怎样消除pcb中的锡珠.doc

消除PCB中的錫珠 本文介紹，一種U形模板開孔確定的錫膏沈澱可以防止錫珠的形成。焊錫由各種金屬合金組成。由印刷電路板(PCB)裝配商使用的錫/鉛合金(Sn63/Pb37)是錫膏和用於波峰焊接的錫條或錫線的典型粉末。在PCB上不是設計所需的位置所找到的焊錫包括錫塵(solder fine)、錫球(solder ball)和錫珠(solder bead)。錫塵是細小的，尺寸接近原始錫膏粉末。對於-325+500的網目尺寸，粉末直徑是25-45微米，或者大約0.0010-0.0018。錫塵是由顆粒的聚結而形成的，所以大於原始的粉末尺寸。錫珠(solder beading)是述語，用來區分一種對片狀元件獨特的錫球(solder balling)(圖一)。錫珠是在錫膏塌落(slump)或在處理期間壓出焊盤時發生的。在回流期間，錫膏從主要的沈澱孤立出來，與來自其他焊盤的多餘錫膏集結，或者從元件身體的側面冒出形成大的錫珠，或者留在元件的下面。圖一、錫珠IPC-A-610 C將0.13mm(0.00512)直徑的錫球或每600mm2(0.9in2)面積上少於五顆分爲第一類可接受的，並作爲第二與第三類的工藝標記2。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、處理或在一個振動應用的最終使用中變成移動的。錫球已經困擾表面貼裝工業許多年。對於只表面貼裝和混合技術的PCB，錫珠在許多技術應用中都遇到。查明相互影響和除掉錫珠的原因可以改善合格率、提供品質、提高長期的可靠性、和降低返工與修理成本。錫珠的原因人們已經將錫珠歸咎於各種原因，包括模板(stencil)開孔的設計、錫膏的成分、阻焊層的選擇、模板清潔度、定位、錫膏的重印、焊盤的過分腐蝕、貼片壓力、回流溫度曲線、波峰焊錫的飛濺、和波峰焊錫的二次回流。3-5模板開孔的設計模板開孔的形狀是在免洗錫膏應用中的一個關鍵設計參數。形成一個具有良好焊腳的高質量可靠的焊接點要求有足夠的錫膏。過多的錫膏沈澱是錫珠的主要原因。爲了解決在片狀元件上的錫珠問題，已經推薦了各種模板設計形式。最流行的是homeplate開孔設計(圖二)。據說這種homeplate設計可以在需要的地方準確地提供錫膏，從片狀元件的角上去掉過多的錫膏。可是，homeplate設計帶來錫膏的粘附區域不足的問題，造成元件偏位。錫膏提供很小的與零件接觸的面積。一個貼裝50%偏位元的零件與濕潤的錫膏接觸的面積甚至更少。除此而外，homeplate設計不能消除片狀元件下面和相鄰位置的錫珠。錫膏還是直接在元件的中間出現，從這裏它可能在回流期間轉移到不希望的位置。在探討各種形狀的模板開孔期間，在片狀元件下面出現過多錫膏的模板設計包括： homeplate模板(圖二) 比矩形片狀元件焊盤形狀減少85%的模板(圖三) 對片狀元件的T形開孔模板(圖四) 圖二、Homeplate開孔模板圖三、減少85%的模板圖四、T形開孔模板homeplate模板減少在片狀元件上的錫珠數量，但是不能完全消除。減少85%的模板有80%的片狀元件出現錫珠。T形模板可去掉50%的錫珠。因此，這三種模板沒有哪個可以持續地消除錫珠，同時在裝配期間提供足夠的粘附力來將元件固定在位。錫膏配方較新一代的錫膏提供較長的模板壽命、提高粘性時間、松脆與持續的印刷清晰度、對各種板和元件金屬的良好的可焊性、以及測試探針可測試殘留物。