使用焊錫膏常見(jiàn)問(wèn)題分析
焊膏的回流焊接是用在 SMT裝配工藝中的主要板級(jí)互連方法，這種焊接方法把所需要的焊接特性極好地結(jié)合在一起，這些特性包括易于加工、對(duì)各種 SMT設(shè)計(jì)有廣泛的兼容性，具有高的焊接可靠性以及成本低等；然而，在回流焊接被用作為最重要的 SMT元件級(jí)和板級(jí)互連方法的時(shí)候，它也受到要求進(jìn)一步改進(jìn)焊接性能的挑戰(zhàn)，事實(shí)上，回流焊接技術(shù)能否經(jīng)受住這一挑戰(zhàn)將決定焊膏能否繼續(xù)作為首要的 SMT焊接材料，尤其是在超細(xì)微間距技術(shù)不斷取得進(jìn)展的情況之下。下面我們將探討影響改進(jìn)回流焊接性能的幾個(gè)主要問(wèn)題，為發(fā)激發(fā)工業(yè)界研究出解決這一課題 的新方法，我們分別對(duì)每個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)要介紹。
底面元件的固定 雙面回流焊接已采用多年，在此，先對(duì)第一面進(jìn)行印刷布線(xiàn)，安裝元件和軟熔，然后翻過(guò)來(lái)對(duì)電路板的另一面進(jìn)行加工處理，為了更加節(jié)省起見(jiàn)， 某些工藝省去了對(duì)第一面的軟熔，而是同時(shí)軟熔頂面和底面，典型的例子是電路板底面上僅裝有小的元件，如芯片電容器和芯片電阻器，由于印刷電路板（ PCB）的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，裝在底面上的元件也越來(lái)越大，結(jié)果軟熔時(shí)元件脫落成為一個(gè)重要的問(wèn)題。顯然，元件脫落現(xiàn)象是由于軟熔時(shí)熔化了的焊料對(duì)元件的垂 直固定力不足，而垂直固定力不足可歸因于元件重量增加，元件的可焊性差，焊劑的潤(rùn)濕性或焊料量不足等。其中，第一個(gè)因素是最根本的原因。如果在對(duì)后面的三 個(gè)因素加以改進(jìn)后仍有元件脫落現(xiàn)象存在，就必須使用 SMT粘結(jié)劑。顯然，使用粘結(jié)劑將會(huì)使軟熔時(shí)元件自對(duì)準(zhǔn)的效果變差。
未焊滿(mǎn) 未焊滿(mǎn)是在相鄰的引線(xiàn)之間形成焊橋。通常，所有能引起焊膏坍落的因素都會(huì)導(dǎo)致未焊滿(mǎn)，這些因素包括：
1，升溫速度太快；
2，焊膏的觸變性能太差或是焊膏的粘度在剪切后恢復(fù)太慢；
3，金屬負(fù)荷或固體含量太低；
4，粉料粒度分布太廣；
5，焊劑表面張力太校但是，坍落并非必然引起未焊滿(mǎn)，在軟熔時(shí)，熔化了的未焊滿(mǎn)焊料在表面張力的推動(dòng)下有斷開(kāi)的可能，焊料流失現(xiàn)象將使未焊滿(mǎn)問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。在此情況下，由于焊料流失而聚集在某一區(qū)域的過(guò)量的焊料將會(huì)使熔融焊料變得過(guò)多而不易斷開(kāi)。
除了引起焊膏坍落的因素而外，下面的因素也引起未滿(mǎn)焊的常見(jiàn)原因：
1， 相對(duì)于焊點(diǎn)之間的空間而言，焊膏熔敷太多；
2， 加熱溫度過(guò)高；
3， 焊膏受熱速度比電路板更快；
4， 焊劑潤(rùn)濕速度太快；
5， 焊劑蒸氣壓太低；
6， 焊劑的溶劑成分太高；
7， 焊劑樹(shù)脂軟化點(diǎn)太低。
