焊錫膏使用中的常見問題分析_佛山市順德區昊瑞電子科技有限公司
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焊錫膏(gāo)使用中的常見(jian)問題分析

上傳(chuán)時間:2014-2-27 8:44:26  作者:昊瑞(rui)電子


       焊錫膏使(shǐ)用中的常見問(wèn)題分析

  焊膏的(de)回流焊接是用(yong)在smt裝配工藝中(zhong)的主要闆級互(hu)連方法,這種焊(han)接方法把所需(xū)要的焊接特性(xìng)極好地結合在(zai)一起,這些特性(xìng)包括易于加工(gong)、對各種SMT設計有(yǒu)廣泛的兼容性(xing),具有高的焊接(jiē)可靠性以及成(chéng)本低等;然而,在(zai)回流焊接被用(yong)作爲最重要的(de)SMT元件級和闆級(ji)互連方法的時(shi)候,它也受到要(yào)求進一步改進(jìn)焊接性能的挑(tiāo)戰,事實上,回流(liu)焊接技術能否(fou)經受住這一挑(tiao)戰将決定焊膏(gao)能否繼續作爲(wèi)首要的SMT焊接材(cái)料,尤其是在超(chāo)細微間距技術(shù)不斷取得進展(zhǎn)的情況之下。下(xià)面我們将探讨(tao)影響改進回流(liu)焊接性能的幾(jǐ)個主要問題,爲(wèi)發激發工業界(jiè)研究出解決這(zhe)一課題的新方(fang)法,我們分别對(duì)每個問題簡要(yao)介紹。
  底面元件(jiàn)的固定

  雙面回(huí)流焊接已采用(yong)多年,在此,先對(duì)第一面進行印(yìn)刷布線,安裝元(yuan)件和軟熔,然後(hou)翻過來對電路(lu)闆的另一面進(jin)行加工處理,爲(wei)了更加節省起(qǐ)見,某些工藝省(sheng)去了對第一面(mian)的軟熔,而是同(tong)時軟熔頂面和(hé)底面,典型的例(li)子是電路闆底(dǐ)面上僅裝有小(xiao)的元件,如芯片(piàn)電容器和芯片(piàn)電阻器,由于印(yìn)刷電路闆(PCB)的設(shè)計越來越複雜(zá),裝在底面上的(de)元件也越來越(yue)大,結果軟熔時(shi)元件脫落成爲(wèi)一個重要的問(wen)題。顯然,元件脫(tuo)落現象是由于(yú)軟熔時熔化了(le)的焊料對元件(jiàn)的垂直固定力(li)不足,而垂直固(gù)定力不足可歸(gui)因于元件重量(liang)增加,元件的可(kě)焊性差,焊劑的(de)潤濕性或焊料(liào)量不足等。其中(zhōng),第一個因素是(shì)最根本的原因(yīn)。如果在對後面(mian)的三個因素加(jia)以改進後仍有(yǒu)元件脫落現象(xiàng)存在,就必須使(shǐ)用SMT粘結劑。顯然(ran),使用粘結劑将(jiang)會使軟熔時元(yuán)件自對準的效(xiào)果變差。

  未焊滿(mǎn)

  2,焊膏的觸變(biàn)性能太差或是(shì)焊膏的粘度在(zai)剪切後恢複太(tai)慢;

  3,金屬負荷或(huo)固體含量太低(di);

  4,粉料粒度分布(bù)太廣;

  5;焊劑表面(miàn)張力太小。但是(shì),坍落并非必然(rán)引起未焊滿,在(zài)軟熔時,熔化了(le)的未焊滿焊料(liao)在表面張力的(de)推動下有斷開(kai)的可能,焊料流(liú)失現象将使未(wei)焊滿問題變得(dé)更加嚴重。在此(ci)情況下,由于焊(hàn)料流失而聚集(ji)在某一區域的(de)過量的焊料将(jiang)會使熔融焊料(liào)變得過多而不(bú)易斷開。

  除了引(yǐn)起焊膏坍落的(de)因素而外,下面(mian)的因素也引起(qǐ)未滿焊的常見(jian)原因:

