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安迪生國際股份有限公司育嘉電子廠焊錫人員培訓教材(三)焊錫不良原因用其對策第一章 概論一. 影響焊接不良的三大基本因素 1.材料因素 A 化學材料: 助焊劑.油.錫.清潔劑 B PCB的包覆材料: 防氧化樹脂.防焊油墨.印刷油墨 2. 焊錫性的因素. 即所有焊錫表面(如零件.PCB之PAD及電鍍貫穿)之焊錫性3. 生產設備的偏差因素A. 直接因素:機器設備和維修的偏差以及外來因素.溫度.輸送帶的速度.浸泡的深度等B. 間接因素:通風.氣壓.電壓的變化二. 找出和解決問題的步驟及方法1. 機器設備(變數最小)可用獨特的電子儀器輔助檢查,如用溫度計檢測各項溫度,用儀表精確地校正機器參數等. 注: 在任何情況下,盡量不要想調整機器設備來克服一些短暫或偶然出現的焊錫間題.這樣的調整可能會導臻更大的間題發生.2焊錫材料 如助焊劑的比重.透明度,顏色,離子含量等及錫鉛合金的純度. (定期.不定期地抽檢)3 PCB及零件的焊錫性不良,是造成間題最大的因素.4. 檢查貫穿孔(PTH)的品質.沖孔.鑽孔等缺點,用放大鏡檢查貫穿孔表是否平整,干凈或其他雜質,斷裂或電鍍的厚度標不標準.第二章 潤焊不良(Non-wetting) 焊錫性的良否,取決于被焊物是否能得到良好的潤焊,基本上,焊錫能潤焊銅墊或其他金屬,而這些金屬表面不能被氧化物所覆蓋或沾到其他雜質(如灰塵,有機化合物等),潤焊不好,都是被焊物表面不干凈所造成.一什麼叫潤焊不良 潤焊不良是當焊錫時,錫無法全面的包覆被焊物表面,而讓焊接物表面的金屬裸露,這種情形特別容易在裸銅板發生,主要是錫的內聚力所造成. 潤焊不均勻:是焊錫時,錫有全面覆蓋整個錫面,即有達到潤焊的程度,此時被焊金屬與錫合金有“金屬共熔反應”發生,但是當焊接表面冷卻的過程中,潤焊性開始減小,而錫的內聚性開始增加,原本平整的錫面因為二者張力不能平衡,所以會有一部分液態錫被拉開,而以上反角度固化成球狀或珠狀.此時焊錫面只有小量的錫鉛合金真正地與被焊物表面達成金屬與金屬較厚的結合,至于那些較薄的錫面,肉眼看來是包覆整個銅面,但是在高能的顯徽鏡下,還是會發現肉眼看不到的潤焊不良現象.潤焊不良是不能被接受的,它們嚴重減低了焊點的耐久性和嚴展性,同時也降低了焊點的導電性及導熱性.影響潤焊不良的主要因素大都是助焊劑在焊接前沒有徹底的清除焊接面氧化膜的步驟,還有焊接時間的長短,溫度的高低也會促使潤焊不良的發生.二潤焊不良的原因及其對策1. 外界的污染 PCB和零件都有可能被污染,污染物包含油.漆.蠟.脂等, 統稱為雜質(dirt)可用適當的清潔方式清除. A:傳統溶劑蒸氣清洗已成功的被廣泛應用,但必須選擇不傷害PCB材質的電子級溶劑,避免有害物質的殘留. B:可用水性清洗劑清洗,但要確定這些雜質是否溶于水. C:PCB表面的防焊油墨,只能以摩擦或工具去除,但容易埋藏一些極小的粒子于PCB表面.2. 埋藏的粒子-非金屬雜質.最好的處理方法是用化學藥品進行整面的觸刻.3. 矽利康油-潤焊的毒藥.造成矽污染的來源.A:包裝塑膠袋由于使用矽來作為生產脫劑.B:過錫前所涂的散熱劑.C:廠內環境矽合物的使用.解決矽油的辦法: 保持干凈和嚴格的控制.(除此之外,別無他法.)4. 嚴重氧化膜 A:氧化膜的形成: 金屬表面只要接觸空气,氧化膜就會形成.