焊錫(xī)膏使用中的常見(jiàn)問題分析

       焊錫膏使用中的常見問題分析

  焊(hàn)膏的回流焊接是用在smt裝配工藝(yì)中的主要闆級互連方法，這種焊接方法把所需要的焊接特性極好地結合在一起，這些特性(xìng)包括易于加工、對(duì)各種SMT設計有廣泛的兼容性，具有高的焊接可靠性以及成(chéng)本低等;然而，在回流焊接被用作爲(wèi)最重要的SMT元件(jiàn)級和闆級互連方法的時候，它(tā)也受(shòu)到要求進一步改進焊接性能的挑戰，事實上，回流焊接技術能否經受(shòu)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，尤其是在超(chāo)細微間距技術不斷(duàn)取得進展(zhǎn)的情況之下。下面我們将探讨影響(xiǎng)改進回流(liú)焊接性能的幾個主要問題，爲發激(jī)發工業(yè)界研究出解(jiě)決這一課題的新方法(fǎ)，我們分别對每個問題簡要介紹(shào)。
　　底面元件的固定

　　雙(shuāng)面回流焊接已(yǐ)采用多年(nián)，在此，先對第一面進行印刷布(bù)線，安裝元件和軟熔，然後翻過來對電路(lù)闆的另一面進行加工處理，爲了更加節(jiē)省(shěng)起見，某(mǒu)些工藝省去了對第一面的軟熔，而是同時軟熔頂面和底面，典型的例子是電路闆(pǎn)底面上僅裝有小的元(yuán)件，如芯片電容器和芯(xīn)片電阻器，由于印刷電(diàn)路(lù)闆(PCB)的設計越來越(yuè)複雜，裝在底面上的(de)元件也越來越(yuè)大，結果軟熔時元件脫落成爲一個(gè)重要的問題。顯然，元件脫落現象是(shì)由于軟熔時熔(róng)化了的焊料對元件(jiàn)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(jì)的(de)潤濕性或(huò)焊料量不(bú)足等。其中，第一個因素是最根(gēn)本的原因。如果(guǒ)在對後面(miàn)的三(sān)個因(yīn)素(sù)加以改進後仍有元件(jiàn)脫落現象存在，就必須使用SMT粘結劑。顯然，使用粘結劑将會使軟熔時元件自對準的效果變(biàn)差。

　　未焊滿

　　未焊滿是在相鄰的引線之間形成(chéng)焊橋。通常，所有(yǒu)能引起焊膏坍落的因素都會(huì)導緻未焊滿，這些因素包(bāo)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(qiē)後恢複(fú)太慢;

　　3，金屬負荷或固體含量太低;

　　4，粉料(liào)粒度分布太廣;

　　5;焊劑表面(miàn)張力太小。但是，坍落(luò)并非必然引起未焊滿，在軟熔時，熔(róng)化了的未焊(hàn)滿焊料在表(biǎo)面張力的推動下有(yǒu)斷開的可能，焊料流失現象将使(shǐ)未焊滿問(wèn)題變得更加嚴重。在此情況下，由于焊料流失而聚集在某一區域的過量的焊料将會使(shǐ)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)的因素也引起未滿(mǎn)焊的常見原因：

　　1，相對于焊點之間的空間而言，焊膏(gāo)熔敷太多(duō);

　　2，加熱溫(wēn)度過高;

　　3，焊膏受熱速度比電路闆更快;

　　4，焊劑潤濕速度太快;

　　5，焊劑(jì)蒸氣壓(yā)太低;

　　6;焊劑的溶劑成分太高;

