焊錫膏使用中的常見問題分析

       焊錫膏使用中(zhōng)的常見問題分析

  焊(hàn)膏的(de)回流焊接是用在smt裝(zhuāng)配工藝中(zhōng)的主要闆級互連方法，這種焊接方(fāng)法把所需要的(de)焊接特性極好地結合在一起，這些特性包括易于加(jiā)工、對各種SMT設計有廣泛的兼容性，具有高的焊(hàn)接可靠性以及(jí)成(chéng)本低等;然而，在回流焊接(jiē)被用作爲最重要的SMT元件級和闆級互連方法的(de)時候，它也受到要求進一步改進焊接性能(néng)的挑戰，事實上，回流(liú)焊接技術能否經受住這一挑戰将決定焊膏能否(fǒu)繼續作爲首要的SMT焊接材料，尤其是(shì)在超細微間距技術不斷取得進(jìn)展(zhǎn)的(de)情況之下。下面我(wǒ)們将探讨影響改進回流(liú)焊接性能的幾個主(zhǔ)要問(wèn)題，爲發激發工業(yè)界研究出解決這(zhè)一課題的新方法，我們分别對每個(gè)問題簡要介紹(shào)。
　　底面元件的固(gù)定

　　雙面回流焊接已采用多年，在此，先對(duì)第一面進行印刷布線，安裝(zhuāng)元件和軟熔，然後翻過來對電(diàn)路闆的另一面進行加(jiā)工處(chù)理，爲了更加節省起見，某(mǒu)些工藝省去了對第一面的軟(ruǎn)熔，而是同時軟熔頂面和底面(miàn)，典型(xíng)的例子是電路闆(pǎn)底面上(shàng)僅裝有小(xiǎo)的元件，如芯片電容(róng)器和(hé)芯片電阻器，由于印刷電路闆(PCB)的設計越來越(yuè)複雜，裝在底面上的元件也越來越大，結果軟熔時元件脫落成爲一個(gè)重要的問題。顯然，元件脫落(luò)現象是由于軟熔時熔化了的焊(hàn)料對元件的垂直固定力不足(zú)，而垂直固定力不足可歸因于元件(jiàn)重量(liàng)增加，元件的可焊性差，焊劑的(de)潤濕性或焊料量不足等。其中，第一個因素(sù)是最根(gēn)本的原因。如果在對(duì)後面的三個因素加以改進後仍有元件脫落現象存在，就必(bì)須使用SMT粘結劑。顯然，使用(yòng)粘結(jié)劑将會使軟熔時(shí)元件自對準(zhǔn)的效果變差。

　　未(wèi)焊滿

　　未焊滿是在相(xiàng)鄰的(de)引線之間形成焊橋。通常，所有能引起焊膏坍落的因素都會導緻未焊滿，這些因素(sù)包括：

　　1，升溫速度太快;

　　2，焊膏的觸變性能太差或是焊膏(gāo)的粘度在剪切後恢複太慢;

　　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(miàn)張(zhāng)力太小。但是，坍落(luò)并非必然引起未焊滿，在軟熔(róng)時，熔化了(le)的未焊(hàn)滿焊料(liào)在表面張力的推動下有(yǒu)斷開的可能，焊料流失現(xiàn)象将使未焊滿問題變得(dé)更加嚴重(zhòng)。在此情況下，由于焊料流失而聚集(jí)在某(mǒu)一區域的過(guò)量的焊料将會使熔融焊料變得過多而不易斷開。

　　除了引起焊膏坍落的因素而外，下面(miàn)的因素也引(yǐn)起未(wèi)滿焊的常見原因(yīn)：

　　1，相對于焊點之間的空間而言，焊膏熔敷(fū)太多;

　　2，加熱溫度過高;

　　3，焊膏(gāo)受熱速度比電路闆更快;

　　4，焊劑潤濕速度(dù)太快;

　　5，焊劑(jì)蒸氣壓太低;

　　6;焊劑的(de)溶劑(jì)成分太高;