  1,相對于焊(han)點之間的空間(jian)而言,焊膏熔敷(fū)太多;

  2,加熱溫度(dù)過高;

  3,焊膏受熱(rè)速度比電路闆(pan)更快;

  4,焊劑潤濕(shī)速度太快;

  5,焊劑(ji)蒸氣壓太低;

  6;焊(han)劑的溶劑成分(fèn)太高;

  7,焊劑樹脂(zhi)軟化點太低。

  斷(duan)續潤濕

  焊料膜(mó)的斷續潤濕是(shi)指有水出現在(zài)光滑的表面上(shàng)(1.4.5.),這是由于焊料(liao)能粘附在大多(duo)數的固體金屬(shu)表面上,并且在(zai)熔化了的焊料(liào)覆蓋層下隐藏(cang)着某些未被潤(rùn)濕的點,因此,在(zài)最初用熔化的(de)焊料來覆蓋表(biǎo)面時,會有斷續(xù)潤濕現象出現(xian)。亞穩态的熔融(róng)焊料覆蓋層在(zài)最小表面能驅(qu)動力的作用下(xia)會發生收縮,不(bu)一會兒之後就(jiù)聚集成分離的(de)小球和脊狀秃(tū)起物。斷續潤濕(shi)也能由部件與(yu)熔化的焊料相(xiang)接觸時放出的(de)氣體而引起。由(you)于有機物的熱(rè)分解或無機物(wù)的水合作用而(er)釋放的水分都(dōu)會産生氣體。水(shuǐ)蒸氣是這些有(you)關氣體的最常(chang)見的成份,在焊(han)接溫度下,水蒸(zhēng)氣具極強的氧(yǎng)化作用,能夠氧(yang)化熔融焊料膜(mó)的表面或某些(xie)表面下的界面(mian)(典型的例子是(shì)在熔融焊料交(jiao)界上的金屬氧(yǎng)化物表面)。常見(jiàn)的情況是較高(gao)的焊接溫度和(he)較長的停留時(shí)間會導緻更爲(wei)嚴重的斷續潤(rùn)濕現象,尤其是(shi)在基體金屬之(zhī)中,反應速度的(de)增加會導緻更(geng)加猛烈的氣體(tǐ)釋放。與此同時(shí),較長的停留時(shí)間也會延長氣(qì)體釋放的時間(jian)。以上兩方面都(dōu)會增加釋放出(chū)的氣體量,消除(chú)斷續潤濕現象(xiang)的方法是:

  1,降低(dī)焊接溫度;

  2,縮短(duǎn)軟熔的停留時(shi)間;

  3,采用流動的(de)惰性氣氛;

  4,降低(di)污染程度。

  低殘(cán)留物

  顯然,不用(yòng)清理的低殘留(liu)物焊膏是滿足(zú)這個要求的一(yī)個理想的解決(jué)辦法。然而,與此(ci)相關的軟熔必(bì)要條件卻使這(zhe)個問題變得更(geng)加複雜化了。爲(wei)了預測在不同(tóng)級别的惰性軟(ruan)熔氣氛中低殘(can)留物焊膏的焊(hàn)接性能,提出一(yī)個半經驗的模(mo)型,這個模型預(yu)示,随着氧含量(liàng)的降低,焊接性(xing)能會迅速地改(gai)進,然後逐漸趨(qu)于平穩,實驗結(jié)果表明,随着氧(yǎng)濃度的降低,焊(hàn)接強度和焊膏(gao)的潤濕能力會(hui)有所增加,此外(wai),焊接強度也随(suí)焊劑中固體含(hán)量的增加而增(zeng)加。實驗數據所(suo)提出的模型是(shi)可比較的,并強(qiang)有力地證明了(le)模型是有效的(de),能夠用以預測(ce)焊膏與材料的(de)焊接性能,因此(ci),可以斷言,爲了(le)在焊接工藝中(zhōng)成功地采用不(bú)用清理的低殘(can)留物焊料,應當(dāng)使用惰性的軟(ruǎn)熔氣氛。 間隙  間(jiān)隙是指在元件(jiàn)引線與電路闆(pǎn)焊點之間沒有(yǒu)形成焊接點。

