控制SMT焊接幾種缺陷方式的解析

1、引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/160696.htm

表面組裝技術在減小電子產品體積、重量和提高可靠性等方面的突出優點，迎合了未來製造技術的要求。但是，要制定和選擇適用於具體產品的表面組裝工藝不是簡單的事情，因為SMT技術是涉及了多項技術的複雜的系統工程，其中任何一項因素的改變均會影響電子產品的焊接質量。元器件焊點的焊接質量是直接影響印製電路組件(PWA)乃至整機質量的關鍵因素。它受許多參數的影響，如焊膏、基板、元器件可焊性、絲印、貼裝精度以及焊接工藝等。我們在進行SMT工藝研究和生產中，深知合理的表面組裝工藝技術在控制和提高SMT生產質量中起到至關重要的作用。本文就針對所遇到的幾種典型焊接缺陷產生機理進行分析，並提出相應的解決方案。

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，而且電子產品存在短路的危險，因此需要排除。國際上對錫球存在認可標準是：印製電路組件在600範圍內不能出現超過5個錫球。產生錫球的原因有多種，需要找到問題根源。

2.1.1 波峰焊中的錫球

波峰焊中常常出現錫球，主要原因有兩方面：第一，焊接印製板時，印製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，水汽就會通過孔壁排除，如果孔內有焊料，當焊料凝固時水汽就會在焊料內產生空隙(針眼)，或擠出焊料在印製板正面產生錫球。第二，在印製板反面(即接觸波峰的一面)產生的錫球是由于波峰焊接中一些工藝參數設置不當而造成的。如果助焊劑塗覆量增加或預熱溫度設置過低，就可能影響焊劑內組成成分的蒸發，在印製板進入波峰時，多餘的焊劑受高溫蒸發，從錫槽中濺出來，在印製板面上產生不規則的焊料球。針對上述兩個原因，我們採取以下相應的解決措施：第一，通孔內適當厚度的金屬鍍層是很關鍵的，孔壁上的銅鍍層最小應為25um，而且無空隙。第二，使用噴霧或發泡式塗覆助焊劑。發泡方式中，在調節助焊劑的空氣含量時，應保持儘可能產生最小的氣泡，泡沫與PCB接觸面相對減小。第三，波峰焊機預熱區溫度的設置應使線路板頂面的溫度達到至少100°C。適當的預熱溫度不僅可消除焊料球，而且可以避免線路板受到熱衝擊而變形。

2.1.2 回流焊中的錫球

2.1.2.1 回流焊中錫球形成的機理

回流焊接中出的錫球，常常藏於矩形片式元件兩端之間的側面或細距引腳之間。在元件貼裝過程中，焊膏被置於片式元件的引腳與焊盤之間，隨著印製板穿過回流焊爐，焊膏熔化變成液體，如果與焊盤和器件引腳等潤溼不良，液態焊錫會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焊點。部分液態焊錫會從焊縫流出，形成錫球。因此，焊錫與焊盤和器件引腳潤溼性差是導致錫球形成的根本原因。

2.1.2.2 原因分析與控制方法

造成焊錫潤溼性差的原因很多，以下主要分析與相關工藝有關的原因及解決措施：

a)回流溫度曲線設置不當。焊膏的回流是溫度與時間的函數，如果未到達足夠的溫度或時間，焊膏就不會回流。預熱區溫度上升速度過快，達到平頂溫度的時間過短，使焊膏內部的水分、溶劑未完全揮發出來，到達回流焊溫區時，引起水分、溶劑沸騰，濺出焊錫球。實踐證明，將預熱區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焊球，就有必要檢查金屬板設計結構。模板開口尺寸腐蝕精度達不到要求，對於焊盤大小偏大，以及表面材質較軟(如銅模板)，造成漏印焊膏的外形輪廓不清晰，互相橋連，這種情況多出現在對細間距器件的焊盤漏印時，回流焊後必然造成引腳間大量錫珠的產生。因此，應針對焊盤圖形的不同形狀和中心距，選擇適宜的模板材料及模板製作工藝來保證焊膏印刷質量。

c)如果在貼片至回流焊的時間過長，則因焊膏中焊料粒子的氧化，焊劑變質、活性降低，會導致焊膏不回流，焊球則會產生。選用工作壽命長一些的焊膏(我們認為至少4小時)，則會減輕這種影響。

d)另外，焊膏印錯的印製板清洗不充分，使焊膏殘留於印製板表面及通孔中。回流焊之前，被貼放的元器件重新對準、貼放，使漏印焊膏變形。這也是造成焊球的原因。

因此，應加強操作者和工藝人員在生產過程的責任心，嚴格遵照工藝要求和操作規程行生產，加強工藝過程的質量控制。

2。2 立片問題(曼哈頓現象)