　　7，焊劑樹(shù)脂軟化點太低。

　　斷續潤濕

　　焊料膜的斷續潤濕(shī)是指有水出現(xiàn)在光滑(huá)的表面上(1.4.5.)，這是由于(yú)焊(hàn)料能粘附在大多數的(de)固(gù)體金屬(shǔ)表面(miàn)上，并且(qiě)在熔化了的焊料覆蓋(gài)層下隐藏着某些未被潤濕的點，因此，在最初用熔化的焊料來覆蓋表面時，會有斷續潤濕現象出現。亞穩态的熔融焊料覆(fù)蓋層在最小表面(miàn)能驅動力(lì)的作用下會發生收縮，不(bú)一會兒之後就聚(jù)集成分離的小球和脊狀秃起物。斷續(xù)潤濕也能由部件與熔化的焊(hàn)料相接觸時放出的(de)氣體而引起。由于有(yǒu)機物的熱分解或無機物的水合作用而釋放的水(shuǐ)分都會産(chǎn)生氣體。水(shuǐ)蒸氣(qì)是這些有(yǒu)關氣體(tǐ)的最常見的成份，在焊接溫度下，水(shuǐ)蒸氣具極強的氧化作(zuò)用，能夠氧化熔融焊料(liào)膜的表(biǎo)面或某些表面(miàn)下的界面(典型的例子是在(zài)熔融焊料交(jiāo)界上(shàng)的金屬氧化物表面)。常(cháng)見的情況是(shì)較高的焊接溫(wēn)度和較長的停留時間會導緻更爲嚴重(zhòng)的斷續潤濕現象，尤(yóu)其是在基體金屬之中(zhōng)，反應速度的增加會導緻更加猛烈的氣體釋放。與此同時，較長(zhǎng)的停留時間也會延長氣體釋放的時間。以上兩(liǎng)方面都會增加釋放出的氣(qì)體量，消除斷續潤濕現象的方法是：

　　1，降低焊接溫度;

　　2，縮短軟熔的停留時間;

　　3，采用流動(dòng)的惰性氣氛;

　　4，降低(dī)污染程度。

　　低殘留物(wù)

　　對不用清理的軟(ruǎn)熔工藝而言，爲了獲得裝飾(shì)上或功能上的效果，常(cháng)常要求低殘留物，對功能要求方面的例子包括“通過(guò)在電路中測試的焊劑殘留物來探查測(cè)試堆焊層以及在插入接頭與堆焊層之間或在插入接頭(tóu)與(yǔ)軟熔焊接點附近的通孔之間實行電接(jiē)觸”，較多的焊劑殘渣(zhā)常會導緻在要(yào)實行電接觸(chù)的金屬表層上有過多的殘留物覆蓋，這(zhè)會妨礙電連接的建立，在電路密度日益增加的情況下，這個問題越發受(shòu)到人們的關注。

　　顯然，不用清理(lǐ)的低殘留物焊膏是滿足這個要求的一個理想的解決辦法。然而，與此相關的軟熔必要條件卻使這個問題變得更加複雜化了。爲了預測在不(bú)同級别(bié)的惰性軟熔氣氛中低(dī)殘留物焊膏的焊(hàn)接性能，提出一個半經驗(yàn)的模型，這個模型預示，随着氧含量的降低，焊接性(xìng)能會迅速地改進，然後逐漸趨于平穩，實驗結果表明，随着氧濃度的降低，焊接強(qiáng)度和焊(hàn)膏的潤濕能力會(huì)有所增(zēng)加，此外，焊接(jiē)強(qiáng)度也随焊劑中固體含量的(de)增加而增加。實驗數據(jù)所提出的模型是可比(bǐ)較的，并強有力地證明了模型是有效(xiào)的，能(néng)夠用以預測焊膏與材料(liào)的焊接性能，因此，可以(yǐ)斷言，爲了在焊(hàn)接工藝(yì)中成功(gōng)地采用不(bú)用清理的低殘留(liú)物焊料，應(yīng)當使用(yòng)惰性的(de)軟熔氣氛。 間隙 　間隙是(shì)指在元件(jiàn)引線與電路闆焊點之間沒有形(xíng)成焊接點。

　　一般來說，這可歸因于以下四方面的(de)原因(yīn)：

　　1，焊料熔敷不(bú)足;

　　2，引線共面性差;

　　3，潤濕不夠;

　　4，焊料損耗棗這是由預鍍錫的印刷電(diàn)路闆上焊膏坍落，引線的芯(xīn)吸作(zuò)用(2.3.4)或焊點附(fù)近的通孔引起的(de),引線共面性問題是新的重量較輕(qīng)的12密耳(μm)間距的四芯線扁平集成電路(QFP棗(zǎo)Quad flat packs)的一個特别令人關注的問(wèn)題,爲了解決這個問題,提出了(le)在裝配之前用焊料來預塗覆焊點的方法(9),此法是擴大局部焊點的(de)尺寸并沿着鼓(gǔ)起的焊料預(yù)覆蓋區形成一個可控制的局部焊接區(qū),并由此(cǐ)來抵償引線共面性(xìng)的變化和防止間(jiān)隙,引線的(de)芯吸作用(yòng)可(kě)以通過減慢加熱速度(dù)以及讓底面比頂面受熱更多來加以(yǐ)解決,此外,使用潤濕速度較慢的焊劑(jì),較高的活化溫度或能延(yán)緩熔化的焊膏(如混有錫粉和(hé)鉛(qiān)粉的焊膏)也能最(zuì)大限度(dù)地減少芯吸作用.在用錫鉛(qiān)覆蓋層光整電路闆之前,用焊料掩膜來覆蓋連接路(lù)徑也能防止由附近的通孔引起的芯吸(xī)作用。

