回流焊溅锡问题解析

1、回流焊溅锡问题解析在回流之后，内存模块的连接器“金手指”可能出现溅锡的污染， 这意味着产品的品质和可靠性问题和制造流程问题。溅锡只是表面污染的一种， 其它类型包括水渍污染和助焊剂飞溅。 这些影响较小，但由于焊锡飞溅，焊锡已实际上熔湿了“金手指”的 表面。“小爆炸”溅锡有许多原因， 不一定是回流焊接时热的或熔化的焊锡爆发性 的排气结果。例如，通过观察过程，以保证锡膏丝印时的最佳清洁度， 溅锡问题可以减少或消除。任何方法， 如果使锡膏粉球可能沉积在金手指上， 并在回流过程 时仍存在，都可以产生溅锡。包括：1. 在丝印期间没有擦拭模板底面 （模板脏 ）2. 误印后不适当的清洁方法3. 丝印期间不小心

2、的处理4. 机板材料和污染物中过多的潮汽5. 极快的温升斜率 （ 超过每秒 4C）在后面的原因中， 助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊接点中的小 爆炸，促使焊锡颗粒变成在回流腔内空中乱飞，飞溅在 PCB上，污染 连接器的“金手指”。PCB材料内夹住潮气的情况是一样的，和助焊剂排气有相同的效果。类似地，板表面上的外来污染也引起溅锡。溅锡的影响虽然人们对溅锡可能对连接器接口有有害的影响的关注， 还没有 得到证实，但它仍然是个问题，因为轻微的飞溅“锡块”产生对连接 器金手指平面的破坏。这些锡块是不柔顺的，锡本身比金导电性差， 特别是遭受氧化之后。第一个最容易的消除溅锡的方法是在锡膏的模板丝印过程。 如果

3、 这个过程是产生溅锡的原因的话， 那么通过良好的设备的管理及保养 来得到控制， 包括适当的丝印机设定和操作员培训。 如果原因不在这 里，那么必须检查其它方面。水印污染：其根本原因还未完全理解，虽然可能涉及许多根源。 因为已经显示清洁的、未加工的、无锡膏的和没有加元件的板，在回 流后也会产生水印污染，所以其中包括了许多的原因：PCB制造残留、 炉中的凝结物、干助焊剂的飞溅、清洗板的残留和导热金的变色等。水印污染经常难于发现， 但其对连接器接口似乎并无影响。 事实 上内存模块的使用者并不关心这类表面污染，常常看作为金的变色。助焊剂飞溅：一般理解为，助焊剂水滴在回流炉中变成空中乱飞， 分散和附着在整

4、个板上， 包括金手指。 有两种理论试图说明助焊剂飞溅：溶剂排放理论和合并理论（丝印期间的清洁再次认为有影响，但 可控制）。.溶剂排放理论：认为锡膏助焊剂中使用的溶剂必须在回流时蒸发。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，使用热板对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 C, 200 C和220 G膏状 的助焊剂（不含焊锡粉末）在任何情况下都不出现飞溅。可是，锡膏（含 有粉末的助焊剂）在焊锡熔化和焊接期间始终都有飞溅。表一和表二 是结果。表一、溶剂排气模拟试验测试描述材料结果

5、助焊剂载体（无粉末）印 于铜箔试样，放于设定为 190 C、200 C和220 C的热板上助焊剂载体B助焊剂载体D在试样上没有明显的助焊剂飞溅，第二次结果相似将锡膏印于铜箔试样，*锡膏B： 90%金属含两种金属含量都可以看放于设定为190 C、量，Sn 63/Pb3 7,到助焊剂飞溅，金属含200 C和 220 C的热板-325/+500量较咼的产生飞溅可能上回流*锡膏D: 92%金属含较少，但很难说。第二量，Sn 63/Pb3 7,-325/+500次结果相似助焊剂A: Kester244，助焊剂B: 92,助焊剂C: 92J,助焊剂D: 51SC助焊剂E: 73D,助焊剂F: 75表二、从

6、金属焊接中的助焊剂飞溅模拟试验测试描述材料结果锡膏（有粉末）印于铜箔 试样，放于设疋为190C 200 C和 220 C 的热板上锡膏 B, 90%,Sn 63/Pb37,-325/+500锡膏 D, 90%,Sn 63/Pb37,-325/+500在所有温度设定 上,锡膏B明显比 锡膏D湿润较快， 结合更积极，结果 助焊剂飞溅较多*也看到锡膏D在所 有温度上的助焊 剂飞溅，但比锡膏 程度要小温度越高，飞溅越 厉害保温区（干燥）模拟-锡 膏印于铜箔试样，在设 定不同的温度热板上预锡膏 B, 90%,Sn 63/Pb37,*在较高温度下保温超过2分钟，减少或消除了助焊热不同的时间，保温范围 15