  一(yī)般來說,這可歸(guī)因于以下四方(fang)面的原因:

  1,焊料(liao)熔敷不足;

  2,引線(xiàn)共面性差;

  3,潤濕(shi)不夠;

  4,焊料損耗(hào)棗這是由預鍍(dù)錫的印刷電路(lu)闆上焊膏坍落(luò),引線的芯吸作(zuo)用(2.3.4)或焊點附近(jìn)的通孔引起的(de),引線共面性問(wèn)題是新的重量(liang)較輕的12密耳(μm)間(jiān)距的四芯線扁(biǎn)平集成電路(QFP棗(zao)Quad flat packs)的一個特别令(lìng)人關注的問題(tí),爲了解決這個(gè)問題,提出了在(zài)裝配之前用焊(han)料來預塗覆焊(han)點的方法(9),此法(fǎ)是擴大局部焊(hàn)點的尺寸并沿(yan)着鼓起的焊料(liào)預覆蓋區形成(chéng)一個可控制的(de)局部焊接區,并(bìng)由此來抵償引(yǐn)線共面性的變(bian)化和防止間隙(xi),引線的芯吸作(zuò)用可以通過減(jiǎn)慢加熱速度以(yǐ)及讓底面比頂(ding)面受熱更多來(lái)加以解決,此外(wai),使用潤濕速度(du)較慢的焊劑,較(jiao)高的活化溫度(du)或能延緩熔化(huà)的焊膏(如混有(you)錫粉和鉛粉的(de)焊膏)也能最大(da)限度地減少芯(xīn)吸作用.在用錫(xī)鉛覆蓋層光整(zheng)電路闆之前,用(yong)焊料掩膜來覆(fu)蓋連接路徑也(ye)能防止由附近(jìn)的通孔引起的(de)芯吸作用。

  焊料(liao)成球

  焊料成球(qiu)是最常見的也(ye)是最棘手的問(wen)題,這指軟熔工(gong)序中焊料在離(li)主焊料熔池不(bú)遠的地方凝固(gù)成大小不等的(de)球粒;大多數的(de)情況下,這些球(qiu)粒是由焊膏中(zhōng)的焊料粉組成(cheng)的,焊料成球使(shǐ)人們耽心會有(you)電路短路、漏電(diàn)和焊接點上焊(han)料不足等問題(ti)發生,随着細微(wēi)間距技術和不(bú)用清理的焊接(jiē)方法的進展,人(rén)們越來越迫切(qie)地要求使用無(wú)焊料成球現象(xiang)的SMT工藝。

  引起焊(hàn)料成球(1,2,4,10)的原因(yīn)包括:

  1,由于電路(lu)印制工藝不當(dang)而造成的油漬(zi);

  2,焊膏過多地暴(bao)露在具有氧化(huà)作用的環境中(zhōng);

  3,焊膏過多地暴(bào)露在潮濕環境(jìng)中;

  4,不适當的加(jia)熱方法;

  5,加熱速(su)度太快;

  6,預熱斷(duan)面太長;

  8,焊劑(jì)活性不夠;

  9,焊粉(fěn)氧化物或污染(rǎn)過多;

  10,塵粒太多(duo);

  11,在特定的軟熔(róng)處理中,焊劑裏(li)混入了不适當(dāng)的揮發物;

  12,由于(yú)焊膏配方不當(dāng)而引起的焊料(liào)坍落;

  13、焊膏使用(yong)前沒有充分恢(hui)複至室溫就打(da)開包裝使用;

  14、印(yìn)刷厚度過厚導(dao)緻“塌落”形成錫(xi)球;