　　焊料成球

　　焊料成球是最(zuì)常見的也是最棘(jí)手的問題，這(zhè)指軟(ruǎn)熔工序中焊料在離主焊(hàn)料熔池不遠的地方凝固成大小不等的球粒;大多(duō)數的情況下,這些球粒是由焊膏中的焊料粉組(zǔ)成的，焊料成球使(shǐ)人們耽心會有電路短路、漏電和(hé)焊(hàn)接點上焊料不足等問題發生，随着(zhe)細微(wēi)間距技術和不用清理的焊(hàn)接方法的進展，人們越來越迫切(qiē)地要求使用無焊料成球現象的SMT工(gōng)藝。

　　引起焊料成球(1,2,4,10)的原因包括：

　　1,由于電路(lù)印制工藝不當而造成的(de)油漬;

　　2,焊膏過多地暴露在(zài)具有氧化作用的環境中;

　　3,焊膏過多地暴露在潮濕環境中;

　　4,不适當的加熱方法;

　　5,加熱速度太快;

　　6,預熱斷面(miàn)太長;

　　7,焊料掩(yǎn)膜和焊膏(gāo)間的相互作用;

　　8,焊劑活性不夠;

　　9,焊粉(fěn)氧化物或污染(rǎn)過多;

　　10,塵粒太多;

　　11,在特定的軟(ruǎn)熔處理中,焊劑裏混入了不(bú)适當的揮(huī)發物;

　　12,由于焊膏配方不當而引起的焊料坍落;

　　13、焊膏使用前沒有充分恢複至室溫就(jiù)打開包裝使(shǐ)用;

　　14、印刷厚度過厚導緻“塌(tā)落”形成錫(xī)球;

　　15、焊膏中金屬含(hán)量偏低。

　　焊(hàn)料(liào)結珠(zhū)

　　焊料結珠是在使用焊膏和SMT工藝時焊料成球的一個特殊現象.，簡單地(dì)說,焊珠是指那些非常大的焊球,其上粘帶有(或沒(méi)有(yǒu))細小的焊料球(11).它們形成在(zài)具有極低的托腳的元件如芯片電容器的(de)周圍。焊料結珠是(shì)由焊劑排(pái)氣而(ér)引起,在預熱階段這種排氣作用超過(guò)了焊膏(gāo)的内聚力(lì),排氣(qì)促進(jìn)了焊膏在低間隙元件下形(xíng)成孤立的團粒,在軟(ruǎn)熔時,熔化了(le)的孤立焊膏再次從元件下冒出來,并聚結起。

　　焊接結珠的原因包括：

　　1,印(yìn)刷電路的厚度太高;

　　2,焊點和元件重疊太多;

　　3,在元(yuán)件下塗了過多的錫膏(gāo);

　　4,安置元件的壓力太(tài)大;

　　5,預熱時溫度上升速度太快;

　　6,預熱溫度太高;

　　7,在濕氣從元件(jiàn)和阻焊料中釋放出來;

　　8,焊劑的活性太高;

　　9,所(suǒ)用的粉(fěn)料太細;

　　10,金屬負荷太低;

　　11,焊膏(gāo)坍落太多;

　　12,焊粉氧化物太多;

　　13,溶劑蒸氣壓不(bú)足。消除焊料結珠的最簡易的(de)方法也許是改變模版(bǎn)孔隙形狀,以使在低托(tuō)腳元(yuán)件(jiàn)和焊點之間夾有較少的焊膏。

