波峰焊接基础技术理论之六.doc

波峰焊接基礎技術理論之六軟釺接中錫珠的產生與預防 內 容 1. 軟釺接中濺錫珠缺陷現象及其判斷標準 1.1 軟釺接中的濺錫珠缺陷現象 1.2 IPC-610 C 對濺錫珠缺陷的可接收條件 2. 錫珠形成的原因 2.1 波峰焊接中濺錫珠的形成原因 2.2 再流焊接中濺錫珠的形成原因 3. 軟釺接中濺錫珠的預防方法 3.1 波峰焊接中的預防方法 3.2 再流焊接中的預防方法1. 軟釺接中錫珠缺陷現象及其判斷標準1.1 軟釺接中錫珠缺陷現象 軟釺接後，在PCB上不是設計所需的位置所找到的釺料包括釺料塵(solder fine)、錫球(solder ball)和錫珠(solder bead)等，統稱為濺釺料現象。錫塵是細小的，尺寸接近原始焊膏粉末。對於-325+500的網目尺寸，粉末直徑是25-45微米。錫塵是由顆粒的聚結而形成的，所以大於原始的粉末尺寸。 濺釺料只是表面污染的一種，其他類型的汙深包括水漬污染和助焊劑飛濺等，但它們的影響較小。釺料飛濺是一種可能造成短路的缺陷。 波峰焊接的濺錫珠現象 波峰焊接過程中，焊後在PCB板面上會存在少量的、細小的錫珠。它們通常都出現在插裝焊點的周圍，特別是在諸如96芯、64芯焊點的周圍以及厚膜電路相鄰焊點之間，如圖1所示。 再流焊中的濺錫珠現象焊膏是由各種金屬合金組成，再流焊接中錫珠通常是在焊膏塌落(slump)或在處理期間壓出焊盤時發生的，如圖2所示。在再流期間，焊膏從主要的沉澱中孤立出來，與來自其他焊盤的多餘焊膏集結，或者從元件體的側面冒出形成大的錫珠，或者留在元件的下面，如圖3所示。 1.2 IPC-610C對錫珠缺陷的可接收條件 不合格-1，2，3級要求 錫珠 / 飛濺的出現破壞了設定規定的最小電氣間隙；這些錫珠沒有被塗敷層夾陷( 指產品在正常的使用環境下，錫珠不會發生移動 )，也沒有附著在金屬觸點上。 不合格(跡象)-1，2，3級要求 錫珠 / 飛濺分佈在焊盤或印製線條周圍0.13mm範圍內或者錫珠直徑大於0. 13mm， 如圖4( a )所示。 IPC-A-610 C將0.13mm(0.00512)直徑的釺料或每600mm2 ( 0.9in2 )面積上少於五顆分為第一類可接受的，並作為第二與第三類的工藝標記。IPC-A-610 C允許“夾陷的”不干擾最小電氣間隙的錫球。可是，即使是“夾陷”的錫球都可能在運輸、處理或經受振動後變成可移動的。 錫珠在PCA組件的再流焊接和波峰焊接等工藝應用中都遇到。因此，查明其形成原因及相關的影響因素，就可以改善PCA軟釺接的合格率、提高產品品質、提高長期工作的可靠性和降低返工與修理成本。2 錫珠形成的原因2.1 波峰焊接中濺錫珠的形成原因 “小爆炸”理論 波峰焊接中在 PCB 的焊接面及元件面上均可能產生錫珠飛濺現象。普遍認為在 PCB 進入波峰之前有水汽滯留在PCB上的話，一旦與波峰釺料接觸，在劇烈升溫的過程中，就會在極短的時間內迅速汽化變成蒸汽，發生爆發性的排氣過程。正是這種劇烈的排氣可能引發正處在熔融狀態中的焊接點內部的小爆炸，從而促使釺料顆粒在脫離波峰時飛濺在PCB上形成錫珠。 