  15、焊膏中金屬(shu)含量偏低。

  焊料(liao)結珠

  焊料結珠(zhu)是在使用焊膏(gāo)和SMT工藝時焊料(liào)成球的一個特(tè)殊現象.,簡單地(di)說,焊珠是指那(nà)些非常大的焊(han)球,其上粘帶有(yǒu)(或沒有)細小的(de)焊料球(11).它們形(xíng)成在具有極低(dī)的托腳的元件(jiàn)如芯片電容器(qi)的周圍。焊料結(jié)珠是由焊劑排(pái)氣而引起,在預(yù)熱階段這種排(pai)氣作用超過了(le)焊膏的内聚力(lì),排氣促進了焊(hàn)膏在低間隙元(yuan)件下形成孤立(lì)的團粒,在軟熔(róng)時,熔化了的孤(gū)立焊膏再次從(cong)元件下冒出來(lái),并聚結起。

  焊接(jie)結珠的原因包(bāo)括:

  1,印刷電路的(de)厚度太高;

  2,焊點(dian)和元件重疊太(tài)多;

  3,在元件下塗(tú)了過多的錫膏(gao);

  4,安置元件的壓(ya)力太大;

  5,預熱時(shi)溫度上升速度(du)太快;

  7,在濕氣從(cóng)元件和阻焊料(liào)中釋放出來;

  8,焊(hàn)劑的活性太高(gao);

  9,所用的粉料太(tài)細;

  10,金屬負荷太(tài)低;

  11,焊膏坍落太(tài)多;

  12,焊粉氧化物(wu)太多;

  13,溶劑蒸氣(qi)壓不足。消除焊(han)料結珠的最簡(jian)易的方法也許(xu)是改變模版孔(kong)隙形狀,以使在(zài)低托腳元件和(hé)焊點之間夾有(yǒu)較少的焊膏。

  焊(han)接角焊接擡起(qǐ)

  焊接角縫擡起(qǐ)指在波峰焊接(jie)後引線和焊接(jiē)角焊縫從具有(you)細微電路間距(jù)的四芯線組扁(bian)平集成電路(QFP)的(de)焊點上完全擡(tai)起來,特别是在(zài)元件棱角附近(jin)的地方,一個可(ke)能的原因是在(zài)波峰焊前抽樣(yang)檢測時加在引(yǐn)線上的機械應(ying)力,或者是在處(chù)理電路闆時所(suo)受到的機械損(sun)壞(12),在波峰焊前(qián)抽樣檢測時,用(yong)一個鑷子劃過(guò)QFP元件的引線,以(yi)确定是否所有(yǒu)的引線在軟溶(róng)烘烤時都焊上(shàng)了;其結果是産(chan)生了沒有對準(zhǔn)的焊趾,這可在(zai)從上向下觀察(cha)看到,如果闆的(de)下面加熱在焊(hàn)接區/角焊縫的(de)間界面上引起(qi)了部分二次軟(ruan)熔,那麽,從電路(lu)闆擡起引線和(he)角焊縫能夠減(jian)輕内在的應力(lì),防止這個問題(tí)的一個辦法是(shi)在波峰焊之後(hòu)(而不是在波峰(fēng)焊之前)進行抽(chou)樣檢查。

  豎碑(Tombstoning)

  豎(shù)碑(Tombstoning)是指無引線(xian)元件(如片式電(dian)容器或電阻)的(de)一端離開了襯(chen)底,甚至整個元(yuán)件都支在它的(de)一端上。 Tombstoning也稱爲(wei)Manhattan效應、Drawbridging 效應或Stonehenge 效(xiao)應,它是由軟熔(róng)元件兩端不均(jun)勻潤濕而引起(qǐ)的;因此,熔融焊(han)料的不夠均衡(heng)的表面張力拉(lā)力就施加在元(yuan)件的兩端上,随(sui)着SMT小型化的進(jìn)展,電子元件對(dui)這個問題也變(biàn)得越來越敏感(gǎn)。

  此種狀況形成(chéng)的原因:

  1、加熱不(bu)均勻;

  3、基闆材料導(dǎo)熱性差,基闆的(de)厚度均勻性差(cha);

  4、焊盤的熱容量(liàng)差異較大,焊盤(pán)的可焊性差異(yi)較大;

  5、錫膏中助(zhù)焊劑的均勻性(xìng)差或活性差,兩(liang)個焊盤上的錫(xi)膏厚度差異較(jiao)大,錫膏太厚,印(yìn)刷精度差,錯位(wei)嚴重;

