波峰焊接基础技术理论之六.doc

波峰焊接基础技术理论之六软钎接中锡珠的产生与预防 内 容 1. 软钎接中溅锡珠缺陷现象及其判断标准 1.1 软钎接中的溅锡珠缺陷现象 1.2 IPC-610 C 对溅锡珠缺陷的可接收条件 2. 锡珠形成的原因 2.1 波峰焊接中溅锡珠的形成原因 2.2 再流焊接中溅锡珠的形成原因 3. 软钎接中溅锡珠的预防方法 3.1 波峰焊接中的预防方法 3.2 再流焊接中的预防方法1. 软钎接中锡珠缺陷现象及其判断标准1.1 软钎接中锡珠缺陷现象 软钎接后，在PCB上不是设计所需的位置所找到的钎料包括钎料尘(solder fine)、锡球(solder ball)和锡珠(solder bead)等，统称为溅钎料现象。锡尘是细小的，尺寸接近原始焊膏粉末。对于-325+500的网目尺寸，粉末直径是25-45微米。锡尘是由颗粒的聚结而形成的，所以大于原始的粉末尺寸。 溅钎料只是表面污染的一种，其它类型的污深包括水渍污染和助焊剂飞溅等，但它们的影响较小。钎料飞溅是一种可能造成短路的缺陷。 波峰焊接的溅锡珠现象 波峰焊接过程中，焊后在PCB板面上会存在少量的、细小的锡珠。它们通常都出现在插装焊点的周围，特别是在诸如96芯、64芯焊点的周围以及厚膜电路相邻焊点之间，如图1所示。 再流焊中的溅锡珠现象焊膏是由各种金属合金组成，再流焊接中锡珠通常是在焊膏塌落(slump)或在处理期间压出焊盘时发生的，如图2所示。在再流期间，焊膏从主要的沉淀中孤立出来，与来自其它焊盘的多余焊膏集结，或者从元件体的侧面冒出形成大的锡珠，或者留在元件的下面，如图3所示。 1.2 IPC-610C对锡珠缺陷的可接收条件 不合格-1，2，3级要求 锡珠 / 飞溅的出现破坏了设定规定的最小电气间隙；这些锡珠没有被涂敷层夹陷( 指产品在正常的使用环境下，锡珠不会发生移动 )，也没有附着在金属触点上。 不合格(迹象)-1，2，3级要求 锡珠 / 飞溅分布在焊盘或印制线条周围0.13mm范围内或者锡珠直径大于0. 13mm， 如图4( a )所示。 IPC-A-610 C将0.13mm(0.00512)直径的钎料或每600mm2 ( 0.9in2 )面积上少于五颗分为第一类可接受的，并作为第二与第三类的工艺标记。IPC-A-610 C允许“夹陷的”不干扰最小电气间隙的锡球。可是，即使是“夹陷”的锡球都可能在运输、处理或经受振动后变成可移动的。 锡珠在PCA组件的再流焊接和波峰焊接等工艺应用中都遇到。因此，查明其形成原因及相关的影响因素，就可以改善PCA软钎接的合格率、提高产品质量、提高长期工作的可靠性和降低返工与修理成本。2 锡珠形成的原因2.1 波峰焊接中溅锡珠的形成原因 “小爆炸”理论 波峰焊接中在 PCB 的焊接面及元件面上均可能产生锡珠飞溅现象。普遍认为在 PCB 进入波峰之前有水汽滞留在PCB上的话，一旦与波峰钎料接触，在剧烈升温的过程中，就会在极短的时间内迅速汽化变成蒸汽，发生爆发性的排气过程。正是这种剧烈的排气可能引发正处在熔融状态中的焊接点内部的小爆炸，从而促使钎料颗粒在脱离波峰时飞溅在PCB上形成锡珠。 在波峰焊接前PCB水汽的来源，杭州东方通信公司对此进行过专题研究和试验，归纳的结论如下： 制造环境和PCB存放时间 制造环境对电子装联的焊接质量有着很大的影响。制造环境的湿度较重，或PCB包装开封较长时间后再进行贴片和波峰焊生产，或者PCB贴片、插装后放置一段时间后再进行波峰焊，这些因素都很有可能使PCB在波峰焊接过程中产生锡珠。 如果制造环境的湿度太大，在产品制造过程中空气浮动着水汽很容易会在PCB表面凝结，使PCB通孔中凝结有水珠，在过波峰焊时，通孔中的水珠经过预热温区后可能还没有完全挥发完，这些没有挥发完的水珠接触到波峰的焊锡时，经受了高温，就会在短时间内汽化变成蒸汽，而此时正是形成焊点的时候，水汽就会在焊料内产生空隙，或挤出焊料产生锡球。严重的话就会形成一个爆点，并在它的周围分布有被吹开的细小的锡珠。 假如PCB在包装开封较长时间后再进行贴片和波峰焊，通孔中也会凝结有水珠；PCB完成贴片后或插装完成后放置了一段时间，也会凝结水珠。