斷續(xù)潤(rùn)濕 焊料膜的斷續(xù)潤(rùn)濕是指有水出現(xiàn)在光滑的表面上（ 1.4.5.），這是由于焊料能粘附在大多數(shù)的固體金屬表面上，并且在熔化了的焊料覆蓋層下隱藏著某些未被潤(rùn)濕的點(diǎn)，因此，在最初用熔化的焊料來(lái)覆蓋表面 時(shí)，會(huì)有斷續(xù)潤(rùn)濕現(xiàn)象出現(xiàn)。亞穩(wěn)態(tài)的熔融焊料覆蓋層在最小表面能驅(qū)動(dòng)力的作用下會(huì)發(fā)生收縮，不一會(huì)兒之后就聚集成分離的小球和脊?fàn)疃d起物。斷續(xù)潤(rùn)濕也能由 部件與熔化的焊料相接觸時(shí)放出的氣體而引起。由于有機(jī)物的熱分解或無(wú)機(jī)物的水合作用而釋放的水分都會(huì)產(chǎn)生氣體。水蒸氣是這些有關(guān)氣體的最常見(jiàn)的成份，在焊接溫度下，水蒸氣具極強(qiáng)的氧化作用，能夠氧化熔融焊料膜的表面或某些表面下的界面（典型的例子是在熔融焊料交界上的金屬氧化物表面）。常見(jiàn)的情況是較高的 焊接溫度和較長(zhǎng)的停留時(shí)間會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的斷續(xù)潤(rùn)濕現(xiàn)象，尤其是在基體金屬之中，反應(yīng)速度的增加會(huì)導(dǎo)致更加猛烈的氣體釋放。與此同時(shí)，較長(zhǎng)的停留時(shí)間也會(huì) 延長(zhǎng)氣體釋放的時(shí)間。以上兩方面都會(huì)增加釋放出的氣體量，消除斷續(xù)潤(rùn)濕現(xiàn)象的方法是：
1，降低焊接溫度；
2，縮短軟熔的停留時(shí)間；
3，采用流動(dòng)的惰性氣氛；
4，降低污染程度。
低殘留物 對(duì)不用清理的軟熔工藝而言，為了獲得裝飾上或功能上的效果，常常要求低殘留物，對(duì)功能要求方面的例子包括“通過(guò)在電路中測(cè)試的焊劑殘留物來(lái)探查 測(cè)試堆焊層以及在插入接頭與堆焊層之間或在插入接頭與軟熔焊接點(diǎn)附近的通孔之間實(shí)行電接觸”，較多的焊劑殘?jiān)?huì)導(dǎo)致在要實(shí)行電接觸的金屬表層上有過(guò)多的 殘留物覆蓋，這會(huì)妨礙電連接的建立，在電路密度日益增加的情況下，這個(gè)問(wèn)題越發(fā)受到人們的關(guān)注。顯然，不用清理的低殘留物焊膏是滿(mǎn)足這個(gè)要求的一個(gè)理想的 解決辦法。然而，與此相關(guān)的軟熔必要條件卻使這個(gè)問(wèn)題變得更加復(fù)雜化了。為了預(yù)測(cè)在不同級(jí)別的惰性軟熔氣氛中低殘留物焊膏的焊接性能，提出一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的模型，這個(gè)模型預(yù)示，隨著氧含量的降低，焊接性能會(huì)迅速地改進(jìn)，然后逐漸趨于平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氧濃度的降低，焊接強(qiáng)度和焊膏的潤(rùn)濕能力會(huì)有所增加， 此外，焊接強(qiáng)度也隨焊劑中固體含量的增加而增加。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所提出的模型是可比較的，并強(qiáng)有力地證明了模型是有效的，能夠用以預(yù)測(cè)焊膏與材料的焊接性能，因此，可以斷言，為了在焊接工藝中成功地采用不用清理的低殘留物焊料，應(yīng)當(dāng)使用惰性的軟熔氣氛。
間隙 間隙是指在元件引線(xiàn)與電路板焊點(diǎn)之間沒(méi)有形成焊接點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，這可歸因于以下四方面的原因：
1，焊料熔敷不足；
2，引線(xiàn)共面性差；
3，潤(rùn)濕不夠；
4，焊料損耗棗這是由預(yù)鍍錫的印刷電路板上焊膏坍落