  6、預熱溫度(du)太低;

  7、貼裝精度(du)差,元件偏移嚴(yán)重。 Ball Grid Array (BGA)成球不良

  BGA成(cheng)球常遇到諸如(rú)未焊滿,焊球不(bú)對準,焊球漏失(shi)以及焊料量不(bú)足等缺陷,這通(tōng)常是由于軟熔(rong)時對球體的固(gù)定力不足或自(zi)定心力不足而(ér)引起。固定力不(bu)足可能是由低(di)粘稠,高阻擋厚(hou)度或高放氣速(sù)度造成的;而自(zì)定力不足一般(bān)由焊劑活性較(jiào)弱或焊料量過(guo)低而引起。

  BGA成球(qiu)作用可通過單(dān)獨使用焊膏或(huò)者将焊料球與(yǔ)焊膏以及焊料(liao)球與焊劑一起(qǐ)使用來實現; 正(zheng)确的可行方法(fa)是将整體預成(cheng)形與焊劑或焊(han)膏一起使用。最(zuì)通用的方法看(kàn)來是将焊料球(qiú)與焊膏一起使(shi)用,利用錫62或錫(xi)63球焊的成球工(gōng)藝産生了極好(hǎo)的效果。在使用(yong)焊劑來進行錫(xī)62或錫63球焊的情(qíng)況下,缺陷率随(sui)着焊劑粘度,溶(rong)劑的揮發性和(hé)間距尺寸的下(xia)降而增加,同時(shi)也随着焊劑的(de)熔敷厚度,焊劑(jì)的活性以及焊(han)點直徑的增加(jiā)而增加,在用焊(hàn)膏來進行高溫(wen)熔化的球焊系(xi)統中,沒有觀察(cha)到有焊球漏失(shī)現象出現,并且(qie)其對準精确度(du)随焊膏熔敷厚(hou)度與溶劑揮發(fā)性,焊劑的活性(xing),焊點的尺寸與(yǔ)可焊性以及金(jin)屬負載的增加(jia)而增加,在使用(yong)錫63焊膏時,焊膏(gao)的粘度,間距與(yǔ)軟熔截面對高(gāo)熔化溫度下的(de)成球率幾乎沒(mei)有影響。在要求(qiu)采用常規的印(yìn)刷棗釋放工藝(yì)的情況下,易于(yú)釋放的焊膏對(dui)焊膏的單獨成(cheng)球是至關重要(yào)的。整體預成形(xíng)的成球工藝也(yě)是很的發展的(de)前途的。減少焊(han)料鏈接的厚度(dù)與寬度對提高(gāo)成球的成功率(lǜ)也是相當重要(yào)的。 形成孔隙

  形(xing)成孔隙通常是(shi)一個與焊接接(jie)頭的相關的問(wen)題。尤其是應用(yòng)SMT技術來軟熔焊(han)膏的時候,在采(cǎi)用無引線陶瓷(ci)芯片的情況下(xià),絕大部分的大(dà)孔隙(>0.0005英寸/0.01毫米(mi))是處于LCCC焊點和(he)印刷電路闆焊(han)點之間,與此同(tóng)時,在LCCC城堡狀物(wù)附近的角焊縫(féng)中,僅有很少量(liàng)的小孔隙,孔隙(xi)的存在會影響(xiǎng)焊接接頭的機(jī)械性能,并會損(sǔn)害接頭的強度(du),延展性和疲勞(láo)壽命,這是因爲(wèi)孔隙的生長會(hui)聚結成可延伸(shēn)的裂紋并導緻(zhi)疲勞,孔隙也會(huì)使焊料的應力(li)和 協變增加,這(zhè)也是引起損壞(huai)的原因。此外,焊(hàn)料在凝固時會(huì)發生收縮,焊接(jie)電鍍通孔時的(de)分層排氣以及(jí)夾帶焊劑等也(yě)是造成孔隙的(de)原因。