　　7，焊劑(jì)樹(shù)脂軟化點太低。

　　斷續潤濕

　　焊料膜的斷(duàn)續潤濕(shī)是(shì)指有水出現在光滑(huá)的表面上(1.4.5.)，這是由于焊料能粘(zhān)附在大多數的固體金屬(shǔ)表面(miàn)上，并且在熔化了的焊料覆蓋(gài)層下隐藏着某些未被潤濕的點，因(yīn)此，在(zài)最初用熔化的焊料來覆蓋表面時，會有斷續潤濕(shī)現象出現。亞穩态的熔融焊料覆蓋層在最小表面能驅動力的作用下會發生收縮，不(bú)一(yī)會(huì)兒之後就聚集成分離的小球和脊狀秃起物。斷(duàn)續潤濕也能由部件與(yǔ)熔化的焊料相接觸時放出的氣體而引起。由于有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。水蒸氣是這些有(yǒu)關氣體(tǐ)的最常(cháng)見(jiàn)的成份，在焊接溫(wēn)度下，水蒸(zhēng)氣具極強的氧化作(zuò)用(yòng)，能夠氧化熔融焊料(liào)膜的表面或某些(xiē)表面下的界面(典型的例子是在(zài)熔融焊料交界上的金屬氧化物表面(miàn))。常見的情(qíng)況是較高的焊接溫度和較長(zhǎng)的停留時間會導緻更爲(wèi)嚴重(zhòng)的斷續潤濕現象，尤其是在基體金(jīn)屬之中，反應速度的增加會導緻更加猛烈的氣體釋放(fàng)。與此同時，較長的停留時間也(yě)會延長氣體釋放的時間。以上兩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(róng)的停(tíng)留時間;

　　3，采用流動的惰性(xìng)氣氛;

　　4，降低污染程度。

　　低殘留物

　　對不用清理的(de)軟(ruǎn)熔工藝而言(yán)，爲了獲得裝飾上或功能上的效果，常常要求低殘留(liú)物，對功能要求方(fāng)面的(de)例子包括“通過(guò)在電路(lù)中測試的焊劑殘(cán)留物來探查測試堆焊層以及在插(chā)入(rù)接頭與堆焊層之間或在插(chā)入接頭與軟熔焊接點附近的(de)通孔之間實行電接(jiē)觸(chù)”，較多的(de)焊劑殘渣(zhā)常會導緻在要實行電接觸的金屬表層上有過多的殘留物覆蓋，這會妨礙電連(lián)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(de)關注。

　　顯然，不用清理的低殘留(liú)物焊膏是滿足這個要求(qiú)的(de)一個理想的解決辦法。然而，與此相(xiàng)關的軟熔必要條(tiáo)件卻使這個問題(tí)變得更加複雜化了(le)。爲了預測在不同級别的惰性軟(ruǎn)熔氣氛中低殘留(liú)物(wù)焊膏的焊接性(xìng)能，提(tí)出一個半經驗的模型，這個(gè)模型預示，随(suí)着氧含量的降低，焊接性能會迅速地改進(jìn)，然後逐(zhú)漸趨于平(píng)穩，實驗結果(guǒ)表明，随着氧濃度(dù)的降低，焊接強度和焊(hàn)膏的潤(rùn)濕能力會有所增加，此外，焊接強度也(yě)随焊劑中固體含量的(de)增加而增加。實驗數據(jù)所(suǒ)提出(chū)的模型是可比較的，并強(qiáng)有力地證明了模型(xíng)是有效(xiào)的，能夠(gòu)用以預測焊膏與材料的焊接(jiē)性能(néng)，因此，可以斷言，爲了在焊接工藝中(zhōng)成功地采用不用清(qīng)理的低殘留物焊料，應當使用(yòng)惰性的軟熔氣(qì)氛。 間隙 　間隙是指在元(yuán)件引線與電路闆焊點之間(jiān)沒有形(xíng)成焊接點。

　　一般來說，這可歸因于(yú)以下四方(fāng)面的原因：

　　1，焊料熔敷不足(zú);

　　2，引(yǐn)線共面(miàn)性差;

　　3，潤濕不夠;

　　4，焊料損(sǔn)耗棗(zǎo)這(zhè)是由預鍍錫的(de)印刷電路闆上焊膏坍落，引線的芯吸作(zuò)用(2.3.4)或(huò)焊點附近的通孔引起的,引線共面性問題(tí)是新的(de)重量較輕的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(de)問題,爲了解決這個問題,提出了在裝配(pèi)之前用焊料來預塗覆焊點的方法(fǎ)(9),此法是擴(kuò)大局部焊點的(de)尺寸并沿着鼓起的焊料預(yù)覆(fù)蓋區形成一個可控(kòng)制的(de)局部焊接區,并由此來抵償引線共面性的變化和防止間隙,引線的芯(xīn)吸作用可以通過減慢加熱速度以及讓底面比頂面受(shòu)熱更(gèng)多來加以解決,此外,使用潤濕速度較慢(màn)的焊劑,較高的活化溫度或能延緩(huǎn)熔化的焊膏(如混有錫粉和鉛粉的焊膏)也能最(zuì)大限度地減少芯吸作用.在用錫鉛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(yǐn)起的芯吸(xī)作用。