引線(xiàn)的芯吸作用或焊點(diǎn)附近的通孔引起的 ,引線(xiàn)共面性問(wèn)題是新的重量較輕的 12密耳（μm）間距的四芯線(xiàn)扁平集成電路 (QFP棗 Quad flat packs)的一個(gè)特別令人關(guān)注的問(wèn)題 ,為了解決這個(gè)問(wèn)題 ,提出了在裝配之前用焊料來(lái)預(yù)涂覆焊點(diǎn)的方法,此法是擴(kuò)大局部焊點(diǎn)的尺寸并沿著鼓起的焊料預(yù)覆蓋區(qū)形成一個(gè)可控制的局部焊接區(qū) ,并由此來(lái)抵償引線(xiàn)共面性的變化和防止間隙 ,引線(xiàn)的芯吸作用可以通過(guò)減慢加熱速度以及讓底面比頂面受熱更多來(lái)加以解決 ,此外 ,使用潤(rùn)濕速度較慢的焊劑 ,較高的活化溫度或能延緩熔化的焊膏 (如混有錫粉和鉛粉的焊膏 )也能最大限度地減少芯吸作用 .在用錫鉛覆蓋層光整電路板之前 ,用焊料掩膜來(lái)覆蓋連接路徑也能防止由附近的通孔引起的芯吸作用。
焊料成球 焊料成球是最常見(jiàn)的也是最棘手的問(wèn)題，這指軟熔工序中焊料在離主焊料熔池不遠(yuǎn)的地方凝固成大小不等的球粒；大多數(shù)的情況下 ,這些球粒是由焊膏中的焊料粉組成的，焊料成球使人們耽心會(huì)有電路短路、漏電和焊接點(diǎn)上焊料不足等問(wèn)題發(fā)生，隨著細(xì)微間距技術(shù)和不用清理的焊接方法的進(jìn)展，人們?cè)絹?lái)越迫切地要求使用無(wú)焊料成球現(xiàn)象的 SMT工藝。引起焊料成球的原因包括：
1,由于電路印制工藝不當(dāng)而造成的油漬 ;
2,焊膏過(guò)多地暴露在具有氧化作用的環(huán)境中 ;
3,焊膏過(guò)多地暴露在潮濕環(huán)境中 ;
4,不適當(dāng)?shù)募訜岱椒?/span> ;
5,加熱速度太快 ;
6,預(yù)熱斷面太長(zhǎng) ;
7,焊料掩膜和焊膏間的相互作用 ;
8,焊劑活性不夠 ;
9,焊粉氧化物或污染過(guò)多 ;
10,塵粒太多 ;
11,在特定的軟熔處理中 ,焊劑里混入了不適當(dāng)?shù)膿]發(fā)物 ;
12,由于焊膏配方不當(dāng)而引起的焊料坍落；
13,焊膏使用前沒(méi)有充分恢復(fù)至室溫就打開(kāi)包裝使用；
14,印刷厚度過(guò)厚導(dǎo)致“塌落”形成錫球；
15,焊膏中金屬含量偏低。
焊料結(jié)珠 焊料結(jié)珠是在使用焊膏和 SMT工藝時(shí)焊料成球的一個(gè)特殊現(xiàn)象 。簡(jiǎn)單地說(shuō) ,焊珠是指那些非常大的焊球 ,其上粘帶有 (或沒(méi)有 )細(xì)小的焊料球它們形成在具有極低的托腳的元件如芯片電容器的周?chē)?。焊料結(jié)珠是由焊劑排氣而引起 ,在預(yù)熱階段這種排氣作用超過(guò)了焊膏的內(nèi)聚力 ,排氣促進(jìn)了焊膏在低間隙元件下形成孤立的團(tuán)粒 ,在軟熔時(shí) ,熔化了的孤立焊膏再次從元件下冒出來(lái) ,并聚結(jié)起。焊接結(jié)珠的原因包括：
1,印刷電路的厚度太高 ;
2,焊點(diǎn)和元件重疊太多 ;
3,在元件下涂了過(guò)多的錫膏 ;
4,安置元件的壓力太大 ;
5,預(yù)熱時(shí)溫度上升速度太快 ;
6,預(yù)熱溫度太高 ;
7,在濕氣從元件和阻焊料中釋放出來(lái) ;
8,焊劑的活性太高 ;
9,所用的粉料太細(xì) ;
10,金屬負(fù)荷太低 ;
11,焊膏坍落太多 ;
12,焊粉氧化物太多 ;
13,溶劑蒸氣壓不足。
消除焊料結(jié)珠的最簡(jiǎn)易的方法也許是改變模版孔隙形狀 ,以使在低托腳元件和焊點(diǎn)之間夾有較少的焊膏。