可是，如果模板設計與回流曲線沒有適當地考慮，需要用來獲得這些特性的溶劑與活性劑成分也可能增加錫珠出現機會。阻焊層的選擇阻焊塗層可以影響到錫膏。阻焊層類型與錫珠出現頻率的關係從過去的經驗上看是明顯的。阻焊層可以有一種不光滑的或光滑的表面塗層。不光滑的塗層傾向於産生較少的錫珠，因爲它提供對殘留的立足之地，因而減少殘留的擴散。光滑的塗層産生較多的錫珠，因爲助焊劑在液態時可能更容易擴散。模板清潔度模板底面的弄髒可能造成錫珠和錫橋。可能的原因包括過高的刮刀(squeegee)壓力、不經常與不正確的模板底部擦拭或圓頂狀焊盤的密封差，圓頂狀焊盤是在使用熱風焊錫均塗法(HASL)對板進行表面塗敷時形成的。定位印刷的定位對維持良好的工藝持續性是關鍵的。錫膏對準不好可能造成錫橋、在焊盤與阻焊之間間隙中的錫塵、和錫珠。對準不好可能消除良好的密封效果和造成錫膏的滲漏。印偏出焊盤的錫膏可能在回流期間不能完全集結。錫膏的疊印與焊盤的過分腐蝕製造比設計大的模板開孔和焊盤的過分腐蝕是疊印的兩個潛在原因。過多的錫膏沈澱在焊盤上是錫珠的主要原因。對於密間距(fine-pitch)元件，存在錫塵的危險。在助焊劑液化和在焊盤之間流動時，對於非焊錫阻焊界頂的焊盤，錫塵可以到達焊盤與阻焊之間的間隙內。這些錫塵可能留在井道內，在回流期間不被吸回到焊接點上。雖然有免洗助焊劑包圍住，不能移動，但是錫塵不應該出現在相鄰焊盤之間，特別是對於QFP(quad flat pack)。在密間距引腳之間的阻焊數量有錫塵的出現有關。減少或消除兩個QFP焊盤之間的阻焊區域可能增加錫塵問題。在最近的一個試驗中，在一個20-mil間距的元件上10個焊盤之間找到47顆錫塵。爲了解決這個問題，開孔的尺寸減小，以提供密封和錫膏在焊盤上乾淨地釋放。減少如下所描述的錫膏開孔消除了錫塵的原因。元件貼裝壓力錫膏的任何塌落或過高的貼裝壓力都將造成一些錫膏沈澱跑出焊盤，大大地增加回流期間錫珠的形成機會。在元件貼裝期間使用適當的壓力將元件直接放到錫膏中，但不會將錫膏擠到一個不希望的位置。回流溫度曲線從錫膏製造商那裏的回流溫度曲線一般提供一個較寬的操作範圍。在這個可接受的範圍內，幾個不同的特性影響助焊劑和焊接點形成的效果。一個慢的線性預熱允許錫膏中的溶劑逐漸蒸發，減少諸如熱塌落和飛濺發生的機會。可接受的升溫率一般低於每秒2C。已經發現每秒1.3C的速率是最有效的。這個速率允許助焊劑緩慢激化，在完成其目的之前不被蒸發掉。回流以上的時間影響與銅基材料形成的金屬間化合物的數量。可接受的回流以上時間爲45-90秒鐘。峰值溫度可以影響産品的長期壽命。溫度越低，元件上的應力越小。一般，除非特殊零件要求，230C是最高溫度。波峰焊錫飛濺波峰焊接工藝也可能造成PCB的元件面上的錫珠。如果助焊劑預熱不適當，在PCB進入波峰之前有水留在板上的話，飛濺就可能發生。隨機的錫球可能附著在PCB和元件上。波峰高度可能造成過多的焊錫在通孔或旁路孔內起泡和飛濺。錫球可能在錫鍋工藝中發生。波峰焊錫的二次回流板通過波峰焊接工藝的速度可能太慢，造成元件面上的第二次回流。慢速可能會讓焊錫移動，造成QFP引腳鬆動。QFP引腳鬆動在外表看上去是好焊點，但在後面的測試中變成開路。有壓力接觸的開路可能允許電路通過測試，而不表現爲開路。製造商推薦的通過預熱和波峰的最高頂面溫度必須維持。焊接試驗一種試驗設計(DOE, design of experiment)用來測量在錫膏、模板開孔設計和回流溫度曲線的預熱部分之間的相互作用，以決定錫珠的原因。