锡珠的产生原因与预防措施

125锡珠的产生原因与预防措施深圳同维电子有限公司黎海明[摘要]本文从简述再流焊接中生产锡珠（SolderBead）与锡球（SolderBall）的不同机理开始，叙述了锡珠产生的一些原因，以及为了预防和减少锡珠应当采取的措施。文章中对出现锡珠后如何进行分析、改善提供了方法上的建议和参考。[关键词]锡球，锡珠，控制锡珠。1前言锡珠现象是表面组装技术（SMT）生产中的主要缺陷之一。由于其产生原因较多，不易控制，所以常常困扰着SMT工程技术人员。锡珠与锡球的产生机理不同，需要采取的应对措施也不相同。锡珠主要集中出现在片状阻容元件的一侧，有的时候还出现在IC引脚附近。锡珠不仅影响板级产品的外观，更重要的是由于印刷板上元件密集，在使用过程中存在造成线路的短路的危险，从而影响电子产品的质量。产生锡珠的原因很多，常常是一个或者多个因素造成的，因此必须一一做好预防和改善才能对其进行较好的控制。2锡珠与锡球的机理2.1锡球的形成机理锡球的主要原因是在焊点成形的过程中，熔融的金属合金因为各种原因而“飞溅”出焊点，并在焊点周围形成许多的分散的小焊球。它们常常成群的、离散的以小颗粒陷在助焊剂残留物的形式，出现在元件焊端或者焊盘的周围。常见的产生锡球的原因有：⑴焊料受到过快的加热或者冷却，尤其是无铅的高温工艺，会导致锡球的形成。⑵回流焊接时候熔融助焊剂的蒸发速度过快，焊剂成分中比较高的溶剂比例比较高、或者高沸点溶剂过量、加热不当等都会导致锡球产生的可能性增加。⑶被焊接表面或者焊料中锡的氧化程度过高，使得焊接时候焊料整体内各个部分的受热、受热等过程不一致，从而影响焊剂的热导、热传等热行为受到影响，也会使得锡球产生的可能性增加。⑷焊膏的使用过程中有不利的因素影响锡膏使用环境，如不当的锡膏回温导致锡膏（锡膏焊剂成分中含有较多的亲水基成分）吸潮等，会在焊接过程中引起锡膏飞溅而形成锡球。2.2锡珠的形成机理锡珠是指一些大的焊料球在焊膏进行焊接前，焊膏有可能因为坍塌、被挤压等各种原因而超出在印刷焊盘之外，在进行焊接时，这些超出焊盘的锡膏在焊接过程中未能与焊盘上的锡膏熔融在一起而独立出来，成型于元件本体或者焊盘附近，但是多数锡珠发生在片式元件两侧，见图1。图1片式元件的锡珠以焊盘设计为方型的片式元件为例，如下图2，其在锡膏印刷后，若有锡膏超出，则容易产生锡珠。超出焊盘之外的锡膏分两部分，分别是焊盘外延部分（蓝色区域）和焊盘内延部分（黄色区域），红色区域为实际焊盘区域。126图2对于焊盘外延部分的锡膏，只要在焊接时能够在形成Fillet时，与焊盘部分的锡膏熔融在一起则不会形成锡珠。对于焊盘内延部分，在焊锡量较少时，锡膏能与元件焊端形成Fillet；但是当焊锡量多时，元件贴放压力会将锡膏挤到元件本体（绝缘体）下面，在再流焊时热融，由于表面能，融化的锡膏聚成圆球，它有趋势抬高元件，但是此力极小，反被元件重力挤向元件两侧，与焊盘分离开来，在冷却时形成锡珠。如果元件重力大且被挤出的锡膏较多，甚至会形成多个锡珠。2.3锡珠与锡球的区别锡珠与锡球人们常常混为一谈，其实不然。锡珠与锡球的不同，昀主要是产生的机理不同。此外，从外观体积上看，锡珠的外形状要比锡球大，通常直径大于5mil。从出现的位置来看，锡珠主要集中在片式元件的中部和元件本体比较低的两侧，而锡球在助焊剂残留物内的任何地方。从数量来看，锡珠一般是1到4个，而锡球则不定，数量常常很多个。3影响锡珠产生的因素根据锡珠的形成原因，影响锡珠产生的主要因素有：⑴模板开口和焊盘图形设计。⑵模板清洗。⑶机器的重复精度。⑷回流焊炉温度曲线。⑸贴片压力。⑹焊盘外锡膏量。4减少锡珠产生的对策与经验4.1按照标准设计模板开口根据IPC-7525A漏模板设计标准，正确选择漏模板厚度，严格控制漏模板的开口比例。选择漏模板厚度时，在保证焊点质量的情况下，应根据IPC-7525A标准和实际PWB上元件情况选择厚度较低的项，而尽量避免选择较大的一项。