7、0 C170 C,时间14分钟。试样然后转到 第二块热板上，以220C回流，并观察助焊剂飞 溅。-325/+500剂飞溅Sn62的锡膏和Sn63的锡 膏比较，看是否Sn62较 慢的结合速度会减少飞 溅锡膏B： 90%金属含量，Sn 63/Pb3 7, -325/+500锡膏 B: 90%，Sn62/Pb36/Ag2，-325/+500 Sn62和Sn63都观察到助焊剂飞溅，飞溅数量的差别 肉眼观察不出，观 察到Sn62的结合 速度较慢助焊剂A： Kester244，助焊剂B： 92,助焊剂C助焊剂E： 73D,助焊剂F： 75:92J，助焊剂 D: 51SC可以推断，如果助焊剂沸腾引起飞溅，那

8、么当助焊剂单独加热时 应该看到。可是，由于飞溅是在焊锡结合时观察到的，这里应该可找 到其作用原理。测试说明溶剂排气理论不能解释助焊剂飞溅。结合理论：当焊锡熔化和结合时熔化材料的表面张力一一个很大的力 量一在被夹住的助焊剂上施加压力，当足够大时，猛烈地排出。这一 理论得到了对BGA装配内焊锡空洞的研究的支持，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，有力的喷出是助焊剂飞溅最可能的原因。接下来的实验室助焊剂飞溅模拟说明了结合的影响，甚至当锡膏在回流前已烘干。尽管如此，完全的烘干大 大地减少了飞溅（表三）。表三、来自金属结合的助焊剂飞溅模拟一烘干研究温度一分钟二分钟三分钟

9、四分钟150oC观察到飞溅1-2飞溅无飞溅无飞溅I6O0C1-2飞溅无飞溅无飞溅无飞溅170oC无飞溅无飞溅无飞溅无飞溅用锡膏B90%Sn63/Pb3洽金作试验熔湿速度因为结合模型看来会成功，所以调查了各种材料的熔湿速度。 熔 湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境的影响。如图一所 说明，温度对熔湿速度有戏剧性的影响，温度越高，速度越快。图一、一种焊锡配方在不同温度测试的熔湿速度， 影响因素包括合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境材料B, SH63SJ0吋頂李宁成博士在其论文，“通过缺陷机制分析优化回流曲线”中说，惰 性气体（氮）也会增加熔湿速度。SMT专栏作家珍尼.黄博士和其它人 的报

10、告说，共晶合金的熔湿速度倾向于比非共晶材料快。因此，Sn63/Pb37 般比Sn62/Pb36/Ag2熔湿速度更快。影响熔湿、从而影 响结合和潜在飞溅的因素如表四所示。表四、可能引起溅锡的因素因素机制对飞溅的影响助焊剂载体活性剂不同的活性剂在回流时提高不同程度的湿润和结合速度快速的结合将增加助 焊剂被夹住的可能性， 将可能增加受夹助焊 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程度增加溶剂含量将引起受夹住焊剂更激烈的排出合金类型合金影响回流期间的湿润和结合速度快速的结合将增加助 焊剂被夹住的可能性， 将可能增加受夹助焊 剂的压力，因此引起助

11、焊剂爆发性的排出。回流气氛惰性（氮）环境增加回流期间的湿润和结合速度快速的结合将增加助 焊剂被夹住的可能性， 将可能增加受夹助焊 剂的压力，因此引起助 焊剂爆发性的排出。焊锡熔化温度更高的熔化温度增加回流期间的湿润和结合速度快速的结合将增加助 焊剂被夹住的可能性， 将可能增加受夹助焊 剂的压力，因此引起助 焊剂爆发性的排出。溅锡的解决方案预防：防止溅锡沉积的一个方法就是在金手指上涂敷一层可驳除的阻焊层，在丝印锡膏后涂敷，回流后拿掉。这个方法还没有印证， 可能成本高，因为牵涉手工作业，涂敷板上选择性区域会造成困难， 中断生产流水作业。 另外可选择在金手指上贴临时胶带。 这个方法也 有同样的缺点。

