控制SMT焊接幾種缺陷方式的解析

1、引言

表面組裝技術(shù)在減小電子產(chǎn)品體積、重量和提高可靠性等方面的突出優(yōu)點(diǎn)，迎合了未來(lái)制造技術(shù)的要求。但是，要制定和選擇適用于具體產(chǎn)品的表面組裝工藝不是簡(jiǎn)單的事情，因?yàn)?strong>SMT技術(shù)是涉及了多項(xiàng)技術(shù)的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中任何一項(xiàng)因素的改變均會(huì)影響電子產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。元器件焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量是直接影響印制電路組件(PWA)乃至整機(jī)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。它受許多參數(shù)的影響，如焊膏、基板、元器件可焊性、絲印、貼裝精度以及焊接工藝等。我們?cè)谶M(jìn)行SMT工藝研究和生產(chǎn)中，深知合理的表面組裝工藝技術(shù)在控制和提高SMT生產(chǎn)質(zhì)量中起到至關(guān)重要的作用。本文就針對(duì)所遇到的幾種典型焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

2、幾種典型焊接缺陷及解決措施

2.1 波峰焊和回流焊中的錫球

錫球的存在表明工藝不完全正確，而且電子產(chǎn)品存在短路的危險(xiǎn)，因此需要排除。國(guó)際上對(duì)錫球存在認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)是：印制電路組件在600范圍內(nèi)不能出現(xiàn)超過(guò)5個(gè)錫球。產(chǎn)生錫球的原因有多種，需要找到問(wèn)題根源。

2.1.1 波峰焊中的錫球

波峰焊中常常出現(xiàn)錫球，主要原因有兩方面：第一，焊接印制板時(shí)，印制板上通孔附近的水分因受熱而變成蒸汽。如果孔壁金屬鍍層較薄或有空隙，水汽就會(huì)通過(guò)孔壁排除，如果孔內(nèi)有焊料，當(dāng)焊料凝固時(shí)水汽就會(huì)在焊料內(nèi)產(chǎn)生空隙(針眼)，或擠出焊料在印制板正面產(chǎn)生錫球。第二，在印制板反面(即接觸波峰的一面)產(chǎn)生的錫球是由于波峰焊接中一些工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而造成的。如果助焊劑涂覆量增加或預(yù)熱溫度設(shè)置過(guò)低，就可能影響焊劑內(nèi)組成成分的蒸發(fā)，在印制板進(jìn)入波峰時(shí)，多余的焊劑受高溫蒸發(fā)，從錫槽中濺出來(lái)，在印制板面上產(chǎn)生不規(guī)則的焊料球。針對(duì)上述兩個(gè)原因，我們采取以下相應(yīng)的解決措施：第一，通孔內(nèi)適當(dāng)厚度的金屬鍍層是很關(guān)鍵的，孔壁上的銅鍍層最小應(yīng)為25um，而且無(wú)空隙。第二，使用噴霧或發(fā)泡式涂覆助焊劑。發(fā)泡方式中，在調(diào)節(jié)助焊劑的空氣含量時(shí)，應(yīng)保持盡可能產(chǎn)生最小的氣泡，泡沫與PCB接觸面相對(duì)減小。第三，波峰焊機(jī)預(yù)熱區(qū)溫度的設(shè)置應(yīng)使線路板頂面的溫度達(dá)到至少100°C。適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度不僅可消除焊料球，而且可以避免線路板受到熱沖擊而變形。

2.1.2 回流焊中的錫球

2.1.2.1 回流焊中錫球形成的機(jī)理

回流焊接中出的錫球，常常藏于矩形片式元件兩端之間的側(cè)面或細(xì)距引腳之間。在元件貼裝過(guò)程中，焊膏被置于片式元件的引腳與焊盤(pán)之間，隨著印制板穿過(guò)回流焊爐，焊膏熔化變成液體，如果與焊盤(pán)和器件引腳等潤(rùn)濕不良，液態(tài)焊錫會(huì)因收縮而使焊縫填充不充分，所有焊料顆粒不能聚合成一個(gè)焊點(diǎn)。部分液態(tài)焊錫會(huì)從焊縫流出，形成錫球。因此，焊錫與焊盤(pán)和器件引腳潤(rùn)濕性差是導(dǎo)致錫球形成的根本原因。