例如，根据标准，QFP/Pin0.5mm间距的可以选择0.125mm—0.15mm厚度的漏模板，而实际生产时，如果选择0.12mm的漏模板不影响其他元件的焊接效果则应该选择0.12mm的而不选择其他更大的。开口比例一般是1：1，但是对于一些锡膏需求量比较大的元件，可以适当增加开口比例为1：1.05或者1.2。但是，开口比例大于1：1的漏模板在印刷一定要注意其底部清洗一定要频繁和有效，否则也会因为底部聚集了锡膏而造成锡球。对于一些锡膏需求量比较小的元件，可以适当减少开口比例为1：0.9。片式元件中，0402以下的可不必开防锡珠孔，而0603以上的则需要选择性的开防锡珠孔。同时，根据锡珠与焊盘内延部分的锡膏有关的原因，可以取消焊盘内延部分，甚至将焊盘内延部分设计为负值。4.2选择合适的焊盘图形与尺寸设计焊盘尺寸设计不良也会导致锡珠。在实际焊盘设计时候，应结合IPC，再根据实际元件封装尺寸、焊端尺寸，来设计相对应的焊盘尺寸。各个公司应该根据自身供应商呈样的元件尺寸情况制定出适合生产的焊盘设计标准。同时，还要根据实际情况的127变化修改设计。根据IPC-SM-782A标准，焊点有三个面的参照值：Jt=Solderfilletattoe，端部焊峰值Jh=Solderfilletatheel，根部焊峰值Js=Solderfilletatside，侧面焊峰值以下为我司的焊盘基本设计。对于片式元件，以0402元件为例，图3为电阻焊盘设计示意图（实际图形因元件而异，在此不一一列出），图4为对应的电阻元件尺寸（底部）示意图。采用FUJI143E型高速贴片机测量，精度0.001mm。实际测量PCB焊盘的尺寸为表1。根据实际测量（FUJI143E贴片测量，精度0.001mm）的元件尺寸与供应商提供的比较如表2所示。实际测量的尺寸数据与供应商提供的尺寸数据均在其规定的范围之内。三个参照值计算公式分别为：Jt=（Z-L）/2Jh=（S-G）/2Js=（X-W）/2Jh值是正数，则说明贴装后焊端的锡膏没有富余，这样，一部分锡膏会“多余”出来。若Jh值是正数，且值比较大，焊接时升温速率过快、焊端或焊盘上锡不良、贴装下压过大等因素，都会可能造成锡珠。若值虽然是正数但是比较小，则可有利于形成良好的fillet。图30402片式元件的焊盘设计示意图图40402片式元件（底部）的示意图表1实测焊盘设计尺寸与IPC标准的推荐值的比较长Z（mm）宽X（mm）间距G（mm）实测值IPC推荐实测值IPC推荐实测值IPC推荐电阻R1.62.20.60.70.40.4电容C1.62.20.50.70.40.4表2实测元件尺寸与供应商提供的比较供应商类型规格风华风华（实测）TAIYORELECYAGEOL（mm）1.0±0.10.971.0±0.051.0±0.1电阻RS（mm）0.20-0.950.460.25-0.750.2-0.8无数据128W（mm）0.5±0.10.470.5±0.050.5±0.051.0±0.0.35-0.L（mm）1.0±0.050.911.0±0.05S（mm）0.25-0.750.560.55-0.85电容CW（mm）0.5±0.050.430.5±0.05无数据0.3±0.03以实测的风华的测量数据来分析，根据IPC-SM-782A标准，实际Jh为：电阻Jh=（0.46-0.4）/2=0.03mm电容Jh=（0.56-0.4）/2=0.08mm虽然两个Jh值均为正数，但是值均比较小，使得焊锡膏得以在根部形成良好的焊峰和润湿角的时候没有形成锡珠。实际情况是极少发现有锡珠，实际焊接情况也很好。经验值为Jh为-0.1—0.15mm为良好范围。在表2中S值范围很大，实际中可要求厂商控制范围，电容和电阻在0.35-0.65mm内为好。否则要更改模板设计来适应。其余的Jt、Js情况可类推。对于IC类元件可根据供应商提供的图形（甚至尺寸）来进行设计。而片式元件类目前业界推荐的无铅焊盘是外向半椭圆型或者内向半椭圆型都可以。