一般易被助焊劑清除,但PCB儲存不當(比如暴露在空氣中時間過長或制造流程不良.烘干的過程不當,都會造成相當嚴重的氧化,助焊劑也莫可奈何. B:氧化膜的解決方法(1) 活性較強的助焊劑可以去除嚴重的氧化膜,但只能針對某些特殊的狀況使用,因使用這類(超規格的)助焊劑后,須注意其殘留物對于品質的影響,必須有嚴格的品保及追蹤,以確保產品的壽命.(2) PCB可用較強的助焊劑進行噴錫或滾錫的作業,然后再以水或溶劑滑洗,即先借由強活性助焊劑去除氧化膜后,再以錫包覆,防止氧化.(3) 可用化學溶劑進行蝕刻,即用強酸類的溶液適當稀釋后擦拭氧化線路,適當清洗后馬上插件過錫,否則會造成更嚴重的氧化.(4) 過錫時間不夠或預熱溫度不夠,會使助焊劑不夠時間清除氧化膜,若能延長過錫時間及加強預熱效果,絕對有助于氧化膜的去除.5. 錫鉛合金(solder alloy)A:檢查錫爐內的錫鉛合金成份(如下表)由于焊條中含有不純物質而影響之事頂如下銻增加少量,其張力增大,焊條堅硬又脆,而融點會升高銅含有0.02%以上時會變脆,含量愈多融點愈升高高純度焊條含有0.001%,含有量增加其融點會下降鋅含有0.001%,光澤性會消失,流動性壞鐵焊條之光澤性變壞,接著力會降低鋁與鋅一樣有害,而流動性更壞 B:建立標準的作業指導書,讓作業人員有依可循,降低人為疏失的變數.第三章 潤焊不均勻 潤焊不均勻和潤焊不良很類儺,都是不能被接受的缺點.潤焊不均勻的產生: 當焊錫原本已經潤焊焊接物表面,但經過一段時間后,部份的錫因不能附著而以液態狀況堆積,當時錫的內聚力會把這些堆積的液態錫形成 “小滴狀”,使錫而不再平整. 一.造成潤焊不均勻的原因: 1.焊接表面受污染(氧化) 2.裸銅板的鍍錫加工.問題不是在PCB鍍錫后的鍍錫層表面,而是在裸板與鍍錫之界面.其問題同樣發生在鍍錫板,因為焊錫過程中,錫的內聚力負責把錫平整的拉回,若是焊接面受污染而不能均勻潤焊時,此時焊面的表面張力也會不均勻,部份錫的 “流動力”會大于錫的內聚力,而使錫脫落,造成不均勻的表面. 二.解決方法:1. 用化學溶濟剝離.清潔表面的氧化膜后重新焊接.2. 高溫氧刀熔錫( 即PCB浸在熔融錫拿出后以強力把錫吹平).再用活性強的助焊劑來進行焊接.3. 當問題發生在零件腳旁時,多次浸錫或過錫則可改善.第四章 錫球一:錫球的產生 錫球大多數發生在PCB零件面,因為錫本身的內聚力之因素,使這些錫顆粒之外觀呈現球狀.它們通常隨著助焊劑因固化的過程附著在PCB表面,有時也會埋藏在PCB塑膠物表面如防焊油墨或印刷油墨,因為這些油墨過錫時全有一段軟化過程,也容易沾錫球. 大部分錫球的產生都是PCB過錫時未干的助焊劑揮發或助焊劑含水量過高,當瞬間接觸高溫的溶融錫時,氣體體積大量膨脹,造成錫的爆發,錫就被噴出而形成錫球.二.錫球產生的原因1. PCB預熱不夠,導致表面的助焊劑未干.2. 助焊劑的配方中含水量過高3. 不良的貫穿孔(PTH)4. 工廠環境濕度過高三. 濕氣及水氣的來源1. 滿裝的助焊劑桶(2001或201)曝露在雨中時水氣會聚集在開口周圍,當溫度變化時,會把水氣從松動的開口處吸入桶內,所以有遮避和倉庫及隨時檢查助焊劑桶的開口是否緊閉,對助焊劑的儲存是很重要的.2. 在發泡過程中,空氣壓縮機會夾帶大量的水氣及油污進入發泡槽內,所以加裝水過濾器,隨時保養檢查是至關重要的工作.3. 制程中要注意是否有濕的零件或工具參與其中.4. 