2.1.2.2 原因分析與控制方法

造成焊錫潤(rùn)濕性差的原因很多，以下主要分析與相關(guān)工藝有關(guān)的原因及解決措施：

a)回流溫度曲線設(shè)置不當(dāng)。焊膏的回流是溫度與時(shí)間的函數(shù)，如果未到達(dá)足夠的溫度或時(shí)間，焊膏就不會(huì)回流。預(yù)熱區(qū)溫度上升速度過(guò)快，達(dá)到平頂溫度的時(shí)間過(guò)短，使焊膏內(nèi)部的水分、溶劑未完全揮發(fā)出來(lái)，到達(dá)回流焊溫區(qū)時(shí)，引起水分、溶劑沸騰，濺出焊錫球。實(shí)踐證明，將預(yù)熱區(qū)溫度的上升速度控制在1～4°C/s是較理想的。

b)如果總在同一位置上出現(xiàn)焊球，就有必要檢查金屬板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。模板開(kāi)口尺寸腐蝕精度達(dá)不到要求，對(duì)于焊盤(pán)大小偏大，以及表面材質(zhì)較軟(如銅模板)，造成漏印焊膏的外形輪廓不清晰，互相橋連，這種情況多出現(xiàn)在對(duì)細(xì)間距器件的焊盤(pán)漏印時(shí)，回流焊后必然造成引腳間大量錫珠的產(chǎn)生。因此，應(yīng)針對(duì)焊盤(pán)圖形的不同形狀和中心距，選擇適宜的模板材料及模板制作工藝來(lái)保證焊膏印刷質(zhì)量。

c)如果在貼片至回流焊的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則因焊膏中焊料粒子的氧化，焊劑變質(zhì)、活性降低，會(huì)導(dǎo)致焊膏不回流，焊球則會(huì)產(chǎn)生。選用工作壽命長(zhǎng)一些的焊膏(我們認(rèn)為至少4小時(shí))，則會(huì)減輕這種影響。

d)另外，焊膏印錯(cuò)的印制板清洗不充分，使焊膏殘留于印制板表面及通孔中。回流焊之前，被貼放的元器件重新對(duì)準(zhǔn)、貼放，使漏印焊膏變形。這也是造成焊球的原因。

因此，應(yīng)加強(qiáng)操作者和工藝人員在生產(chǎn)過(guò)程的責(zé)任心，嚴(yán)格遵照工藝要求和操作規(guī)程行生產(chǎn)，加強(qiáng)工藝過(guò)程的質(zhì)量控制。

2。2 立片問(wèn)題(曼哈頓現(xiàn)象)

矩形片式元件的一端焊接在焊盤(pán)上，而另一端則翹立，這種現(xiàn)象就稱為曼哈頓現(xiàn)象。引起該種現(xiàn)象主要原因是元件兩端受熱不均勻，焊膏熔化有先后所致。在以下情況會(huì)造成元件兩端熱不均勻：

a)有缺陷的元件排列方向設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)想在再流焊爐中有一條橫跨爐子寬度的再流焊限線，一旦焊膏通過(guò)它就會(huì)立即熔化。片式矩形元件的一個(gè)端頭先通過(guò)再流焊限線，焊膏先熔化，完全浸潤(rùn)元件的金屬表面，具有液態(tài)表面張力;而另一端未達(dá)到183°C液相溫度，焊膏未熔化，只有焊劑的粘接力，該力遠(yuǎn)小于再流焊焊膏的表面張力，因而，使未熔化端的元件端頭向上直立。因此，保持元件兩端同時(shí)進(jìn)入再流焊限線，使兩端焊盤(pán)上的焊膏同時(shí)熔化，形成均衡的液態(tài)表面張力，才能保持元件位置不變。