只要的考虑是避免过去方型焊盘容易产生的应力集中和贴装压力大的时候会在边角出溢出锡膏而形成锡珠。4.3提高模板清洗质量提高模板清洗质量可提高印刷质量。如果清洗不干净，残留在模板开口底部的锡膏会聚集在模板开口附近形成过多的锡膏而造成锡珠。印刷机在选择自动清洗模板方式时昀好是采用湿洗、干洗再加上抽真空三种方式一起的办法，能使得清洗的效果得到提高。可根据产品的元件布局适当增加清洗的频率。使用时还需要看实际效果是否良好，否则还需要增加人工擦洗。4.4保证设备的重复精度锡膏在印刷时，由于模板与焊盘对中偏移，若偏移过大，则会导致锡膏浸流到焊盘以外，加热后容易出现锡珠。贴片精度也影响着制程。一般来说，3σ以上可以达到要求。否则，会增加出现锡珠的概率。4.5控制好贴片机的贴片压力贴片机贴放元件时Z轴的高度有两种方式，一个是贴放压力控制，一个是元件厚度控制。Z轴的高度决定了元件对锡膏的下压程度。这也是引起锡珠的一项重要因素。对锡膏的下压程度控制不好，会在元件贴放时将锡膏挤压到焊盘外，这部分锡膏会引起锡珠。所以，不论是贴放压力控制方式的，还是元件厚度控制的，都需要调整好设置来防止锡珠。控制压力的原则是恰好能将元件“放”在锡膏上并下压适当的高度，这个适当的高度是不能将锡膏挤压出焊盘外。不同的供应商、型号、封装元件需要的控制压力也不一样，要在生产的时候注意，必要时要调整压力。4.6优化温度曲线再流焊四个阶段中，预热、保温阶段的目的是降低PWB和元件的热冲击，确保锡膏的溶剂产生作用时能部分挥发，而不至于在再流焊时，由于温度的迅速升高出现溶剂太多而引起坍塌或飞溅，锡膏冲出焊盘，形成锡珠或者锡球。解决的办法是控制好再流焊的温度。保证预热区的升温速率在2°C/S以下适中位置，保温区时间控制在60—120S内，使得溶剂能在一个较好的平台上能大部分的挥发走。5结束语产生锡珠的原因很多，对此，我司在改善锡珠方面首先在设计上进行预防。首先对元件尺寸进行统计，并分析了元件尺寸与焊盘的匹配性，为后续如焊盘设计、漏模板129开口等进行指导；然后如果还发生锡珠则再做进一步分析，从印刷开始到贴片的完成的整个过程进行检查、分析，找到原因再加以改善。实际效果比较好，生产中发生锡珠的概率很低。希望有关于锡珠问题经验的同行一起交流和学习，并对本文的不足加以指出。SMT的生产工艺控制是多方面的，任何一个方面没有做好，都有可能产生问题。因此，除了SMT工艺人员需要注意之外，采购和物料控制相关的部门也需要主动地与SMT工艺人员配合，对于物料变更、替换等应该考虑与工艺人员沟通，防止因物料变化引起工艺参数的变化而导致不良产生。负责PCB线路设计的设计人员也应该更多地与工艺人员沟通，对工艺人员提出的改善建议应该进行参考并尽可能的改进。只有多方面的共同合作才能使得SMT问题得到很好的改进。参考文献[1]曹继汉．锡膏的工艺性要求．2003。[2]张文典．实用表面组装技术（第2版）．电子工业出版社，2006（5）。[3]IPC-A-610D．电子组件的可接受性，2005（2）。[4]曹继汉．表面组装新技术．中国电子学会生产技术学分会，2006（6）。[5]IPC-SM-782（L）．表面组装设计和焊盘图形标准，1996（10）。[6]IPC-7525A．漏模板设计标准，2004（2）。[7]蔡成校．焊锡珠产生的原因以及对策，bbs.smthome.net。[8]Ning-chengLee.ReflowSolderingProcessandTroublashooting：SMT、BGA、CSPandFlipChipTechnologies[M]。USA：Butterworth-Heinemann（AmemberofthereedElseviergroup），2002（8）。[9]TerryBasye,WaltBeltz,TerryRose,MarySmoot：EliminatingSolderBeadsinNo-CleanPCBs，CircuitsAssembly，2001（Jul