　　焊料成球

　　焊料成球是最常見的也(yě)是最棘手的問題，這(zhè)指軟熔工序(xù)中焊料在離主焊料熔池不(bú)遠的地方凝固成大小不等(děng)的球粒(lì);大多數的情況(kuàng)下,這些球粒是由焊膏中的焊(hàn)料粉組成的，焊料成球使人們耽(dān)心會有電路短路、漏電和焊(hàn)接點上焊料不足等問(wèn)題發生，随着細微間距技術和不用清理的焊(hàn)接方法的進(jìn)展，人們(men)越來越迫切(qiē)地要求使用無焊料(liào)成(chéng)球(qiú)現象的SMT工藝。

　　引起焊料成球(1,2,4,10)的原因包括：

　　1,由于電路印制工藝不當而(ér)造成的(de)油(yóu)漬;

　　2,焊膏過多地暴露在具(jù)有氧化作用的環境中;

　　3,焊膏過多地暴(bào)露在(zài)潮濕環境中;

　　4,不适當的加熱方(fāng)法;

　　5,加熱速度太快;

　　6,預熱斷(duàn)面太(tài)長;

　　7,焊料掩膜和焊膏間的相互作用;

　　8,焊劑活性不夠;

　　9,焊(hàn)粉氧化物或污染(rǎn)過多;

　　10,塵粒太多;

　　11,在特(tè)定的軟熔處理中(zhōng),焊劑裏混入(rù)了不适當的揮(huī)發物;

　　12,由于焊膏配方不當(dāng)而引起的焊料坍落;

　　13、焊膏使用前沒有充分恢複至室溫就打開包裝使用;

　　14、印刷厚度過厚導緻“塌落”形成錫球;

　　15、焊膏中金屬含量偏低(dī)。

　　焊料結珠(zhū)

　　焊料結珠是在使用焊(hàn)膏和SMT工藝時焊料成球的一個(gè)特殊現象.，簡單地(dì)說,焊珠是指那些非(fēi)常大的焊球,其(qí)上粘帶有(或沒有(yǒu))細小的焊料球(11).它們形成在(zài)具有極低的托(tuō)腳的元件如芯(xīn)片電容器的周(zhōu)圍。焊料結珠是(shì)由焊劑排(pái)氣而引起,在預熱階段這種排(pái)氣作用超過了焊膏(gāo)的内聚力,排氣(qì)促進了(le)焊膏在低(dī)間隙元件下(xià)形(xíng)成孤立的團粒,在軟熔時,熔化了(le)的孤立焊膏再次從(cóng)元件下冒出來,并聚結起。

　　焊接結(jié)珠(zhū)的原因包括：

　　1,印刷電路的厚度太高;

　　2,焊點和元件重疊太多;

　　3,在元件(jiàn)下塗了過(guò)多的錫膏;

　　4,安置(zhì)元件的壓力太大;

　　5,預熱時溫度上升速度太快;

　　6,預熱溫度太高;

　　7,在濕(shī)氣從元件(jiàn)和阻焊料中釋放出來;

　　8,焊(hàn)劑的活性太高;

　　9,所用的粉料太細;

　　10,金屬負荷太低;

　　11,焊膏坍落(luò)太多;

　　12,焊粉氧化物太多;

　　13,溶劑蒸氣壓不足。消除焊(hàn)料結珠(zhū)的最簡易的(de)方法也許是改(gǎi)變模(mó)版孔隙形狀,以使在低托腳元(yuán)件和焊點之間夾有較少的焊膏。

　　焊接角(jiǎo)焊接擡起(qǐ)