b)在進(jìn)行汽相焊接時(shí)印制電路組件預(yù)熱不充分。汽相焊是利用惰性液體蒸汽冷凝在元件引腳和PCB焊盤(pán)上時(shí)，釋放出熱量而熔化焊膏。汽相焊分平衡區(qū)和飽和蒸汽區(qū)，在飽和蒸汽區(qū)焊接溫度高達(dá)217°C，在生產(chǎn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，如果被焊組件預(yù)熱不充分，經(jīng)受一百多度的溫差變化，汽相焊的汽化力容易將小于1206封裝尺寸的片式元件浮起，從而產(chǎn)生立片現(xiàn)象。我們通過(guò)將被焊組件在高低箱內(nèi)以145°C-150°C的溫度預(yù)熱1-2分鐘，然后在汽相焊的平衡區(qū)內(nèi)再預(yù)熱1分鐘左右，最后緩慢進(jìn)入飽和蒸汽區(qū)焊接，最終消除了立片現(xiàn)象。

c)焊盤(pán)設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響。若片式元件的一對(duì)焊盤(pán)大小不同或不對(duì)稱，也會(huì)引起漏印的焊膏量不一致。小焊盤(pán)對(duì)溫度響應(yīng)快，其上的焊膏易熔化，大焊盤(pán)則相反，所以，當(dāng)小焊盤(pán)上的焊膏熔化后，在焊膏表面張力作用下，將元件拉直豎起。焊盤(pán)的寬度或間隙過(guò)大，也都可能出現(xiàn)立片現(xiàn)象。嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行焊盤(pán)設(shè)計(jì)是解決該缺陷的先決條件。

2.3 細(xì)間距引腳橋接問(wèn)題

導(dǎo)致細(xì)間距元器件引腳橋接缺陷的主要因素有：a)漏印的焊膏成型不佳;b)印制板上有缺陷的細(xì)間距引線制作;c)不恰當(dāng)?shù)幕亓骱笢囟惹€設(shè)置等。因而，應(yīng)從模板的制作、絲印工藝、回流焊工藝等關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制入手，盡可能避免橋接隱患。

2.3.1模板材料的選擇

SMT工藝質(zhì)量問(wèn)題70%出自于印刷這道工序，而模板是必不可少的關(guān)鍵工裝，直接影響印刷質(zhì)量。通常我們使用的模板材料是銅板和不銹鋼板。不銹鋼板與銅板相比有較小的摩擦系數(shù)和較高的彈性，因此在其它條件一定的情況下，更有利于焊膏脫模和焊膏成型。通過(guò)0.5mm引腳中心距QFP208器件組裝試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，因銅模板漏印不合格而造成的疵點(diǎn)數(shù)占器件總焊點(diǎn)數(shù)(208個(gè))的20%左右;在其它條件一定的情況下，利用不銹鋼模板漏印，造成的疵點(diǎn)率平均為3%。因此，對(duì)引腳中心距為0.635mm以下的細(xì)間距元器件的印刷，提出必須采用不銹鋼板的要求，厚度優(yōu)選0.15mm～0.2mm。

2.3.2絲印過(guò)程工藝控制

焊膏在進(jìn)行回流焊之前，若出現(xiàn)坍塌，成型的焊膏圖形邊不清晰，在貼放元器件或進(jìn)入回流焊預(yù)熱區(qū)時(shí)，由于焊膏中的助焊劑軟化，會(huì)造成引腳橋接。焊膏的坍塌是不合適的焊膏材料和不宜的環(huán)境條件所致，如較高的室溫會(huì)造成焊膏坍塌。在絲印工序中，我們通過(guò)以下工藝的調(diào)整，小心地控制焊膏的流變特性，減少了坍塌。