焊接角焊接抬起 焊接角縫抬起指在波峰焊接后引線(xiàn)和焊接角焊縫從具有細(xì)微電路間距的四芯線(xiàn)組扁平集成電路 (QFP)的焊點(diǎn)上完全抬起來(lái) ,特別是在元件棱角附近的地方，一個(gè)可能的原因是在波峰焊前抽樣檢測(cè)時(shí)加在引線(xiàn)上的機(jī)械應(yīng)力 ,或者是在處理電路板時(shí)所受到的機(jī)械損壞，在波峰焊前抽樣檢測(cè)時(shí) ,用一個(gè)鑷子劃過(guò) QFP元件的引線(xiàn) ,以確定是否所有的引線(xiàn)在軟溶烘烤時(shí)都焊上了；其結(jié)果是產(chǎn)生了沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)的焊趾 ,這可在從上向下觀(guān)察看到 ,如果板的下面加熱在焊接區(qū) /角焊縫的間界面上引起了部分二次軟熔 ,那么 ,從電路板抬起引線(xiàn)和角焊縫能夠減輕內(nèi)在的應(yīng)力 ,防止這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)辦法是在波峰焊之后 (而不是在波峰焊之前 )進(jìn)行抽樣檢查。
豎碑（ Tombstoning） 豎碑（ Tombstoning）是指無(wú)引線(xiàn)元件 (如片式電容器或電阻 )的一端離開(kāi)了襯底，甚至整個(gè)元件都支在它的一端上。 Tombstoning也稱(chēng)為 Manhattan效應(yīng)、 Drawbridging效應(yīng)或 Stonehenge效應(yīng)，它是由軟熔元件兩端不均勻潤(rùn)濕而引起的；因此 ,熔融焊料的不夠均衡的表面張力拉力就施加在元件的兩端上 ,隨著 SMT小型化的進(jìn)展 ,電子元件對(duì)這個(gè)問(wèn)題也變得越來(lái)越敏感?！〈朔N狀況形成的原因：
1、加熱不均勻；
2、元件問(wèn)題：外形差異、重量太輕、可焊性差異；
3、基板材料導(dǎo)熱性差，基板的厚度均勻性差；
4、焊盤(pán)的熱容量差異較大，焊盤(pán)的可焊性差異較大；
5、錫膏中助焊劑的均勻性差或活性差，兩個(gè)焊盤(pán)上的錫膏厚度差異較大，錫膏太厚，印刷精度差，錯(cuò)位嚴(yán)重；
6、預(yù)熱溫度太低；
7、貼裝精度差，元件偏移嚴(yán)重。
Ball Grid Array (BGA)成球不良 BGA成球常遇到諸如未焊滿(mǎn) ,焊球不對(duì)準(zhǔn) ,焊球漏失以及焊料量不足等缺陷 ,這通常是由于軟熔時(shí)對(duì)球體的固定力不足或自定心力不足而引起。固定力不足可能是由低粘稠 ,高阻擋厚度或高放氣速度造成的；而自定力不足一般由焊劑活性較弱或焊料量過(guò)低而引起。
BGA成球作用可通過(guò)單獨(dú)使用焊膏或者將焊料球與焊膏以及焊料球與焊劑一起使用來(lái)實(shí)現(xiàn) ;正確的可行方法是將整體預(yù)成形與焊劑或焊膏一起使用。最通用的方法看來(lái)是將焊料球與焊膏一起使用，利用錫 62或錫 63球焊的成球工藝產(chǎn)生了極好的效果。在使用焊劑來(lái)進(jìn)行錫 62或錫 63球焊的情況下 ,缺陷率隨著焊劑粘度 ,溶劑的揮發(fā)性和間距尺寸的下降而增加，同時(shí)也隨著焊劑的熔敷厚度，焊劑的活性以及焊點(diǎn)直徑的增加而增加，在用焊膏來(lái)進(jìn)行高溫熔化的球焊系統(tǒng)中，沒(méi)有觀(guān)察 到有焊球漏失現(xiàn)象出現(xiàn)，并且其對(duì)準(zhǔn)精確度隨焊膏熔敷厚度與溶劑揮發(fā)性，焊劑的活性，焊點(diǎn)的尺寸與可焊性以及金屬負(fù)載的增加而增加，在使用錫 63焊膏時(shí)，焊膏的粘度，間距與軟熔截面對(duì)高熔化溫度下的成球率幾乎沒(méi)有影響。在要求采用常規(guī)的印刷棗釋放工藝的情況下，易于釋放的焊膏對(duì)焊膏的單獨(dú)成球 是至關(guān)重要的。整體預(yù)成形的成球工藝也是很的發(fā)展的前途的。減少焊料鏈接的厚度與寬度對(duì)提高成球的成功率也是相當(dāng)重要的。