　　焊接角縫擡起指在波峰焊接後引線(xiàn)和焊接角焊(hàn)縫從(cóng)具有(yǒu)細微電路間距(jù)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(jiàn)棱角附近的地方，一個可能的(de)原因是在波峰焊前抽(chōu)樣(yàng)檢測時加在引(yǐn)線上的機械應力,或者是在處理電路闆時所受到的機械損壞(12),在波峰焊前抽樣檢測時,用(yòng)一個鑷子劃過QFP元件(jiàn)的引線,以确定(dìng)是否所有的引線在軟溶烘(hōng)烤時都焊上了;其結果是産生了沒有對準的焊(hàn)趾,這可在從上向下觀察看到,如果闆的下面加熱在(zài)焊接區/角焊縫的間界(jiè)面上(shàng)引起了部(bù)分二次(cì)軟(ruǎn)熔,那麽,從電路闆擡起引線和角焊縫能夠減輕内在的應力,防止這個問題的一(yī)個辦法是在(zài)波峰焊之後(而不(bú)是在波峰焊之前)進行抽樣檢(jiǎn)查。

　　豎碑(Tombstoning)

　　豎碑(Tombstoning)是(shì)指無引線元件(jiàn)(如片(piàn)式電容(róng)器或電阻)的一端(duān)離開了襯底，甚(shèn)至整個(gè)元件都(dōu)支在它的一端(duān)上。 Tombstoning也稱爲Manhattan效應(yīng)、Drawbridging 效應或Stonehenge 效應，它是由(yóu)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面張力拉力就施加在元件的(de)兩端上,随着SMT小型化的進展,電子元件對這個問題(tí)也變得越來越敏感。

　　此種狀況形成的原(yuán)因：

　　1、加熱不均(jun1)勻;

　　2、元件(jiàn)問題：外形(xíng)差異、重量太輕(qīng)、可焊性差(chà)異;

　　3、基闆材料導(dǎo)熱性差，基闆的厚度(dù)均勻性差;

　　4、焊盤的熱容量差異較大，焊盤的可焊性差異較大;

　　5、錫(xī)膏中助焊劑的均勻性差或(huò)活性差，兩個焊(hàn)盤上的錫膏厚度差異較大，錫膏太(tài)厚，印刷精度差，錯位嚴重;

　　6、預熱溫度太低;

　　7、貼裝精度差，元件偏移嚴重。 Ball Grid Array (BGA)成(chéng)球不(bú)良

　　BGA成球常(cháng)遇到諸如未焊滿,焊球(qiú)不對準(zhǔn),焊球漏失以及焊料量不足等缺陷,這通常(cháng)是由于軟熔時對球體的固定力不(bú)足或(huò)自定心(xīn)力不足而(ér)引起(qǐ)。固定力不足可能是(shì)由低粘稠,高阻擋厚度或高放氣速度造(zào)成的;而自定力不足一(yī)般由(yóu)焊劑活(huó)性較弱或焊料量過低而引起。

　　BGA成球作用可通過單獨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; 正确的可行方法是将整體預成形與焊劑或焊膏一(yī)起使用。最通用的方法看來是将焊(hàn)料球與焊膏一起(qǐ)使用，利用錫62或錫63球焊的成球工藝産生了極好的效果。在(zài)使用焊劑(jì)來進行錫62或錫63球焊的情況下,缺陷率随着焊劑粘度,溶(róng)劑的揮發性和間距尺寸的(de)下降而增加，同時也随(suí)着焊(hàn)劑的熔敷厚度，焊(hàn)劑(jì)的活性以及焊點直(zhí)徑的增加而增(zēng)加，在(zài)用焊膏來(lái)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(yǔ)溶劑(jì)揮發性，焊劑的活性，焊點的尺寸與可焊(hàn)性以及金屬負載的增(zēng)加而增加，在使用錫63焊膏時，焊膏的粘(zhān)度，間距與軟熔截面對(duì)高熔化溫度下的成球率幾(jǐ)乎沒有影響。在要求采用常規的印刷棗釋放工(gōng)藝的情(qíng)況下，易于釋放(fàng)的焊膏對焊膏的單(dān)獨成球是至關重要的。整體預成形的成(chéng)球工藝也是很的發(fā)展的前途的。減(jiǎn)少焊料鏈(liàn)接的厚度與寬(kuān)度(dù)對提高成球的成功率也是相當重要的。 形成孔隙