同样的原因，这些水珠都有可能在波峰焊过程中导致锡珠产生。 因而，作为从事电子装联的企业，对制造环境的要求和对产品制造过程中的时间安排显得特别地重要。贴片完成后的PCB应在24小时内完成插装并进行波峰焊，假如天气晴朗干燥，可以在48小时内完成。 PCB阻焊材料和制作质量 在PCB制造过程中所使用的阻焊膜也是波峰焊产生锡球的原因之一。因为阻焊膜与助焊剂有一定的亲合性，阻焊膜加工不良常常会引起锡珠粘附，产生焊锡球。 PCB的制造质量不好也会在波峰焊时产生锡球。如果PCB通孔的孔壁镀层较薄或者镀层中有空隙，PCB通孔附着的水分受热变成蒸汽，水汽就会通过孔壁排出，遇到焊料就会产生锡球。因而在通孔内有造当的镀层厚度是很关键的，孔壁上的镀层厚度最小应为25m。 PCB通孔中有污垢或不干净物质时，在过波峰焊的时候，喷入通孔中的助焊剂不能得到充分的挥发，液体助焊剂和水汽一样，在遇到波峰时也产生锡珠。 正确的助焊剂选择 产生焊锡球的原因有很多，但助焊剂是一个主要原因。 一般的低固、免清洗助焊剂比较容易形成锡球，特别是在底面有SMD元件需要双波峰焊时，这是因为这些助剂不是设计为可以在长时间热量下使用。如果喷在PCB上的助焊剂在过第一波峰时已经使用完，那它在过第二个波峰时已没有助焊剂，这样就不能发挥助焊剂的作用和帮助减少锡球。减少锡球的一个主要方法是对助焊剂的正确选择。选择可以经受较长时间热量的助焊剂。如Alpha公司的NR310和SLS65系列的助焊剂，就是针对这个原因设计的，据资料介绍可以减少90%的焊锡球。 助焊剂的用量与预热温度的设置 锡珠的产生也可能是由于波峰焊的一些工艺参数设置不当造成的。波峰焊产生的焊锡球与助焊剂的用量和预热温度的设置有关，通常会产生形状不规则的锡珠。如果预热温度设置不当或是增加助焊剂的用量，就可能会影响助焊剂内组成成分的蒸发。 假如助焊剂的喷雾量过多，或预热温度设置过低，助焊剂就不能在预热阶段得到蒸发，到达波峰口上面时还有助焊剂的液滴，过多的助焊剂就会在波峰口的焊锡中溅射，出了波峰口后就会有细小锡珠分布在焊点周围。 因而，为了消除焊锡球，助焊剂的用量不应过大，一般的经验是PCB到波峰口时助焊剂刚好蒸发成粘稠状，没有液滴往下流，在波峰口上没有溅射的声音和烟雾。预热温度的设置也应恰当，应能使助焊剂完全蒸发，但又不能过高，这会使PCB和元件受到热冲击，预热温度一般应使PCB上表面温度达到110-120。 PCB表面状态的影响 2000年国际表面贴装技术学术年会上，Fritz Byle发表的“不断改善的波峰焊工艺”的试验研究报告中，认为：助焊剂类型和阻焊膜类型对锡珠的发生量有很大的影响。一般来说，光滑的阻焊膜产生的锡珠量要比粗糙的阻焊膜的锡珠量低得多，如图5所示。 研究试验中共采用了四种不同的助焊剂，其中A、B、C为非有机挥发物助焊剂，D是乙醇基的。使用助焊剂C和D可使粗糙阻焊膜的钎料量保持在最低，而助焊剂A对阻焊膜类型的敏感性最低。 Fritz Byle还发现在2mm间距的连接器(插头座)的无阻焊膜的区域上就没有锡珠。层板板表面很高的表面积能使助焊剂涂敷均匀和对锡球的粘附力下降。 阻焊膜本身固化不足，造成溅出的钎料粒子容易附着。 熔湿速率不匹配 熔湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体的影响。当元器件引脚或焊盘表面处理层 ( 如镀锡铅合金、热浸锡铅合金、OSP保护层及化学浸金等 ) 的不同状况也会影响到锡珠的多寡，其中以热浸铅锡合金的保护层产生的锡珠较多。 在生产现埸发现用户板上的厚膜电路的引脚之间在波峰焊接时锡珠的发生率最高、如图6所示。 由于公司用的厚膜电路引脚全部是采用热浸锡铅合金作保护膜的，这层保护膜在热浸锡铅过程中已经形为铜锡合金层 ( 从引脚外观即可判断 )。与Sn63 / Pb37相比，其润湿性明显劣化，从而导致了熔湿速率的较大差异。我们知道当两种材料的熔湿速率不一致，在波峰焊接中当焊点与波峰钎料分离时，在引脚表面极易形成颗粒状锡珠粘附，便会在相邻的焊点之间产生锡珠，如图7所示。 