热温度太高;7,在湿气从元件和阻焊料中释放出来;8,焊剂的活性太高;9,所用的粉料太细;10,金属负荷太低;11,焊膏坍落太多;12,焊粉氧化物太多;13,溶剂蒸气压不足。消除焊料结珠的最简易的方法也许是改变模版孔隙形状,以使在低托脚元件和焊点之间夹有较少的焊膏。回流焊接中出的锡球，常常藏于矩形片式元件两端之间的侧面或细距引脚之间。在元件贴装过程中，焊膏被置于片式元件的引脚与焊盘之间，随着印制板穿过回流焊炉，焊膏熔化变成液体，如果与焊盘和器件引脚等润湿不良，液态焊锡会因收缩而使焊缝填充不充分，所有焊料颗粒不能聚合成一个焊点。部分液态焊锡会从焊缝流出，形成锡球。因此，焊锡与焊盘和器件引脚润湿性差是导致锡球形成的根本原因。三，原因分析与控制方法造成焊锡润湿性差的原因很多，以下主要分析与相关工艺有关的原因及解决措施：1，回流温度曲线设置不当。焊膏的回流是温度与时间的函数，如果未到达足够的温度或时间，焊膏就不会回流。预热区温度上升速度过快，达到平顶温度的时间过短，使焊膏内部的水分、溶剂未完全挥发出来，到达回流焊温区时，引起水分、溶剂沸腾，溅出焊锡球。实践证明，将预热区温度的上升速度控制在1～4°C/s是较理想的。2，如果总在同一位置上出现焊球，就有必要检查金属板设计结构。模板开口尺寸腐蚀精度达不到要求，对于焊盘大小偏大，以及表面材质较软（如铜模板），造成漏印焊膏的外形轮廓不清晰，互相桥连，这种情况多出现在对细间距器件的焊盘漏印时，回流焊后必然造成引脚间大量锡珠的产生。因此，应针对焊盘图形的不同形状和中心距，选择适宜的模板材料及模板制作工艺来保证焊膏印刷质量。3，如果在贴片至回流焊的时间过长，则因焊膏中焊料粒子的氧化，焊剂变质、活性降低，会导致焊膏不回流，焊球则会产生。选用工作寿命长一些的焊膏（我们认为至少4小时），则会减轻这种影响。4，另外，焊膏印错的印制板清洗不充分，使焊膏残留于印制板表面及通孔中。回流焊之前，被贴放的元器件重新对准、贴放，使漏印焊膏变形。这些也是造成焊球的原因。因此应加强操作者和工艺人员在生产过程的责任心，严格遵照工艺要求和操作规程行生产，加强工艺过程的质量控制。这是在SMT焊接工艺中比较常见的一个问题，特别是在使用者使用一个新的供应商产品初期，或是生产工艺不稳定时，更易产生这样的问题，经过使用客户的配合，并通我们大量的实验，最终我们分析产生锡珠的原因可能有以下几个方面：1、PCB板在经过回流焊时预热不充分；2、回流焊温度曲线设定不合理，进入焊接区前的板面温度与焊接区温度有较大差距；3、焊锡膏在从冷库中取出时未能完全回复室温；4、锡膏开启后过长时间暴露在空气中；5、在贴片时有锡粉飞溅在PCB板面上；6、印刷或搬运过程中，有油渍或水份粘到PCB板上；7、焊锡膏中助焊剂本身调配不合理有不易挥发溶剂或液体添加剂或活化剂；以上第一及第二项原因，也能够说明为什么新更换的锡膏易产生此类的问题，其主要原因还是目前所定的温度曲线与所用的焊锡膏不匹配，这就要求客户在更换供应商时，一定要向锡膏供应商索取其锡膏所能够适应的温度曲线图；第三、第四及第六个原因有可能为使用者操作不当造成；第五个原因有可能是因为锡膏存放不当或超过保质期造成锡膏失效而引起的锡膏无粘性或粘性过低，在贴片时造成了锡粉的飞溅；第七个原因为锡膏供应商本身的生产技术而造成的。