a)絲印細(xì)間距引線，通常選用厚度較薄的模板。為避免漏印的焊膏量偏少，所需的焊膏黏度應(yīng)較低，這樣焊膏流動(dòng)性好，易漏印，而且模板與PCB脫模時(shí)不易帶走焊膏，保證焊膏涂覆量。但同時(shí)為了保持焊膏印刷圖形的理想形態(tài)，又需要較高的焊膏黏度。我們解決這一矛盾的方法是選用45-75um的更小粒度和球形顆粒焊膏。另外，在絲印時(shí)保持適宜的環(huán)境溫度，焊膏黏度與環(huán)境溫度的關(guān)系式表示如下：

logu=A/T+B--(1)

式中：u-粘度系數(shù);

A，B-常數(shù);

T-絕對(duì)溫度。

通過(guò)上式可看出，溫度越高，粘度越小。因此，為獲得較高的粘度，我們將環(huán)境溫度控制20+3°C。

b)刮刀的速度和壓力也影響焊膏的流變特性，因?yàn)樗麄儧Q定了焊膏所受的剪切速率和剪切力大小。焊膏黏度與剪切速率的關(guān)系如圖2所示。在焊膏類型和環(huán)境溫度較合適的情況下，在刮刀壓力一定的情況下，將印刷速度調(diào)慢，可以保持焊膏黏度基本不變，這樣供給焊膏的時(shí)間加長(zhǎng)，焊膏量就增多，而且有好的成型。另外，控制脫模速率的減慢和模板與PCB的最小間隙，也會(huì)在減少細(xì)間距引腳橋接方面起到良好的效果。根據(jù)我們使用的SP200型絲印機(jī)，我們認(rèn)為印刷細(xì)間距線較理想的工藝參數(shù)是：印刷速度保持在10mm/s-25mm/s;脫模速率控制在2s左右;模板與PCB的最小間隙小于等于0.2mm。

2.3.3 回流過(guò)程工藝控制

細(xì)間距引線間的間距小、焊盤(pán)面積小、漏印的焊膏量較少，在焊接時(shí)，如果紅外再流焊的預(yù)熱區(qū)溫度較高、時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)有較多的活化劑在達(dá)到回流焊峰值溫度區(qū)域前就被耗盡。然而，只有當(dāng)在峰值區(qū)域內(nèi)有充足的活化劑釋放被氧化的焊粒，使焊?？焖偃刍瑥亩鴿駶?rùn)金屬引腳表面，才能形成良好的焊點(diǎn)。免清洗焊膏，活化程度比要清洗的焊膏低，所以如果預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間設(shè)置稍不恰當(dāng)，便會(huì)出現(xiàn)焊接細(xì)間引線橋接現(xiàn)象。我們通過(guò)降低熱溫度和縮短預(yù)熱時(shí)間來(lái)控制焊膏中活化劑的揮發(fā)，保證了免清冼焊膏在焊接溫度區(qū)域的流動(dòng)性和對(duì)金屬引線表面的潤(rùn)濕性，減少了細(xì)間距線的橋接缺陷。針對(duì)細(xì)間距器件和阻容器件，我們采用的回流溫度焊接曲線典型例圖如圖3所示。

3 、結(jié)束語(yǔ)

隨著表面組裝技術(shù)更廣泛、更深入的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，SMT焊接質(zhì)量問(wèn)題引起人們高度重視。SMT焊接質(zhì)量與整個(gè)組裝工藝流程各個(gè)環(huán)節(jié)密切相關(guān)，為了減少或避免上述焊接缺陷的出現(xiàn)，不僅要提高工藝人員判斷和解決這些問(wèn)題的能力，還要注重提高工藝質(zhì)量控制技術(shù)、完善工藝管理，制定出有效的控制方法。只有這樣才能提高SMT焊接質(zhì)量，保證電子產(chǎn)品的最終質(zhì)量。