使用氣刀作業,除了幫忙預熱之不足外,更可預防夾具帶水分回來,而污染發泡槽.錫球是焊錫過程中任何時間孝可能發生的缺點,造成信賴度嚴重的傷害,為了避免它,預防是唯一可尋的辦法.第五章: 冷焊一.冷焊的定義: 指焊點不平滑如破碎玻璃的表面一般二. 冷焊的產生: 焊點凝固過程中,零件與PCB相互的移動所形成,這種相 互移動的動作影響錫鉛合金該有的結晶過程,降低了整個 合金的強度,當冷焊嚴重時,焊點表面甚至會有細微裂縫 右斷裂的情況發生!三. 造成冷焊的原因1. 輸送軌道的皮帶振動2. 機械軸承右馬達轉動不平衡3. 抽風設備或電扇太強4. PCB已流過輸送軌道出口,錫還未干5. 補焊人員的作業疏忽四. 預防矯正措施PCB過錫后,保持輸送軌道的平衡,讓錫鉛合金固化的過程中,得到完美的結晶,當冷焊發生時可用補焊的方式整修,若冷焊嚴重時,則可考慮重新過一次錫.第六章:焊點不完整一. 焊孔錫不足 在單層板,雙層板,多層板,焊點四周360都沒有被錫包覆.二. 貫穿孔潤焊不良 錫沒有完全潤焊到孔壁頂端,此情形只發生雙層及多層板.三. 焊點不完整產生的原因 分析以下的項目以前,必須先完成機器及材料的檢查,如溫度速度,助焊劑,鉛錫合金等.確定問題不是來自機器和材料時,則可循下列項目逐一檢查,改善.A. 焊孔錫不足發生的原因:1. 零件及PCB本身的焊錫性不良.2. 貫穿孔里面不干凈.3. 防焊油量流入貫穿孔內或沾到銅墊表面(單層板).4. 零件孔及零件腳的比率不正確.5. 錫波不穩定或輸送帶振動.B. 貫穿孔壁潤焊不良發生的原因.1. 零件及PCB本身的焊錫性不良.2. 貫穿孔壁有斷裂或雜物殘留.3. 貫穿孔受污染.4. 防焊油量流入貫穿孔內.5. 助焊劑因過度受熱而沒有活性.四. 不良分析:1. 當以上這些問題發生在某幾批零件或PCB時可以查看並比較其 他批次的零件或PCB,找出其差異性,或注意其所標廠商的制程是 否有變動. 2.當問題發生在某些特定的零件時,可能是當初的設計沒有考 “熱 平衡問題”.即PCB焊錫點的溫度分布不均衡所導致. 致于貫穿孔的錫位高度,各廠視產品的要求,應該要有自己的標準 以幾層板而言,IPC規定貫穿孔頂點的錫位高度可以允許25%的 下落,(如前圖,以PCB的厚度為標準).但雖然下落25%其貫穿孔 壁四周必須完全潤焊才算通過.若以多層板而言,很多廠商則規定貫穿孔必須補滿才可 第七章 包焊 一. 包焊的定義: 包焊是指焊點的四周被過多的錫包覆而不能斷定其是否為標準焊點.良好的焊點應是表面,頂端及底部必須潤焊良好.成弧度標準的錐狀.二. 造成包焊的原因:1. 過錫的深度不正確.2. 預熱或爐溫不足.3. 助焊劑活性與比重的選擇不當.4. 不適當的油脂物夾混在焊錫流程.5. 錫的成分不標準或已經嚴重污染.三. 改善對策: 最有效的方法是再過一次錫,但必須讓PCB靜置4-6小時,讓PCB的樹脂結構能恢復強度,否則會造成熱破壞. 包錫的發生會嚴重影響產品的信賴度,它會掩蓋焊錫的缺點,不論在機械強度電气特性或標準外觀,都會造成令人頭疼的問題.所以沒有任何焊錫標準允許嚴重的包錫發生.第八章 冰柱一. 冰柱的產生:冰柱是形容焊點的形狀,其發生的原因是當熔融錫接觸被焊物時,因溫度大量流失,而急速冷卻,來不及達成潤焊的任務,而拉成尖銳如冰柱之形狀.它們常發生在錫波焊接(Wave solder)浸錫焊接(Dip solder)及手焊接(Touchup)的流程.