电子焊接制程产生“锡珠”的原因分析及防控措施

来源:收集 点击数:147 更新时间:2018/12/19 9:38:45

电子焊接制程产生“锡珠”的原因分析及防控措施
    从“缩减制程、节约成本、减少污染”等角度出发,越来越多的电子焊接采用焊后“免清洗”工艺。但是如果焊后板面有“锡珠”出现,则不可能达到“免清洗”的要求,因此“锡珠”的预防与控制在实施“免清洗”过程中就显得格外重要。“锡珠”的出现不仅影响板级产品外观,更为严重的是由于印制板上元件密集,在使用过程中它有可能造成短路等状况,从而影响产品的可靠性。


       综合整个电子焊接情况,可能出现“锡珠”的工艺制程包括:“SMT表面贴装”焊接制程、“波峰焊”制程及“手工焊”制程,我们从这三个方面来一一探讨“锡珠”出现的原因及预防控制的办法。因为“波峰焊”及“手工焊”已推行多年,很多方面都已经比较成熟,因此,本文用了较多的篇幅介绍“SMT表面贴装” 焊接制程中产生“锡珠”原因及防控措施。


一,关于的“锡珠”形态及标准

       一些行业标准对“锡珠”问题进行了阐释。主要有MIL-STD-2000标准中的“不允许有锡珠”,而IPC-A-610C标准中的“每平方英寸少于5个”。在IPC-A-610C标准中,规定最小绝缘间隙0.13毫米,直径在此之内的锡珠被认为是合格的;而直径大于或等于0.13毫米的锡珠是不合格的,制造商必须采取纠正措施,避免这种现象的发生。为无铅焊接制订的最新版IPCA- 610D标准没有对锡珠现象做更清楚的规定,有关每平方英寸少于5个锡珠的规定已经被删除。有关汽车和军用产品的标准则不允许出现任何“锡珠”,所用线路板在焊接后必须被清洗,或将锡珠手工去除。


常见的锡珠形态及其尺寸照片见下图:

二,“SMT表面贴装”制程“锡珠”出现的原因及预防控制办法

        在“SMT表面贴装”焊接制程中,回流焊的“温度、时间、焊膏的质量、印刷厚度、钢网(模板)的制作、装贴压力”等因素都有可能造成“锡珠”的产生。因此,找到“锡珠”可能出现的原因,并加以预防与控制就是达成板面无“锡珠”的关键之所在。


(一),焊膏本身质量原因可能引起的“锡珠”状况

1,焊膏中的金属含量。焊膏中金属含量的质量比约为89-91%,体积比约为50%左右。通常金属含量越多,焊膏中的金属粉末排列越紧密,锡粉的颗料之间有更多机会结合而不易在气化时被吹散,因此不易形成“锡珠”;如果金属含量减少,则出现“锡珠”的机率增高。

2,焊膏中氧化物的含量。焊膏中氧化物含量也影响着焊接效果,氧化物含量越高,金属粉末熔化后在与焊盘熔合的过程中表面张力就越大,而且在“回流焊接段”,金属粉末表面氧化物的含量还会增高,这就不利于熔融焊料的完全“润湿”从而导致细小锡珠产生。  

3,焊膏中金属粉末的粒度。焊膏中的金属粉末是极细小的近圆型球体,常用的焊粉球径约在25-45μm之间,较细的粉末中氧化物含量较低,因而会使“锡珠”现象得到缓解。

4,焊膏抗热坍塌效果。在回流焊预热段,如果焊膏抗热坍塌效果不好,在焊接温度前(焊料开始熔融前)已印刷成型的焊膏开始坍塌,并有些焊膏流到焊盘以外,当进入焊接区时,焊料开始熔融,因为内应力的作用,焊膏收缩成焊点并开始浸润爬升至焊接端头,有时因为焊剂缺失或其他原因导致焊膏应力不足,有一少部分焊盘外的焊膏没有收缩回来,当其完全熔化后就形成了“锡珠”。