形成孔隙 形成孔隙通常是一個(gè)與 焊接接頭的相關(guān)的問(wèn)題。尤其是應(yīng)用 SMT技術(shù)來(lái)軟熔焊膏的時(shí)候，在采用無(wú)引線(xiàn)陶瓷芯片的情況下，絕大部分的大孔隙 (>0.0005英寸 /0.01毫米 )是處于 LCCC焊點(diǎn)和印刷電路板焊點(diǎn)之間，與此同時(shí) ,在 LCCC城堡狀物附近的角焊縫中 ,僅有很少量的小孔隙，孔隙的存在會(huì)影響焊接接頭的機(jī)械性能 ,并會(huì)損害接頭的強(qiáng)度 ,延展性和疲勞壽命 ,這是因?yàn)榭紫兜纳L(zhǎng)會(huì)聚結(jié)成可延伸的裂紋并導(dǎo)致疲勞，孔隙也會(huì)使焊料的應(yīng)力和協(xié)變?cè)黾?/span> ,這也是引起損壞的原因。此外 ,焊料在凝固時(shí)會(huì)發(fā)生收縮 ,焊接電鍍通孔時(shí)的分層排氣以及夾帶焊劑等也是造成孔隙的原因。
在焊接過(guò)程中 ,形成孔隙的械制是比較復(fù)雜的，一般而言 ,孔隙是由軟熔時(shí)夾層狀結(jié)構(gòu)中的焊料中夾帶的焊劑排氣而造成的孔隙的形成主要由金屬化區(qū)的可焊性決定 ,并隨著焊劑活性的降低 ,粉末的金屬負(fù)荷的增加以及引線(xiàn)接頭下的覆蓋區(qū)的增加而變化 ,減少焊料顆粒的尺寸僅能銷(xiāo)許增加孔隙。此外 ,孔隙的形成也與焊料粉的聚結(jié)和消除固定金屬氧化物之間的時(shí)間分配有關(guān)。焊膏聚結(jié)越早，形成的孔隙也越多。通常 ,大孔隙的比例隨總孔隙量的增加而增加 .與總孔隙量的分析結(jié)果所示的情況相比 ,那些有啟發(fā)性的引起孔隙形成因素將對(duì)焊接接頭的可靠性產(chǎn)生更大的影響 ,控制孔隙形成的方法包括 :
1,改進(jìn)元件 /衫底的可焊性 ;
2,采用具有較高助焊活性的焊劑 ;
3,減少焊料粉狀氧化物 ;
4,采用惰性加熱氣氛 .
5,減緩軟熔前的預(yù)熱過(guò)程 .
與上述情況相比 ,在 BGA裝配中孔隙的形成遵照一個(gè)略有不同的模式.一般說(shuō)來(lái) .在采用錫 63焊料塊的 BGA裝配中孔隙主要是在板級(jí)裝配階段生成的 .在預(yù)鍍錫的印刷電路板上 ,BGA接頭的孔隙量隨溶劑的揮發(fā)性 ,金屬成分和軟熔溫度的升高而增加 ,同時(shí)也隨粉粒尺寸的減少而增加 ;這可由決定焊劑排出速度的粘度來(lái)加以解釋 .按照這個(gè)模型 ,在軟熔溫度下有較高粘度的助焊劑介質(zhì)會(huì)妨礙焊劑從熔融焊料中排出 ,因此 ,增加夾帶焊劑的數(shù)量會(huì)增大放氣的可能性 ,從而導(dǎo)致在 BGA裝配中有較大的孔隙度 .在不考慮固定的金屬化區(qū)的可焊性的情況下 ,焊劑的活性和軟熔氣氛對(duì)孔隙生成的影響似乎可以忽略不計(jì) .大孔隙的比例會(huì)隨總孔隙量的增加而增加 ,這就表明 ,與總孔隙量分析結(jié)果所示的情況相比 ,在 BGA中引起孔隙生成的因素對(duì)焊接接頭的可靠性有更大的影響 ,這一點(diǎn)與在 SMT工藝中空隙生城的情況相似。
總結(jié)： 焊膏的回流焊接是 SMT裝配工藝中的主要的板極互連方法，影響回流焊接的主要問(wèn)題包括：底面元件的固定、未焊滿(mǎn)、斷續(xù)潤(rùn)濕、低殘留物、間隙、焊料成球、焊料結(jié)珠、焊接角焊 縫抬起、 TombstoningBGA成球不良、形成孔隙等 ,問(wèn)題還不僅限于此 ,在本文中未提及的問(wèn)題還有浸析作用 ,金屬間化物 ,不潤(rùn)濕 ,歪扭 ,無(wú)鉛焊接等 .只有解決了這些問(wèn)題 ,回流焊接作為一個(gè)重要的 SMT裝配方法 ,才能在超細(xì)微間距的時(shí)代繼續(xù)成功地保留下去。
來(lái)源：東莞市綠志島金屬有限公司