在波峰焊接前PCB水汽的來源，杭州東方通信公司對此進行過專題研究和試驗，歸納的結論如下： 製造環境和PCB存放時間 製造環境對電子裝聯的焊接品質有著很大的影響。製造環境的濕度較重，或PCB包裝開封較長時間後再進行貼片和波峰焊生產，或者PCB貼片、插裝後放置一段時間後再進行波峰焊，這些因素都很有可能使PCB在波峰焊接過程中產生錫珠。 如果製造環境的濕度太大，在產品製造過程中空氣浮動著水汽很容易會在PCB表面凝結，使PCB通孔中凝結有水珠，在過波峰焊時，通孔中的水珠經過預熱溫區後可能還沒有完全揮發完，這些沒有揮發完的水珠接觸到波峰的焊錫時，經受了高溫，就會在短時間內汽化變成蒸汽，而此時正是形成焊點的時候，水汽就會在焊料內產生空隙，或擠出焊料產生錫球。嚴重的話就會形成一個爆點，並在它的周圍分佈有被吹開的細小的錫珠。 假如PCB在包裝開封較長時間後再進行貼片和波峰焊，通孔中也會凝結有水珠；PCB完成貼片後或插裝完成後放置了一段時間，也會凝結水珠。同樣的原因，這些水珠都有可能在波峰焊過程中導致錫珠產生。 因而，作為從事電子裝聯的企業，對製造環境的要求和對產品製造過程中的時間安排顯得特別地重要。貼片完成後的PCB應在24小時內完成插裝並進行波峰焊，假如天氣晴朗乾燥，可以在48小時內完成。 PCB阻焊材料和製作品質 在PCB製造過程中所使用的阻焊膜也是波峰焊產生錫球的原因之一。因為阻焊膜與助焊劑有一定的親合性，阻焊膜加工不良常常會引起錫珠粘附，產生焊錫球。 PCB的製造品質不好也會在波峰焊時產生錫球。如果PCB通孔的孔壁鍍層較薄或者鍍層中有空隙，PCB通孔附著的水分受熱變成蒸汽，水汽就會通過孔壁排出，遇到焊料就會產生錫球。因而在通孔內有造當的鍍層厚度是很關鍵的，孔壁上的鍍層厚度最小應為25m。 PCB通孔中有污垢或不乾淨物質時，在過波峰焊的時候，噴入通孔中的助焊劑不能得到充分的揮發，液體助焊劑和水汽一樣，在遇到波峰時也產生錫珠。 正確的助焊劑選擇 產生焊錫球的原因有很多，但助焊劑是一個主要原因。 一般的低固、免清洗助焊劑比較容易形成錫球，特別是在底面有SMD元件需要雙波峰焊時，這是因為這些助劑不是設計為可以在長時間熱量下使用。如果噴在PCB上的助焊劑在過第一波峰時已經使用完，那它在過第二個波峰時已沒有助焊劑，這樣就不能發揮助焊劑的作用和幫助減少錫球。減少錫球的一個主要方法是對助焊劑的正確選擇。選擇可以經受較長時間熱量的助焊劑。如Alpha公司的NR310和SLS65系列的助焊劑，就是針對這個原因設計的，據資料介紹可以減少90%的焊錫球。 助焊劑的用量與預熱溫度的設置 錫珠的產生也可能是由於波峰焊的一些工藝參數設置不當造成的。波峰焊產生的焊錫球與助焊劑的用量和預熱溫度的設置有關，通常會產生形狀不規則的錫珠。如果預熱溫度設置不當或是增加助焊劑的用量，就可能會影響助焊劑內組成成分的蒸發。 假如助焊劑的噴霧量過多，或預熱溫度設置過低，助焊劑就不能在預熱階段得到蒸發，到達波峰口上面時還有助焊劑的液滴，過多的助焊劑就會在波峰口的焊錫中濺射，出了波峰口後就會有細小錫珠分佈在焊點周圍。 