使用共晶Sn63/Pb37合金的錫膏包括： 錫膏一：水溶性錫膏 錫膏二：免洗、探針可測試錫膏 錫膏三：合成松香免洗錫膏 錫膏通過在線絲印機來印刷，使用視覺檢查錫膏沈澱的均勻性。刮刀速度每分鐘1.5英寸，用來刮印一英寸厚的錫膏條。使用了兩種不同的模板形狀：矩形的85%焊盤尺寸(圖三)和U形的85%焊盤覆蓋(圖五)。在U形的模板上，片狀元件下面的中間部分是沒有錫膏的。模板材料是0.006厚度的不銹鋼，化學腐蝕。這種設計已經證明可以提供連續的錫膏沈澱。圖五、U形開孔的模板使用的兩種回流溫度曲線主要是其預熱部分不同。錫膏製造商推薦的溫度曲線的特點是很寬的工藝視窗。一條曲線的預熱區是很緩慢和低溫的，升溫率爲每秒1.3C。這條曲線沒有平臺的預熱保溫區，而是緩慢地升溫到峰值溫度。另一條曲線使用一種更傳統形狀的預熱、保溫和升溫到峰值溫度。使用具有上下加熱的強制對流回流焊接爐。壓力均勻。用於本試驗的PCB是124平方英寸、高密度貼裝和貼裝後重量爲381克。由FR-4材料製成，具有光滑的阻焊表面塗層。單在PCB的底面就使用了超過400個片狀元件。使用模板將錫膏印刷到PCB的元件焊盤上。使用自動貼裝設備，PCB裝配得到回流焊接。然後在元件面印刷錫膏，貼裝和回流焊接。在這些操作之後，通孔元件用手工插件到PCB上。然後將板放在一個選擇性焊接託盤上，在一個雙波氮氣覆蓋系統內進行波峰焊接。使用超聲波噴霧將一種低固、水基免洗助焊劑噴霧在PCB的底面上，底面對流加熱用來將它預熱。PCB裝配就這樣連續地製造出來。使用的判斷標準是按照IPC-A-610C。該試驗是一個自由度的方差分析(ANOVA)。試驗設計(DOE)是一個八次運算的基本Plackett-Burman混合電路。回應的變數是錫珠。主要結果該試驗的主要結果在表一中列出。另外，一種圖形技術 - scree plotting - 用來分析該試驗的結果(圖六)。表一、焊接試驗的主要結果設定結果運行系列錫膏曲線模板元件面過錫面81-81升溫U形、85%一個無錫無缺陷79-161升溫85%無缺陷錫珠、所有卡617-241回流85%錫珠錫珠、所有卡525-321回流U形、85%無缺陷無缺陷433-402升溫U形、85%無缺陷兩個錫橋341-482回流85%錫珠、所有卡錫珠、所有卡249-563升溫85%錫珠、所有卡錫珠、所有卡157-643回流U形、85%無缺陷無缺陷圖六、爲錫珠的scree作圖在其他産品上用相同的模板開孔進行了探索性試驗。隨後的試驗證實了對片狀元件使用U形開孔咳消除錫珠。這種U型在其所需要的位置提供準確的錫膏，而沒有在可能造成錫珠從片狀元件身體下面擠出的地方提供錫膏。Scree作圖爲分析方差分析結果提供圖形工具。單詞scree描述的是在懸崖底部的碎石。scree作圖以幅值下降的順序結合方差分析的平方和，將這些點連接形成“懸崖”曲線。圖六中在“懸崖”底部的“碎石”代表背景噪音，而“懸崖”代表資料中出現的重要信號。對錫珠的scree作圖表明了所選摩板開孔的關鍵性。其他的因素不提供信號，不造成錫珠的形成。錫膏中的助焊劑在零件下面交替的焊盤之間結合，細小的錫塵集結成爲錫珠，從片狀元件下面擠出，附著在元件邊上。U形開孔的模板只在其需要的地方出現錫膏，在片狀元件身體的邊緣，不直接在身體的中間下面。這樣一來，如果片狀元件貼放偏離位置，錫膏沈澱足夠在整個過程和回流焊接中維持住零件。在QFP元件上的錫塵通過減少焊