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，這些特性包括易于加工、對各種 SMT設計有廣泛的兼容性，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元件級和板級互連方法的時(shí)候，它也受到要求進(jìn)一步改進(jìn)焊接性能的挑戰，事實(shí)上，回流焊接技術(shù)能否經(jīng)受住這一挑戰將決定焊膏能否繼續作為首要的 SMT焊接材料，尤其是在超細微間距技術(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)對電路板的另一面進(jìn)行加工處理，為了更加節省起見(jiàn)， 某些工藝省去了對第一面的軟熔，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）的設計越來(lái)越復雜，裝在底面上的元件也越來(lái)越大，結果軟熔時(shí)元件脫落成為一個(gè)重要的問(wèn)題。顯然，元件脫落現象是由于軟熔時(shí)熔化了的焊料對元件的垂 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。如果在對后面的三 個(gè)因素加以改進(jìn)后仍有元件脫落現象存在，就必須使用 SMT粘結劑。顯然，使用粘結劑將會(huì )使軟熔時(shí)元件自對準的效果變差。
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太慢；
3，金屬負荷或固體含量太低；
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，焊料流失現象將使未焊滿(mǎn)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(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。
斷續潤濕 焊料膜的斷續潤濕是指有水出現在光滑的表面上（ 1.4.5.），這是由于焊料能粘附在大多數的固體金屬表面上，并且在熔化了的焊料覆蓋層下隱藏著(zhù)某些未被潤濕的點(diǎn)，因此，在最初用熔化的焊料來(lái)覆蓋表面 時(shí)，會(huì )有斷續潤濕現象出現。亞穩態(tài)的熔融焊料覆蓋層在最小表面能驅動(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狀禿起物。斷續潤濕也能由 部件與熔化的焊料相接觸時(shí)放出的氣體而引起。由于有機物的熱分解或無(wú)機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(cháng)的停留時(shí)間會(huì )導致更為嚴重的斷續潤濕現象，尤其是在基體金屬之中，反應速度的增加會(huì )導致更加猛烈的氣體釋放。與此同時(shí)，較長(cháng)的停留時(shí)間也會(huì ) 延長(cháng)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，消除斷續潤濕現象的方法是：
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(lái)探查 測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”，較多的焊劑殘渣常會(huì )導致在要實(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)題變得更加復雜化了。為了預測在不同級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)驗的模型，這個(gè)模型預示，隨著(zhù)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，實(shí)驗結果表明，隨著(zhù)氧濃度的降低，焊接強度和焊膏的潤濕能力會(huì )有所增加， 此外，焊接強度也隨焊劑中固體含量的增加而增加。實(shí)驗數據所提出的模型是可比較的，并強有力地證明了模型是有效的，能夠用以預測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，應當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，潤濕不夠；
4，焊料損耗棗這是由預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)預涂覆焊點(diǎn)的方法,此法是擴大局部焊點(diǎn)的尺寸并沿著(zhù)鼓起的焊料預覆蓋區形成一個(gè)可控制的局部焊接區 ,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的地方凝固成大小不等的球粒；大多數的情況下 ,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(zhù)細微間距技術(shù)和不用清理的焊接方法的進(jìn)展，人們越來(lái)越迫切地要求使用無(wú)焊料成球現象的 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,不適當的加熱方法 ;
5,加熱速度太快 ;
6,預熱斷面太長(cháng) ;
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的揮發(fā)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(méi)有充分恢復至室溫就打開(kāi)包裝使用；
14,印刷厚度過(guò)厚導致“塌落”形成錫球；
15,焊膏中金屬含量偏低。
焊料結珠 焊料結珠是在使用焊膏和 SMT工藝時(shí)焊料成球的一個(gè)特殊現象 。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)?。焊料結珠是由焊劑排氣而引起 ,在預熱階段這種排氣作用超過(guò)了焊膏的內聚力 ,排氣促進(jìn)了焊膏在低間隙元件下形成孤立的團粒 ,在軟熔時(shí) ,熔化了的孤立焊膏再次從元件下冒出來(lái) ,并聚結起。焊接結珠的原因包括：
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,預熱時(shí)溫度上升速度太快 ;
6,預熱溫度太高 ;
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 ;
10,金屬負荷太低 ;
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時(shí)加在引線(xiàn)上的機械應力 ,或者是在處理電路板時(shí)所受到的機械損壞，在波峰焊前抽樣檢測時(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；其結果是產(chǎn)生了沒(méi)有對準的焊趾 ,這可在從上向下觀(guān)察看到 ,如果板的下面加熱在焊接區 /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在的應力 ,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、 Drawbridging效應或 Stonehenge效應，它是由軟熔元件兩端不均勻潤濕而引起的；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(zhù) SMT小型化的進(jìn)展 ,電子元件對這個(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)成球不良 BGA成球常遇到諸如未焊滿(mǎn) ,焊球不對準 ,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 ;正確的可行方法是將整體預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(zhù)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(zhù)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中，沒(méi)有觀(guān)察 到有焊球漏失現象出現，并且其對準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，間距與軟熔截面對高熔化溫度下的成球率幾乎沒(méi)有影響。在要求采用常規的印刷棗釋放工藝的情況下，易于釋放的焊膏對焊膏的單獨成球 是至關(guān)重要的。整體預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(gè)與 焊接接頭的相關(guān)的問(wèn)題。尤其是應用 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 )影響焊接接頭的機械性能 ,并會(huì )損害接頭的強度 ,延展性和疲勞壽命 ,這是因為孔隙的生長(cháng)會(huì )聚結成可延伸的裂紋并導致疲勞，孔隙也會(huì )使焊料的應力和協(xié)變增加 ,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雜的，一般而言 ,孔隙是由軟熔時(shí)夾層狀結構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的可焊性決定 ,并隨著(zhù)焊劑活性的降低 ,粉末的金屬負荷的增加以及引線(xiàn)接頭下的覆蓋區的增加而變化 ,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裝配階段生成的 .在預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 ,增加夾帶焊劑的數量會(huì )增大放氣的可能性 ,從而導致在 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性的情況下 ,焊劑的活性和軟熔氣氛對孔隙生成的影響似乎可以忽略不計 .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： 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)、斷續潤濕、低殘留物、間隙、焊料成球、焊料結珠、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 ,才能在超細微間距的時(shí)代繼續成功地保留下去。
來(lái)源：東莞市綠志島金屬有限公司