因而，為了消除焊錫球，助焊劑的用量不應過大，一般的經驗是PCB到波峰口時助焊劑剛好蒸發成粘稠狀，沒有液滴往下流，在波峰口上沒有濺射的聲音和煙霧。預熱溫度的設置也應恰當，應能使助焊劑完全蒸發，但又不能過高，這會使PCB和元件受到熱衝擊，預熱溫度一般應使PCB上表面溫度達到110-120。 PCB表面狀態的影響 2000年國際表面貼裝技術學術年會上，Fritz Byle發表的“不斷改善的波峰焊工藝”的試驗研究報告中，認為：助焊劑類型和阻焊膜類型對錫珠的發生量有很大的影響。一般來說，光滑的阻焊膜產生的錫珠量要比粗糙的阻焊膜的錫珠量低得多，如圖5所示。 研究試驗中共採用了四種不同的助焊劑，其中A、B、C為非有機揮發物助焊劑，D是乙醇基的。使用助焊劑C和D可使粗糙阻焊膜的釺料量保持在最低，而助焊劑A對阻焊膜類型的敏感性最低。 Fritz Byle還發現在2mm間距的連接器(插頭座)的無阻焊膜的區域上就沒有錫珠。層板板表面很高的表面積能使助焊劑塗敷均勻和對錫球的粘附力下降。 阻焊膜本身固化不足，造成濺出的釺料粒子容易附著。 熔濕速率不匹配 熔濕速度受合金類型、溫度、助焊劑載體的影響。當元器件引腳或焊盤表面處理層 ( 如鍍錫鉛合金、熱浸錫鉛合金、OSP保護層及化學浸金等 ) 的不同狀況也會影響到錫珠的多寡，其中以熱浸鉛錫合金的保護層產生的錫珠較多。 在生產現埸發現用戶板上的厚膜電路的引腳之間在波峰焊接時錫珠的發生率最高、如圖6所示。 由於公司用的厚膜電路引腳全部是採用熱浸錫鉛合金作保護膜的，這層保護膜在熱浸錫鉛過程中已經形為銅錫合金層 ( 從引腳外觀即可判斷 )。與Sn63 / Pb37相比，其潤濕性明顯劣化，從而導致了熔濕速率的較大差異。我們知道當兩種材料的熔濕速率不一致，在波峰焊接中當焊點與波峰釺料分離時，在引腳表面極易形成顆粒狀錫珠粘附，便會在相鄰的焊點之間產生錫珠，如圖7所示。 PCB浸入波峰深度不合適 波峰高度可能造成過多的釺料在通孔或旁路孔內起泡和飛濺，隨機的錫珠可能附著在PCB板面和元件上。 綜上所述，波峰焊接中產生錫珠的可能原因可綜合歸納如下： PCB在製造或貯存中受潮； 環境濕度大，潮氣在多縫的PCB上凝聚，廠房內又未採取驅潮措施； PCB和元器件拆封後在安裝線上滯留時間過長，增加了吸潮機會； 鍍層和助焊劑不相溶、 助焊劑選用不當； 漏塗助焊劑或塗覆量不合適、助焊劑吸潮夾水； 阻焊層不良，沾附釺料殘渣； 基板加工不良，孔壁粗糙導致槽液積聚，PCB設計時未作熱分析； 預熱溫度選擇不合適； 鍍銀件密集； 釺料波峰形狀選擇不合適。溫度()一分鐘二分鐘三分鐘四分鐘150觀察到飛濺 1-2個飛濺無飛濺無飛濺1601-2個飛濺無飛濺無飛濺無飛濺170無飛濺無飛濺無飛濺無飛濺用焊膏B：92 ( 90% Sn / Pb37合料作試驗 ) 2.2 再流焊接中濺錫珠的形成原因2.2.1 解釋再流焊中錫珠飛濺的幾種理論 再流焊接過程中產生的濺錫珠現象的機理，目前存在下列幾種理論解釋： “小爆炸”理論因 素機 理對飛濺的影響助焊劑載體活性劑 