      由此可见,焊膏的质量及选用也影响着锡珠产生,焊膏中金属及其氧化物的含量,金属粉末的粒度、焊膏抗热坍塌效果等都在不同程度地影响着“锡珠”的形成。


(二),使用不当形成 “锡珠”的原因分析

1,“锡珠”在通过回流焊炉时产生的。我们大致可以将回流焊过程分为“预热、保温、焊接和冷却”四个阶段。“预热段”是为了使印 制板和表贴元件缓慢升温到120-150℃之间,这样可以除去焊锡膏中易挥发的溶剂,减少对元件的热冲击。而在这一过程中焊膏内部会发生气化现象,这时如果焊膏中金属粉末之间的粘结力小于焊剂气化产生的力,就会有少量“焊粉”从焊盘上流下或飞出,在“焊接”阶段,这部分“焊粉”也会熔化,从而形成“锡珠”。由此可以得出这样的结论“预热温度越高,预热速度越快,就会加剧焊剂的气化现象从而引起坍塌或飞溅,形成锡珠”。因此,我们可以采取较适中的预热温度和预热速度来控制“锡珠”的形成。

2,焊膏在印制板上的印刷厚度及印刷量。焊膏的印刷厚度是生产中一个主要参数,印刷厚度通常在0.15-0.20mm之间,过厚或过多就容易导致“坍塌”从而形成“锡珠”。在制作钢网(模板)时,焊盘的大小决定着模板开孔的大小,通常,我们为了避免焊膏印刷过量,将印刷孔的尺寸控制在约小于相应焊盘接触面积10%,结果表明这样会使“锡珠”现象有一定程度的减轻。

3,如果在贴片过程中贴装压力过大,当元件压在焊膏上时,就可能有一部分焊膏被挤在元件下面或有少量锡粉飞出去,在焊接段这部分焊粉熔化从而形成“锡珠”;因此,在贴装时应选择适当的贴装压力。

4,焊膏通常需要冷藏,在使用前一定要使其恢复至室温方可打开包装使用,如果焊膏温度过低就被打开包装,会使膏体表面产生水分,这些水分在经过预热时会造成焊粉飞出,在焊接段会让热熔的焊料飞溅从而形成“锡珠”。

我国一般地区夏天的空气湿度较大,把焊膏从冷藏取出时,一般要在室温下回温4-5小时再开启瓶盖。

5,生产或工作环境也影响“锡珠”的形成,当印制板在潮湿的库房存放过久,在装印制板的包装袋中发现细小的水珠,这些水分和焊膏吸潮的水分一样,会影响焊接效果从而形成“锡珠”。因此,如果有条件,在贴装前将印制板或元器件进行一定的烘干,然后进行印刷及焊接,能够有效地抑制“锡珠”的形成。

6,焊膏与空气接触的时间越短越好,这也是使用焊膏的一个原则。取出一部分焊膏后,立即盖好盖子,特别是里面的盖子一定要向下压紧,将盖子与焊膏之间空气挤出,否则对焊膏的寿命会有一定的影响,同时会造成焊膏的干燥加快或在下次再使用时吸潮,从而形成“锡珠”。


      由此可见,“锡珠”的出现有很多原因,只从某一个方面进行预防与控制是远远不够的。我们需要在生产过程中研究如何防制各种不利因素及潜在隐患,从而使焊接达到最好的效果,避免“锡珠”的产生。


(三),“SMT表面贴装”过程的“锡珠”预防与控制

1,焊膏的选用

       在选择焊膏时,应坚持在现有工艺条件下的试用,这样,既能验证供应商焊膏对自身产品、工艺的适用性,也能初步了解该焊膏在实际使用中的具体表现。对焊膏方面的评估,应注意各种常见的参数,比如“焊油与焊粉的比例、锡球的颗粒度”等。


      正确选择的焊膏不一定是各项参数都最优异,更多的情况下,对于SMT的工艺制程及产品特性来讲,适合的就是最好的。因此,选择适合自身工艺及产品的焊膏,并将所有参数定下来,在以后的供应商交货过程中做出品管验收及品检的依据,一方面核对供应商所提供的书面资料,另一方面取少量不同批次的产品进行试用。


       优质供应商,会在配合过程中提出相应的工艺建议,并根据客户具体要求进行焊膏产品的升级及缺陷改进;因此,相对稳定的、诚信度高的供应商,对客户在焊膏质量方面预防及控制“锡珠”能提供很大的帮助。  


2,“SMT表面贴装”工艺控制与改进

       在所有的工艺控制过程中,从焊膏的保存及取出使用、回温、搅拌都有严格的文件规定,主要有以下几个方面的重点:

(1),严格按照供应商提供的存贮条件及温度进行存贮,一般情况下焊膏应存贮于0-10℃的冷藏条件下;

(2),焊膏取出后、使用前,应该进行常温下的回温,在焊膏未完全回温前,不得开启;

(3),在搅拌过程中,应该按照供应商所提供的搅拌方法及搅拌时间进行搅拌;

(4),在印刷过种中,应该注意印刷的力度,及钢网表面的清洁度,及时擦拭钢网表面多余的焊膏残留,防止在这个过程污染PCB板面从而造成焊接过程中的锡珠产生。

(5),回流焊过程中,应严格按照已经订好的回流焊曲线进行作业,不得随意调整;同时应该经常校验回流焊曲线与标准曲线的差异并修正;

(6),在“SMT表面贴装”工艺中,钢网(模板)的“开口方式”以及“开口率”很可能导致焊膏在“印刷特性”及“焊接特性”方面的一些缺陷从而引起“锡珠”。在相关实验中,我们对钢网进行了改进,将原来易产生“锡珠”的片式元件1:1钢网开口,改为1:0.75的楔形,改后试验效果较好“锡珠”产生的机率明显下降直至基本杜绝。

      通过修改钢网的开口方式和批量的印刷试验,可以很明显地看到,改后钢网的开口方法可以有效防控“锡珠”的产生。修改后“防锡珠”钢网的印刷效果及焊接效果见图二:

      按照多次的对比实验,并结合“图二”可以看出,通过修改前后三次的效果对比,第二次修改后的钢网,没有见到明显的锡珠,而锡膏的焊锡量也没有偏少。由此说明通过钢网的开口改变,对“SMT表面贴装”制程中的“锡珠”防控还是有一定效果的。同时我们对更改后的焊接产品送到“赛宝实验室”进行检测(报告编号为“FX03-2081691”),通对该线路板上的0603元件进行推剪力测试,在“R124、R125、R126、C16、C57”五个元件点的剪切力分别为“58.14N、56.53N、51.87N、50.90N、52.35N”,焊接强度能达到我们的要求。

“SMT表面贴装”制程虽然对“锡珠”的防控较为复杂,但经过长期的工作努力及经验积累,相信可以做到无“锡珠”,或有效降低“锡珠”产生的机率。


三,“波峰焊”过程中出现“锡珠”的原因及预防控制办法

       在“波峰焊”工艺过程中,“锡珠”的产生有两种状况:一种是在板子刚接触到锡液时,因为助焊剂或板材本身的水份过多或高沸点溶剂没有充分挥发,遇到温度较高的锡液时骤然挥发,较大的温差致使液态焊锡飞溅出去,形成细小锡珠;另一种情况是在线路板离开液态焊锡的时候,当线路板与锡波分离时,线路板顺着管脚延伸的方向会拉出锡柱,在助焊剂的润湿作用及锡液自身流动性的作用下,多余的焊锡会落回锡缸中,因此而溅起的焊锡有时会落在线路板上,从而形成“锡珠”。

      因此,我们可以看到,在“波峰焊”防控“锡珠”方面,我们应该从两个大的方面着手,一方面是助焊剂等原材料的选择,另一方面是波峰焊的工艺控制。


(一),助焊剂方面的原因分析及预防控制办法

1、助焊剂中的水份含量较大或超标,在经过预热时未能充分挥发;

2、助焊剂中有高沸点物质或不易挥发物,经预热时不能充分挥发;

这两种原因是助焊剂本身“质量”问题所引起的,在实际焊接工艺中,可以通过“提高预热温度或放慢走板速度等来解决”。除此之外,在选用助焊剂前应针对供商所提供样品进行实际工艺的确认,并记录试用时的标准工艺,在没有“锡珠”出现的情况下,审核供应商所提供的其他说明资料,在以后的收货及验收过程中,应核对供应商最初的说明资料。


(二),工艺方面的原因分析及预防控制办法

1,预热温度偏低,助焊剂中溶剂部分未完全挥发;

2,走板速度太快未达到预热效果;

3,链条(或PCB板面)倾角过小,锡液与焊接面接触时中间有气泡,气泡爆裂后产生锡珠;