12、最小化：优化助焊剂载体的化学成份，和回流温度曲线，将溅锡 减到最低。为了证明这一点，得到内存模块制造商的支持，通过评估 对材料和回流温度曲线优化的影响， 来评价表准锡膏系统。 清楚地表 明活性剂、溶剂、合金和回流温度曲线对溅锡程度有重要影响。 因此， 有信心着手解决问题，这些参数的适当调整可以将溅锡减到最小。非标准材料， 如聚合助焊剂系统由于成本高、 货架寿命丝印寿命 短、工艺变化范围小、并返工困难，不包括在本研究范围。但是，聚 合助焊剂有希望最终提供一个可能最小化的溅锡解决方案， 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。测试样板是一块六个小板

13、的内存模块，没有贴装元件。 （ 已发现 元件回减小溅锡的影响，因为元件会阻隔助焊剂从金手指上排出 ） 。 现有生产材料和温度曲线作基本的试验条件 （ 表五） 。生产电路板的飞 溅水平大约每 100 块组合板有一个飞溅锡球。两个工程师通过 20倍 的显微镜观察所有的板，以评估溅锡程度。表五、测试材料助焊剂载体描述相对湿润速度溶剂含量回流环境溶剂挥发性助焊剂A现有生产材料（内 存模块制造商的） 中等残留，RMA型未知中推荐惰性高助焊剂B高级、高性能、长丝印寿命，中等残留快中空气或惰性低助焊剂C高级、高性能、长 丝印寿命，中等残 留快中空气或惰性低助焊剂D高性能、RMA型,长丝印寿命，中等残留慢中空

14、气或惰性低助焊剂E低残留，高溶剂含量，空气或氮气回流慢高推荐惰性中助焊剂F极低残留，惰性回慢高惰性中流助焊剂 A:Kester244,B:92,C:92J,D:51SC,E:73D,F:75在线研究中使用不同特性的表准锡膏。 根据其不同的湿润速度和 溶剂性能来选择这些材料。为减少研究中的变量参数，所有锡膏使用 同一种合金：Sn63/Pb37,粒度-325/+500 目。最小化试验结果回流温度曲线的选择：试验期间得到明确，回流曲线和材料类型 两者都必须调整以使飞溅最小。测试使用的两条主要的回流曲线不同 在于其保温区的特性。没有平坦保温区的线性上升温度曲线（图二）结果是所有材料都存在一些溅锡，在原

15、来的生产材料上增加了溅锡。 因此，这个曲线形状没有作继续研究。基于飞溅机制的假设，这个线 性的曲线没有充分烘干助焊剂。一个更有前途的基本曲线形状包括一个 160oC的高温保温（烘 干），以蒸发所有溶剂（图三）。这种溶剂失散增加助焊剂剩余的粘性， 减少挥发成份，因此减少飞溅。可是，这样烘干的潜在问题包括熔湿 变差和产生空洞。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。这个曲线也是一个“长”曲线，消除了过快温升 率的需要（最高每秒175oC）。250时间（秒）图二、线性温升曲线，没有保温平台区，对任何焊锡和助焊剂材料都造成一些溅锡图三、有一个高温保温区的温度曲线，溶剂的消失

16、提高余下的助焊剂粘性，因此减少溅锡所有温度曲线研究的结果在图四和表六中总结。 光板上测得的飞 溅程度，在已贴装元件的生产板上大大减少。估计表明，光板上少于 10-20个飞溅锡球，将在贴装元件板上不产生飞溅。因此，助焊剂类 型D, E和F（表五）都提供了可行的溅锡解决方案。D型助焊剂载体有 其它有点，工艺范围大和可以空气回流。三种材料的特点都是熔湿速度慢，但溶剂种类不同，这显示所有溶剂都可以有效烘干，熔湿速度 才是助焊剂飞溅的关键因素。Seriesl:平坦、滞色的助焊剂小滴数量Series2:有形、光泽的助焊剂小滴数量表六、材料研究结果锡膏类型SerieslSeries2带速环境助焊剂A03426” /min氮气助焊剂A04226” /min氮气助焊剂B12526” /min氮气助焊剂B42026” /min氮气助焊剂B02126” /min空气9Z：daZ：3SI，9：arS6：96：am-ieisei：v 拠削伯U!UJ/ “9乙0VU!UJ/ “9乙0乙T医吉屮U!UJ/ “9乙03闽吉傅U!UJ/ “9乙03闽吉傅U!UJ/ “9乙P0a fO傅U!UJ/ “9乙乙0a fO傅U!UJ/ “9乙乙0a fO傅U!UJ/ “9乙00a fO傅U!UJ/ “9乙90o fO傅U!UJ/ “9乙L乙o fO傅U!UJ/