不同的活性劑在再流時不同程度地提高了潤濕和結合速度快速的結合將增加助焊劑被夾住的可能性，將可能增加被夾助焊劑的壓力，因此引起助焊劑爆發性的排出助焊劑載體溶劑及其含量 溶劑類型和含量將影響預熱期間烘乾的程度 增加溶劑含量將引起被夾住的助焊劑更激烈的排出 合金類型 合金影響再流期間的潤濕和結合速度 快速的結合將增加助焊劑被夾住的可能性，將可能增加被夾助焊劑的壓力，因此引起助焊劑爆發性的排出回流氣氛 惰性(氮)環境增加了再流期間的潤濕和結合速度 快速的結合將增加助焊劑被夾住的可能性，將可能增加被夾助焊劑的壓力，因此引起助焊劑爆發性的排出。 釺料熔化速度 更高的熔化溫度增加了再流期間的潤濕和結合速度 快速的結合將增加助焊劑被夾住的可能性，將可能增加被夾助焊劑的壓力，因此引起助焊劑爆發性的排出。阻焊層的選擇 不光滑的表面塗層提供了對殘留的立足之地 快速的結合將增加助焊劑被夾住的可能性，將可能增加被夾助焊劑的壓力，因此引起助焊劑爆發性的排出。 範本開孔的設計避免過多的焊膏沉澱 範本開孔形狀和大小是形成高品質可靠的焊點所要求的足夠的焊膏的關鍵參數，過多的焊膏沉澱是產生釺料珠的主要原因之一。 元件貼裝壓力 易造成焊膏沉澱跑出焊盤焊膏的任何塌落或過高的貼裝壓力都將造成一些焊膏沉澱跑出焊盤，大太地增加了在再流期間釺料珠的形成機會。 該理論認為：再流焊接中焊膏中助焊劑的激烈排氣可能引起熔化焊點中的小爆炸，釺料顆粒在高溫中的飛濺就可能發生。從而促使釺料顆粒在再流腔內空中亂飛，飛濺在PCB上形成錫珠粘附。當PCB材料內部夾有潮氣時，和助焊劑排氣有相同的效果。類似地，PCB板表面上的外來污染也是引起濺錫的原因。 溶劑排放理論 溶劑排放理論認為：焊膏助焊劑中使用的溶劑必須在再流時蒸發。如果使用過高溫度，溶劑會“閃沸”成氣體(類似於在熱鍋上滴水)，把固體帶到空中，隨機散落到板上，成為助焊劑飛濺。為了證實或反駁這個理論，美國專家羅絲.伯思遜等人使用熱板作樣板進行導熱性試驗，並作測試。使用的溫度設定點分別為190、200和220。試驗結論是：不含釺料粉末的膏狀助焊劑在任何情況下都不出現飛濺。可是，含有粉末的助焊劑(焊膏)在釺料熔化和焊接期間始終都有飛濺。顯然溶劑排氣理論不能解釋錫珠飛濺現象。 結合理論： 持此觀點的人認為：當釺料熔化和結合時熔化材料的表面張力 一個很大的力量 在被夾住的助焊劑上施加了壓力，當壓力足夠大時，猛烈地排出。這一理論得到了對BGA內釺料空洞研究者的支持，其中描述了表面張力和助焊劑排氣之間的聯繫(助焊劑排氣率模型)。因此，有力的噴出是錫珠飛濺最可能的原因。接下來的實驗室助焊劑飛濺模擬試驗說明了結合的影響。完全的烘乾大大地減少了飛濺現象，如表1所示。 表1 來自金屬結合的助焊劑飛濺模擬-烘乾的研究 2.2.2 可能引起濺錫珠的因素 根據結合理論建立的結合模型分析，具體影響飛濺現象的潛在因素，如表2所示。 表2 可能引起濺錫珠的因素 總之，任何方法，如果使焊膏粉球可能沉積在PCB上，並在回流過程時仍存在，都可以產生錫珠。