發生點包括:插焊點,焊接面,零件腳,甚至也發生在浸錫的設備或工具.二.各流程造成冰柱的原因及對策.1. 手焊:當用烙鐵手焊時,焊點及烙鐵尖端有 “小旗”狀的發生,這種情況是因為溫度傳導不夠,造成錫的急劇冷卻所致,也就是烙鐵的 “熱量”不夠.解決的辦法並不是一味的加高烙鐵的溫度,但熱供應更大的烙鐵,即熱含量較高,溫度穩定的烙鐵,或改用接觸面積較大的烙鐵頭.烙鐵尖端保持干凈.適當的焊條,正確的手焊技術,也有助于解決 “冰柱”的問題 錫波焊及浸錫焊接： 以自動錫爐焊錫所造成的冰柱，其原因相當復雜，除了“溫度傳 導”問題外，其他如“焊錫性”，“設計”及“機器設備”也會 影響A. 溫度傳導（） 機器設備或使用工具溫度輸出不均衡（） PCB表面太大的焊接設計，或密集的焊接物，過錫時局部吸熱造成熱傳導不均（） 太重的金屬零件吸熱B. 焊錫性（） PCB或零件本身的焊錫性不良（） 助焊劑的活性不夠C. 設計（）零件腳與零件孔的比率不正確（）PCB表面焊接區域太大時，造成表面熔錫，凝固慢，流動性大（） 沒插零件的貫穿孔太大D. 機器設備：（） PCB過錫太深（） 錫波流動不穩定（） 手動或自動錫爐的錫面有錫渣或浮懸物解決冰柱的方法首先須判斷其來源，溫度傳導及機器設備的問題可以用檢測的方式調整設計的問題則必須改善原始設計，或以手焊來克服至于焊錫性不良，則必須用其他方法解決（參考第一章）.第九章 架橋架橋發生在時會造成PCB短路,焊點與焊點相連,其原因可能 來自吃錫過剩.(excess solder).架橋主要起因于:一.PCB線路設計:1. PCB焊接面沒有考慮到錫流的排放(未按照設計準則),所以當錫流經過時,易造成堆積而形成架橋.2. PCB過錫后,焊點或其他焊接線路未干的熔錫流動,沾到附近的焊點或線路而形成.3. PCB線路設計太近.4. 零件彎腳不規律或零件腳彼此太接近. 二.焊錫材料:1. PCB或零件腳有錫或銅等金屬之雜物殘留.2. PCB或零件腳焊錫性不良.3. 助焊劑活性不夠.4. 錫鉛合金受到污染. 三.機器設備: 1.預熱不夠. 2.錫波表面冒出浮渣. 3.PCB沾錫太深.當發現架橋,可用手焊分離.第十章 錫和零件的短路(Short)短路(short circuit)通常稱 “short”,有些短路是發生在PCB防焊油墨包覆下的線路,或發在零件與零件相互接觸.發生短路時,PCB本身的電气性能是絕對不能動作的,此時,可以用各种自動測試儀器檢測,並加以矯正.但PCB若是因為溫度的變化,振動或沖擊而有間歇性的短路發生時,就很難正確地檢測其位置,當碰到這類間歇性短路的情況時,可以根據以下不同的情況來進行分析與檢查:一. 短路發生在防焊油墨包覆下的線路此原因的發生主要是PCB底層線路作鍍錫或噴錫加工時,鍍錫過厚.因為鍍錫板過錫時,有些鍍錫會再次被2500的熔錫所熔化,而四處流動,大部分是流到底部,當繼續被熔化的瞬間PCB本身的材質及防焊油墨會產生很大的張力,導致熔融狀態的錫會移動,這瞬間的強力推擠,常會把錫擠到金屬線 路設計很近的雙層板或SMT板.解決方法: 1.PCB鍍錫或噴錫作業時,盡量減少錫的厚度,這種方法可以 降低防焊油墨包覆下錫的含量. 2.PCB線路設計時,盡量拉開線路距離.二. 短路發生在零件與零件時A. 設計問題:1. 露出的線路太靠近焊點頂端.2. 金屬零件或腳線太靠近露出的線路.3. 零件或腳線