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

a)有缺陷的元件排列方向設計。我們設想在再流焊爐中有一條橫跨爐子寬度的再流焊限線，一旦焊膏通過它就會立即熔化。片式矩形元件的一個端頭先通過再流焊限線，焊膏先熔化，完全浸潤元件的金屬表面，具有液態表面張力;而另一端未達到183°C液相溫度，焊膏未熔化，只有焊劑的粘接力，該力遠小於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，保持元件兩端同時進入再流焊限線，使兩端焊盤上的焊膏同時熔化，形成均衡的液態表面張力，才能保持元件位置不變。

b)在進行汽相焊接時印製電路組件預熱不充分。汽相焊是利用惰性液體蒸汽冷凝在元件引腳和PCB焊盤上時，釋放出熱量而熔化焊膏。汽相焊分平衡區和飽和蒸汽區，在飽和蒸汽區焊接溫度高達217°C，在生產過程中我們發現，如果被焊組件預熱不充分，經受一百多度的溫差變化，汽相焊的汽化力容易將小於1206封裝尺寸的片式元件浮起，從而產生立片現象。我們通過將被焊組件在高低箱內以145°C-150°C的溫度預熱1-2分鐘，然後在汽相焊的平衡區內再預熱1分鐘左右，最後緩慢進入飽和蒸汽區焊接，最終消除了立片現象。

c)焊盤設計質量的影響。若片式元件的一對焊盤大小不同或不對稱，也會引起漏印的焊膏量不一致。小焊盤對溫度響應快，其上的焊膏易熔化，大焊盤則相反，所以，當小焊盤上的焊膏熔化後，在焊膏表面張力作用下，將元件拉直豎起。焊盤的寬度或間隙過大，也都可能出現立片現象。嚴格按標準規範進行焊盤設計是解決該缺陷的先決條件。

2.3 細間距引腳橋接問題

導致細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)印製板上有缺陷的細間距引線製作;c)不恰當的回流焊溫度曲線設置等。因而，應從模板的製作、絲印工藝、回流焊工藝等關鍵工序的質量控制入手，儘可能避免橋接隱患。

2.3.1模板材料的選擇

SMT工藝質量問題70%出自於印刷這道工序，而模板是必不可少的關鍵工裝，直接影響印刷質量。通常我們使用的模板材料是銅板和不鏽鋼板。不鏽鋼板與銅板相比有較小的摩擦係數和較高的彈性，因此在其它條件一定的情況下，更有利於焊膏脫模和焊膏成型。通過0.5mm引腳中心距QFP208器件組裝試驗統計，因銅模板漏印不合格而造成的疵點數佔器件總焊點數(208個)的20%左右;在其它條件一定的情況下，利用不鏽鋼模板漏印，造成的疵點率平均為3%。因此，對引腳中心距為0.635mm以下的細間距元器件的印刷，提出必須採用不鏽鋼板的要求，厚度優選0.15mm～0.2mm。

2.3.2絲印過程工藝控制

焊膏在進行回流焊之前，若出現坍塌，成型的焊膏圖形邊不清晰，在貼放元器件或進入回流焊預熱區時，由於焊膏中的助焊劑軟化，會造成引腳橋接。焊膏的坍塌是不合適的焊膏材料和不宜的環境條件所致，如較高的室溫會造成焊膏坍塌。在絲印工序中，我們通過以下工藝的調整，小心地控制焊膏的流變特性，減少了坍塌。

a)絲印細間距引線，通常選用厚度較薄的模板。為避免漏印的焊膏量偏少，所需的焊膏黏度應較低，這樣焊膏流動性好，易漏印，而且模板與PCB脫模時不易帶走焊膏，保證焊膏塗覆量。但同時為了保持焊膏印刷圖形的理想形態，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，在絲印時保持適宜的環境溫度，焊膏黏度與環境溫度的關係式表示如下：

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

式中：u-粘度係數;

A，B-常數;

T-絕對溫度。

通過上式可看出，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，因為他們決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係如圖2所示。在焊膏類型和環境溫度較合適的情況下，在刮刀壓力一定的情況下，將印刷速度調慢，可以保持焊膏黏度基本不變，這樣供給焊膏的時間加長，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，也會在減少細間距引腳橋接方面起到良好的效果。根據我們使用的SP200型絲印機，我們認為印刷細間距線較理想的工藝參數是：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的最小間隙小於等於0.2mm。