　　形成孔隙通常是一個與焊接接(jiē)頭的相關的問題。尤(yóu)其(qí)是應用SMT技術來軟熔焊膏的時候(hòu)，在采用無引線陶瓷芯片的情況下，絕(jué)大(dà)部分的大孔隙(xì)(>0.0005英寸/0.01毫米)是處于LCCC焊點和印刷電路闆焊點之間，與此同時,在LCCC城堡狀物(wù)附近的角焊縫(féng)中,僅有很少量的小(xiǎo)孔隙，孔隙的存在會影響焊接接頭的機械性能,并會損害接頭的強度,延展性和疲勞壽(shòu)命,這是因爲孔隙(xì)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(de)應力和 協變增加,這也(yě)是引起損壞的原因。此外,焊料在凝固時會發生收縮,焊接電(diàn)鍍通孔時(shí)的分層排氣以及夾帶焊劑等也是造(zào)成孔隙的原因。

　　在焊接過程中,形成(chéng)孔隙的械制是比較複雜(zá)的，一般而言,孔(kǒng)隙是由軟熔時夾層狀結構中的焊料中夾帶的焊劑排氣而(ér)造成(chéng)的(2,13)孔(kǒng)隙的形成主要由金屬化區的可焊性決定,并随着焊劑活性的降(jiàng)低,粉末的金屬(shǔ)負荷的增加以及引線接頭下的覆(fù)蓋區的增加而(ér)變(biàn)化,減少焊料顆粒的尺寸僅能銷許增(zēng)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(de)時間分配有關。焊膏聚結越(yuè)早，形成的孔隙也越(yuè)多。通常,大(dà)孔隙的比例随總孔隙量的增加而增加.與總孔隙(xì)量的分析結果所示的情況相比,那些有啓發性的引起孔隙形成因素将對焊接接頭的可靠性産生更大的影響(xiǎng)。

　　控制孔隙形成的(de)方法包括:

　　1,改進(jìn)元件(jiàn)/衫底的可焊性;

　　2,采(cǎi)用具有較高(gāo)助焊活性的焊(hàn)劑;

　　3,減少焊料粉狀氧(yǎng)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(kuàng)相比,在BGA裝配中孔隙的形成遵照一個略有(yǒu)不同的模式(shì)(14).一般說(shuō)來.在采用錫63焊料塊的BGA裝配中孔(kǒng)隙主(zhǔ)要(yào)是在闆級裝配階段(duàn)生成的(de).在預鍍錫的印刷電路闆上,BGA接頭的孔隙量随溶劑的揮發性,金屬成分(fèn)和軟熔溫度的升(shēng)高而增加,同時也随粉粒尺寸的減少而增加;這可由(yóu)決定(dìng)焊劑排出速度的粘度來加(jiā)以解釋.按照這個模(mó)型,在軟熔溫度下有(yǒu)較高(gāo)粘度的助(zhù)焊劑(jì)介質會妨礙(ài)焊劑從(cóng)熔融焊料(liào)中排出。

　　因此,增加夾帶焊劑的(de)數量會增大放氣的(de)可能(néng)性,從而導緻在BGA裝配中有較大的(de)孔隙度.在不考慮固定的金屬化(huà)區的可焊性的(de)情況(kuàng)下,焊劑的活性和軟熔氣氛對孔隙(xì)生成的影(yǐng)響似乎可以忽略(luè)不計.大(dà)孔隙的比例會随(suí)總孔隙量的增加(jiā)而增加,這就表明,與總孔隙量分析結果所示的情況相比,在BGA中引起孔隙生成的因素對焊接接頭的可靠(kào)性有更大(dà)的影響,這一點與在SMT工藝(yì)中空隙生城的情況相似。

　　總結 　焊膏(gāo)的回流焊接是SMT裝配工藝中的主要的闆極互連方法，影響回流焊接(jiē)的主要(yào)問題包括：底面(miàn)元件的(de)固定、未焊滿、斷續潤濕、低殘留物、間隙、焊料成球、焊料(liào)結珠、焊接角焊縫擡起、TombstoningBGA成球不良、形成孔(kǒng)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(xī)作用,金屬間化物,不潤濕,歪扭,無鉛焊接等.隻有 解(jiě)決了這些問題,回流焊接作爲(wèi)一個(gè)重要的SMT裝配方(fāng)法,才能在超細微間距的時代繼續成功地保留下去(qù)。

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