　　焊接角(jiǎo)焊接擡起

　　焊接角縫擡(tái)起指在波峰焊接後引線和焊接角焊縫從具有細微電路間距的四芯線組扁平集成電路(QFP)的焊點上完全擡起來,特别是在元件棱角附近的地方，一個可能的(de)原因是在(zài)波峰焊前抽樣檢測時加在引線上的機械應力,或(huò)者是在處理電路闆時所受到的機械損壞(12),在波(bō)峰焊前抽樣檢測時,用(yòng)一個鑷子(zǐ)劃過QFP元件的引(yǐn)線,以确定(dìng)是否所有的引線在軟溶烘烤時都焊(hàn)上了;其結果是(shì)産生了沒有對準的(de)焊(hàn)趾,這可在從上(shàng)向下觀察看到(dào),如果闆的(de)下面加熱在焊接區(qū)/角焊(hàn)縫的間界面上引(yǐn)起了部分二次軟(ruǎn)熔,那麽,從電路闆(pǎn)擡起引線和角焊縫能夠減(jiǎn)輕内在的應力,防止(zhǐ)這個(gè)問題的一個辦法(fǎ)是在波峰焊之後(而不是在波峰焊之前)進行抽樣檢(jiǎn)查。

　　豎碑(Tombstoning)

　　豎碑(Tombstoning)是指無(wú)引線元件(如片式(shì)電(diàn)容器或電阻(zǔ))的一端離開了襯底，甚至整個(gè)元件都支在它的(de)一端(duān)上。 Tombstoning也稱爲(wèi)Manhattan效應、Drawbridging 效應或Stonehenge 效應，它是由軟熔元件兩端不均勻潤濕而引起(qǐ)的;因(yīn)此,熔融焊料的不夠均衡的表(biǎo)面(miàn)張力拉(lā)力就施加在元件的兩端上,随着SMT小型化的進展,電子元件對(duì)這個(gè)問題(tí)也變得越(yuè)來越敏感。

　　此種(zhǒng)狀況形成的原因：

　　1、加熱不均勻(yún);

　　2、元件(jiàn)問題：外形差異、重量太(tài)輕(qīng)、可焊(hàn)性差(chà)異;

　　3、基闆材料(liào)導熱性差，基闆的厚度(dù)均勻性差;

　　4、焊盤的熱(rè)容量差異(yì)較大(dà)，焊盤的可焊性差異較大;

　　5、錫膏中助焊劑的均勻性(xìng)差或(huò)活性差，兩個焊盤上的錫膏(gāo)厚度差異較大，錫膏太厚，印刷精(jīng)度差，錯(cuò)位嚴重;

　　6、預熱溫度太低;

　　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,焊球(qiú)不對準,焊球漏失以及焊料量不足等缺陷,這(zhè)通常是由于軟熔時對球體的固定力(lì)不足或(huò)自定心力不足而引起。固定(dìng)力不足可能是由(yóu)低(dī)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(hàn)劑活性較弱或焊料量過低而(ér)引起。

　　BGA成球作用可通(tōng)過單(dān)獨(dú)使用焊膏或者将焊料球與焊膏(gāo)以及焊料球與焊劑(jì)一起使用來實現; 正(zhèng)确的可行方法是将整體預成形與焊劑或焊膏一起使用。最(zuì)通用的(de)方法看來是(shì)将焊(hàn)料球與焊膏一起(qǐ)使用，利用錫62或(huò)錫63球焊的成球工藝産(chǎn)生了極好的效(xiào)果。在使用焊劑(jì)來進行錫62或錫63球焊的情況(kuàng)下,缺陷率(lǜ)随着焊劑粘度,溶(róng)劑的揮發性和間距尺寸的下降而增加，同時也随着焊劑的熔敷厚度(dù)，焊劑的活性以及焊點直徑的增加而增加，在(zài)用焊膏來進行高溫熔化(huà)的球焊系統中(zhōng)，沒有觀察到有焊球(qiú)漏失現象出現，并且其對準精确度随焊膏熔敷厚度與溶劑揮發性，焊劑的活性，焊點的尺寸與可焊性以(yǐ)及金屬負載的增加而增(zēng)加，在使用錫63焊膏時，焊膏的粘(zhān)度，間距與軟熔截面對高熔化溫度下的成球率幾乎沒有影響。在要求采用常規的印刷棗釋放工藝的情況下，易于釋放(fàng)的焊膏對焊膏的單獨成球是至關重要的。整體預成形的成球工藝(yì)也是很的發展的前(qián)途的。減少焊料鏈(liàn)接的厚度與寬度對提高成球的成(chéng)功率也是相當重要的。 形成孔隙