  在焊接過(guò)程中,形成孔隙(xì)的械制是比較(jiào)複雜的,一般而(ér)言,孔隙是由軟(ruan)熔時夾層狀結(jié)構中的焊料中(zhōng)夾帶的焊劑排(pai)氣而造成的(2,13)孔(kong)隙的形成主要(yao)由金屬化區的(de)可焊性決定,并(bing)随着焊劑活性(xìng)的降低,粉末的(de)金屬負荷的增(zeng)加以及引線接(jie)頭下的覆蓋區(qu)的增加而變化(hua),減少焊料顆粒(lì)的尺寸僅能銷(xiāo)許增加孔隙。此(ci)外,孔隙的形成(cheng)也與焊料粉的(de)聚結和消除固(gu)定金屬氧化物(wu)之間的時間分(fen)配有關。焊膏聚(ju)結越早,形成的(de)孔隙也越多。通(tong)常,大孔隙的比(bi)例随總孔隙量(liang)的增加而增加(jia).與總孔隙量的(de)分析結果所示(shi)的情況相比,那(nà)些有啓發性的(de)引起孔隙形成(cheng)因素将對焊接(jie)接頭的可靠性(xìng)産生更大的影(ying)響。

  控制孔隙形(xing)成的方法包括(kuò):

  1,改進元件/衫底(dǐ)的可焊性;

  2,采用(yòng)具有較高助焊(han)活性的焊劑;

  3,減(jiǎn)少焊料粉狀氧(yǎng)化物;

  4,采用惰性(xing)加熱氣氛.

  5,減緩(huǎn)軟熔前的預熱(rè)過程.與上述情(qing)況相比,在BGA裝配(pèi)中孔隙的形成(cheng)遵照一個略有(yǒu)不同的模式(14).一(yī)般說來.在采用(yòng)錫63焊料塊的BGA裝(zhuāng)配中孔隙主要(yào)是在闆級裝配(pèi)階段生成的.在(zai)預鍍錫的印刷(shuā)電路闆上,BGA接頭(tóu)的孔隙量随溶(rong)劑的揮發性,金(jin)屬成分和軟熔(róng)溫度的升高而(er)增加,同時也随(suí)粉粒尺寸的減(jiǎn)少而增加;這可(ke)由決定焊劑排(pái)出速度的粘度(du)來加以解釋.按(an)照這個模型,在(zai)軟熔溫度下有(yǒu)較高粘度的助(zhù)焊劑介質會妨(fang)礙焊劑從熔融(róng)焊料中排出。

  因(yīn)此,增加夾帶焊(hàn)劑的數量會增(zeng)大放氣的可能(neng)性,從而導緻在(zài)BGA裝配中有較大(dà)的孔隙度.在不(bu)考慮固定的金(jin)屬化區的可焊(hàn)性的情況下,焊(hàn)劑的活性和軟(ruǎn)熔氣氛對孔隙(xi)生成的影響似(sì)乎可以忽略不(bú)計.大孔隙的比(bi)例會随總孔隙(xì)量的增加而增(zēng)加,這就表明,與(yǔ)總孔隙量分析(xi)結果所示的情(qing)況相比,在BGA中引(yin)起孔隙生成的(de)因素對焊接接(jiē)頭的可靠性有(you)更大的影響,這(zhe)一點與在SMT工藝(yì)中空隙生城的(de)情況相似。

  總結(jie)  焊膏的回流焊(han)接是SMT裝配工藝(yì)中的主要的闆(pan)極互連方法,影(ying)響回流焊接的(de)主要問題包括(kuo):底面元件的固(gù)定、未焊滿、斷續(xù)潤濕、低殘留物(wu)、間隙、焊料成球(qiú)、焊料結珠、焊接(jie)角焊縫擡起、TombstoningBGA成(cheng)球不良、形成孔(kong)隙等,問題還不(bu)僅限于此,在本(ben)文中未提及的(de)問題還有浸析(xī)作用,金屬間化(hua)物,不潤濕,歪扭(niu),無鉛焊接等.隻(zhī)有 解決了這些(xie)問題,回流焊接(jie)作爲一個重要(yào)的SMT裝配方法,才(cai)能在超細微間(jian)距的時代繼續(xù)成功地保留下(xià)去。

  文章整理:昊(hào)瑞電子http://90xs.cc


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