PCB浸入波峰深度不合适 波峰高度可能造成过多的钎料在通孔或旁路孔内起泡和飞溅，随机的锡珠可能附着在PCB板面和元件上。 综上所述，波峰焊接中产生锡珠的可能原因可综合归纳如下： PCB在制造或贮存中受潮； 环境湿度大，潮气在多缝的PCB上凝聚，厂房內又未采取驱潮措施； PCB和元器件拆封后在安装线上滞留时间过长，增加了吸潮机会； 镀层和助焊剂不相溶、 助焊剂选用不当； 漏涂助焊剂或涂覆量不合适、助焊剂吸潮夹水； 阻焊层不良，沾附钎料残渣； 基板加工不良，孔壁粗糙导致槽液积聚，PCB设计时未作热分析； 预热温度选择不合适； 镀银件密集； 钎料波峰形状选择不合适。温度()一分钟二分钟三分钟四分钟150观察到飞溅 1-2个飞溅无飞溅无飞溅1601-2个飞溅无飞溅无飞溅无飞溅170无飞溅无飞溅无飞溅无飞溅用焊膏B：92 ( 90% Sn / Pb37合料作试验 ) 2.2 再流焊接中溅锡珠的形成原因2.2.1 解释再流焊中锡珠飞溅的几种理论 再流焊接过程中产生的溅锡珠现象的机理，目前存在下列几种理论解释： “小爆炸”理论因 素机 理对飞溅的影响助焊剂载体活性剂 不同的活性剂在再流时不同程度地提高了润湿和结合速度快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加被夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出助焊剂载体溶剂及其含量 溶剂类型和含量将影响预热期间烘干的程度 增加溶剂含量将引起被夹住的助焊剂更激烈的排出 合金类型 合金影响再流期间的润湿和结合速度 快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加被夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出回流气氛 惰性(氮)环境增加了再流期间的润湿和结合速度 快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加被夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。 钎料熔化速度 更高的熔化温度增加了再流期间的润湿和结合速度 快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加被夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。阻焊层的选择 不光滑的表面涂层提供了对残留的立足之地 快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加被夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。 模板开孔的设计避免过多的焊膏沉淀 模板开孔形状和大小是形成高质量可靠的焊点所要求的足够的焊膏的关键参数，过多的焊膏沉淀是产生钎料珠的主要原因之一。 元件贴装压力 易造成焊膏沉淀跑出焊盘焊膏的任何塌落或过高的贴装压力都将造成一些焊膏沉淀跑出焊盘，大太地增加了在再流期间钎料珠的形成机会。 该理论认为：再流焊接中焊膏中助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊点中的小爆炸，钎料颗粒在高温中的飞溅就可能发生。从而促使钎料颗粒在再流腔内空中乱飞，飞溅在PCB上形成锡珠粘附。当PCB材料内部夹有潮气时，和助焊剂排气有相同的效果。类似地，PCB板表面上的外来污染也是引起溅锡的原因。 溶剂排放理论 溶剂排放理论认为：焊膏助焊剂中使用的溶剂必须在再流时蒸发。如果使用过高温度，溶剂会“闪沸”成气体(类似于在热锅上滴水)，把固体带到空中，随机散落到板上，成为助焊剂飞溅。为了证实或反驳这个理论，美国专家罗丝.伯思逊等人使用热板作样板进行导热性试验，并作测试。使用的温度设定点分别为190、200和220。试验结论是：不含钎料粉末的膏状助焊剂在任何情况下都不出现飞溅。