包括： 在絲印期間沒有擦拭範本底面(範本髒) 誤印後不適當的清潔方法 絲印期間不小心的處理 基板材料和污染物中過多的潮汽 極快的溫升斜率(超過每秒4) 3 軟釺接中濺錫珠的預防方法3.1 波峰焊接中的預防方法 改進PCB製造工藝，提高孔壁的光潔度， 改進PCB包裝工藝和貯存環境條件； 盡可能縮短在插裝線上的滯留時間，從PCB開封安裝元器件波峰焊接應在24小時完成，特別是濕熱地區尤為重要； PCB上線前預烘， PCB佈線和安裝設計後應作熱分析，避免板面局部形成大量的吸熱區； 安裝和波峰焊接現場溫度應保持在245而相對濕度不應超過65%； 正確地選擇助焊劑，特別是助焊劑所用溶劑的揮發速度要合適。慢了不可，快了也不行； 合理地選擇預熱溫度和時間。溫度過低、時間過短，助焊劑中的溶劑不易揮發，殘留的溶劑過多時進入波峰後溫度急劇升高，溶劑劇烈揮發，在熔融釺料內形成高壓氣泡，爆噴後大量形成錫珠； 盡可能釆用輻射和對流複合預熱方式，加速PCB孔內溶劑的揮發； 加強助焊劑的管理，避免運行過程中的吸潮， 控制好助焊劑的塗覆量，不可過多，也不可過少。多了溶劑過量，預熱中不易揮發，量少了發揮不了助焊劑的作用； 設計上應儘量避免大量採用鍍銀的引腳，因為過量的銀在波峰焊接中易產生氣體； 釺料波峰形狀應保證釺料濺落過程不發生過劇的撞擊運動，避免因撞擊擊出小錫珠。3.2 再流焊接中的預防方法 最小化 優化助焊劑載體的化學成份和再流焊接溫度曲線，將濺錫減到最低。通過評估清楚地表明瞭活性劑、溶劑、合金和再流焊接溫度曲線對濺錫珠程度有重要影響。這些參數的適當調整可以將濺錫珠現象減到最小。 正確選擇助焊劑材料 聚合助焊劑有希望最終提供一個可能最小化的濺錫珠的解決方案，因為潛在的飛濺材料在溫度激化的聚合過程中被包圍。因此，沒有液體助焊劑留下來產生飛濺。 再流溫度曲線的選擇 再流溫度曲線和材料類型兩者都必須調整以使飛濺最小。圖8示出了一條沒有平坦保溫區的線性上升溫度曲線，試驗結果是所有材料都存在一些濺錫現象。基於飛濺機理的假設，這個線性的曲線沒有充分烘乾助焊劑。 圖9所示的基本曲線形狀包括一個160的高溫保溫(烘乾)區，以蒸發所有的溶劑。這種溶劑的揮發增加了剩餘助焊劑的粘性，減少了進入再流區後的揮發成份，因此減少了飛濺。但是，這樣烘乾帶來的潛在問題是釺料的熔濕性變差和易產生空洞。使用惰性氣體(氮氣)可以幫助改善熔濕和減少空洞，但對飛濺卻無效果。結論： 優質的焊膏結合正確的溫度曲線，可以達到實際消除焊錫和助焊劑的飛濺，相對于易揮發溶劑含量高和熔濕速度慢的焊膏可以達到最好的效果。 正確地設計範本開口形狀 前面已討論到範本開孔的形狀是在免洗焊膏應用中的一個關鍵設計參數。是形成具有高可靠性的高品質焊點所要求的足夠的焊膏量的基礎。為了解決在片狀元件上的濺錫珠的問題，在探討各種範本開孔的形狀中，最流行的是homeplate開孔設計(圖10)。據說這種homeplate設計可以在需要的地方準確地提供焊膏，從片狀元件的角上去掉過多的焊膏。可是，homeplate設計會帶來焊膏的粘附區域不足的問題，焊膏提供很小的與零件接觸的面積，因而易造成元件偏位。除此之外，homeplate設計不能消除片狀元件下面和相