4,助焊剂涂布的量太大,多余助焊剂未能完全流走或风刀没有将多余焊剂吹下;

       这四种不良原因的出现,都和标准化工艺的确定有关,在实际生产过程中,应该严格按照已经订好的作业指导文件进行各项参数的校正,对已经设定好的参数,不能随意改动,相关参数及所涉及技术层面主要有以下几点:


(1),关于预热:一般设定在90℃-110℃,这里所讲“温度”是指预热后PCB板焊接面的实际受热温度,而不是“表显”温度;如果预热温度达不到要求,则焊后易产生锡珠。


(2),关于走板速度:一般情况下,建议客户把走板速度定在1.1-1.4米/分钟,但这不是绝对值;如果要改变走板速度,通常都应以改变预热温度作配合;比如:要将走板速度加快,那么为了保证PCB焊接面的预热温度能够达到预定值,就应当把预热温度适当提高;如果预热温度不变,走板速度过快时,焊剂有可能挥发不完全,从而在焊接时产生“锡珠”。


(3),关于链条(或PCB板面)的倾角:这一倾角指的是链条(或PCB板面)与锡液平面的角度,当PCB板走过锡液平面时,应保证PCB零件面与锡液平面只有一个切点;而不能有一个较大的接触面;当没有倾角或倾角过小时,易造成锡液与焊接面接触时中间有气泡,气泡爆裂后产生“锡珠”。


(4),在波峰炉使用中,“风刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊剂,并使助焊剂在PCB零件面均匀涂布;一般情况下,风刀的倾角应在10度左右;如果“风刀”角度调整的不合理,会造成PCB表面焊剂过多,或涂布不均匀,不但在过预热区时易滴在发热管上,影响发热管的寿命,而且在浸入锡液时易造成“炸锡”现象,并因此产生“锡珠”。


       在实际生产中,结合自身波峰焊的实际状况,对相关材料进行选型,同时制订严格《波峰焊操作规程》,并严格按照相关规程进行生产。经过实验证明,在严格落实工艺技术的条件下,完全可以克服因为“波峰焊焊接工艺问题”产生的“锡珠”。 


四,“手工焊”过程中“锡珠”的出现原因及预防控制

      在“手工焊”过程中“锡珠”出现的机率并不高,常见的是松香飞溅,偶尔会出现“锡珠”的飞溅或者在焊盘的表面残存有锡渣等;相比较松香的飞溅来讲,“锡珠”或锡渣的存在对产品安全性更具潜在危害。


      出现锡渣、“锡珠”的主要原因可能是:焊剂在热源未移开前已完全蒸发,故焊锡流动性极差,沾附烙铁头随烙铁之抽出而形成尖、柱或短焊情形,或不小心导致焊锡液自烙铁头溅离,冷却后沾附于板面或元件上。还有一种可能是没有按照先将烙铁头放在被焊接部分进行预热,而是先将焊锡丝烫化,然后再放到被焊位置,因为较大的温差而造成了焊锡的飞溅,从而形成“锡珠”。


     无论是上述哪种原因,更重要的是教导操作人员,把握正确的焊接时间及位置,适量的添加焊锡并注意及时、正确地清洁烙铁头。在实际生产中,经常对“手工焊”员工进行专门的焊接技术培训,并严格编制《手工焊接工艺要求》,对“手工焊”进行标准化及可控化的工艺要求。通过长时间的观察,目前在“手工焊接作业”过程中,能够有效地避免“锡珠”的产生。    


    

       结论:针对“锡珠”问题,我们用了半年多的时间,和相关客户一起,共同做了大量的实验,并对不同的焊接工艺进行了细致的分析。实践证明,通过材料选购、工艺控制等,在当前的电子焊接制程中,完全有可能杜绝或将“锡珠”产生的概率降至更低。


      展望未来,将针对焊锡膏配方及生产工艺进行一系列的深入再研究,包括“焊锡膏中的溶剂、松香树脂、活化剂、触变剂、表面活性剂及其他多种类型添加剂之选用、配伍、配比等,以及焊膏生产工艺所涉温度、时间等多个方面”。希望从产品技术角度来解决或预防“锡珠”的产生,以保证在焊接制程中杜绝或更少地出现“锡珠”,从而配合更多客户达成焊后“免清洗”工艺。


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