可是，含有粉末的助焊剂(焊膏)在钎料熔化和焊接期间始终都有飞溅。显然溶剂排气理论不能解释锡珠飞溅现象。 结合理论： 持此观点的人认为：当钎料熔化和结合时熔化材料的表面张力 一个很大的力量 在被夹住的助焊剂上施加了压力，当压力足够大时，猛烈地排出。这一理论得到了对BGA内钎料空洞研究者的支持，其中描述了表面张力和助焊剂排气之间的联系(助焊剂排气率模型)。因此，有力的喷出是锡珠飞溅最可能的原因。接下来的实验室助焊剂飞溅模拟试验说明了结合的影响。完全的烘干大大地减少了飞溅现象，如表1所示。 表1 来自金属结合的助焊剂飞溅模拟-烘干的研究 2.2.2 可能引起溅锡珠的因素 根据结合理论建立的结合模型分析，具体影响飞溅现象的潜在因素，如表2所示。 表2 可能引起溅锡珠的因素 总之，任何方法，如果使焊膏粉球可能沉积在PCB上，并在回流过程时仍存在，都可以产生锡珠。包括： 在丝印期间没有擦拭模板底面(模板脏) 误印后不适当的清洁方法 丝印期间不小心的处理 基板材料和污染物中过多的潮汽 极快的温升斜率(超过每秒4) 3 软钎接中溅锡珠的预防方法3.1 波峰焊接中的预防方法 改进PCB制造工艺，提高孔壁的光洁度， 改进PCB包装工艺和贮存环境条件； 尽可能缩短在插装线上的滞留时间，从PCB开封安装元器件波峰焊接应在24小时完成，特别是湿热地区尤为重要； PCB上线前预烘， PCB布线和安装设计后应作热分析，避免板面局部形成大量的吸热区； 安装和波峰焊接现场温度应保持在245而相对湿度不应超过65%； 正确地选择助焊剂，特别是助焊剂所用溶剂的挥发速度要合适。慢了不可，快了也不行； 合理地选择预热温度和时间。温度过低、时间过短，助焊剂中的溶剂不易挥发，残留的溶剂过多时进入波峰后温度急剧升高，溶剂剧烈挥发，在熔融钎料内形成高压气泡，爆喷后大量形成锡珠； 尽可能釆用輻射和对流复合预热方式，加速PCB孔内溶剂的挥发； 加强助焊剂的管理，避免运行过程中的吸潮， 控制好助焊剂的涂覆量，不可过多，也不可过少。多了溶剂过量，预热中不易挥发，量少了发挥不了助焊剂的作用； 设计上应尽量避免大量采用镀银的引脚，因为过量的银在波峰焊接中易产生气体； 钎料波峰形状应保证钎料溅落过程不发生过剧的撞击运动，避免因撞击击出小锡珠。3.2 再流焊接中的预防方法 最小化 优化助焊剂载体的化学成份和再流焊接温度曲线，将溅锡减到最低。通过评估清楚地表明了活性剂、溶剂、合金和再流焊接温度曲线对溅锡珠程度有重要影响。这些参数的适当调整可以将溅锡珠现象减到最小。 正确选择助焊剂材料 聚合助焊剂有希望最终提供一个可能最小化的溅锡珠的解决方案，因为潜在的飞溅材料在温度激化的聚合过程中被包围。因此，没有液体助焊剂留下来产生飞溅。 再流温度曲线的选择 再流温度曲线和材料类型两者都必须调整以使飞溅最小。图8示出了一条没有平坦保温区的线性上升温度曲线，试验结果是所有材料都存在一些溅锡现象。基于飞溅机理的假设，这个线性的曲线没有充分烘干助焊剂。 图9所示的基本曲线形状包括一个160的高温保温(烘干)区，以蒸发所有的溶剂。这种溶剂的挥发增加了剩余助焊剂的粘性，减少了进入再流区后的挥发成份，因此减少了飞溅。但是，这样烘干带来的潜在问题是钎料的熔湿性变差和易产生空洞。使用惰性气体(氮气)可以帮助改善熔湿和减少空洞，但对飞溅却无效果。结论： 优质的焊膏结合正确的温度曲线，可以达到实际消除焊锡和助焊剂的飞溅，相对于易挥发溶剂含量高和熔湿速度慢的焊膏可以达到最好的效果。 正确地设计模板开口形状 前面已讨论到模板开孔的形状是在免洗焊膏应用中的一个关键设计参数。是形成具有高可靠性的高质量焊点所要求的足够的焊膏量的基础。为了解决在片状元件上的溅锡珠的问题，在探讨各种模板开孔的形状中，最流行的是homeplate开孔设计(图10)。据说这种homeplate设计可以在需要的地方准确地提供焊膏，从片状元件的角上去掉过多的焊膏。可是，homeplate设计会带来焊膏的粘附区域不足的问题，焊膏提供很小的与零件接触的面积，因而易造成元件偏位。除此之外，homeplate设计不能消除片状元件下面和相