　　形(xíng)成孔隙通常是一個與焊接接頭的相關的問題。尤(yóu)其是應(yīng)用SMT技術來軟(ruǎn)熔焊膏的(de)時候，在采用無(wú)引線陶瓷芯片的情況(kuàng)下，絕大(dà)部分的大孔隙(xì)(>0.0005英寸(cùn)/0.01毫米)是處于LCCC焊點和(hé)印刷電路闆焊點之間，與此同時,在LCCC城堡(bǎo)狀(zhuàng)物(wù)附近的角焊縫中,僅有很少量的小孔隙，孔隙的存在會影響焊接(jiē)接(jiē)頭的機械性能,并會損害接(jiē)頭的強度(dù),延展性和疲勞壽(shòu)命,這是因爲孔隙的生長會聚結成可延伸的裂紋并(bìng)導緻疲勞，孔隙也會使焊料的應力(lì)和 協變增加,這也是引起損壞的原因。此外,焊料在凝固時(shí)會發生(shēng)收縮(suō),焊接電鍍通孔時的分層排氣以及(jí)夾帶焊劑等也是造成孔隙的原因。

　　在焊接(jiē)過程中,形成孔隙的械(xiè)制是比較複雜的，一般而言,孔隙是由軟熔時夾層狀結構中的焊料中夾帶的焊劑排氣而造成的(2,13)孔隙的形(xíng)成主要由金屬化區(qū)的可焊(hàn)性決定,并随着焊劑活性的降低,粉末的(de)金屬負荷的增加以及引線接頭下的覆蓋區的增加而變化,減少焊料顆粒的尺(chǐ)寸僅能銷許(xǔ)增加孔隙。此外,孔隙的形成也與焊料(liào)粉的聚結(jié)和消(xiāo)除固定金(jīn)屬氧化物之間的時間分配有關。焊膏聚結越早，形成的孔隙(xì)也越多。通常,大孔隙的比例随總孔隙(xì)量的增加而增加.與總孔隙量(liàng)的(de)分析結果所(suǒ)示的(de)情況相比,那些有(yǒu)啓發性的引起孔隙形成因素将對(duì)焊接接頭的可靠性産生更大的影響。

　　控制孔隙形成的方法包括(kuò):

　　1,改進元件/衫底的可(kě)焊性;

　　2,采用具有較高助焊活性的焊劑(jì);

　　3,減少焊料粉狀氧化物;

　　4,采用惰性加熱氣氛.

　　5,減緩軟熔前的預熱過程.與上述情況相(xiàng)比,在(zài)BGA裝配中孔隙的形(xíng)成遵照一個略有不同的模式(shì)(14).一般說來.在采用錫63焊(hàn)料塊的BGA裝配中孔隙主要是在闆級裝配階段(duàn)生成的.在預鍍錫的印刷電路闆上,BGA接頭的(de)孔隙量(liàng)随溶劑的揮發性,金屬成分和軟熔溫度的升高而增加,同時也(yě)随粉粒尺寸的減少而增加;這可由決定焊劑排出速度的粘度(dù)來加以解釋.按照這個模型,在軟熔溫度下(xià)有(yǒu)較高粘(zhān)度的助(zhù)焊劑介質會妨礙焊劑從(cóng)熔融焊料(liào)中排(pái)出。

　　因此,增加夾帶焊劑的數量會增大放氣的可能性,從而導緻在BGA裝配中有較大的孔隙度.在不考慮固定的金屬化區的可焊(hàn)性的情況下,焊劑的活(huó)性和軟熔氣氛對孔隙生成的影響似乎可以忽略不(bú)計.大孔隙的比例會随總孔隙量的增加而(ér)增加,這(zhè)就表明,與總孔隙量分析結果所示的情況(kuàng)相比,在BGA中引起孔隙生成的因素(sù)對(duì)焊接接頭的可(kě)靠(kào)性有更大的影響,這一點與在SMT工藝(yì)中空隙生城的情況相似(sì)。

　　總(zǒng)結 　焊膏的回流焊接是SMT裝配工藝(yì)中的(de)主要(yào)的闆極互連方法，影響回流焊接(jiē)的(de)主要問題包括(kuò)：底面元件的固定、未(wèi)焊滿、斷續潤濕、低(dī)殘留物、間隙、焊料成(chéng)球、焊料結珠、焊接角焊縫擡起、TombstoningBGA成球(qiú)不良、形成孔隙等,問題還不僅限(xiàn)于此,在本文中未提及的問題還有浸析作用,金屬間化物,不(bú)潤濕,歪扭(niǔ),無鉛焊接等.隻有 解(jiě)決了這些問題,回流焊接作爲一個重要的SMT裝配方法,才能在超細微(wēi)間距的時代繼續(xù)成功地保留(liú)下去。

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