再谈SMT焊接缺陷及其解决措施
来源：本站 点击数：6884次 更新时间：2014/12/2 9:19:45
1． 引言
表面组装技术在减少电子产品体积重量和可靠性方面的突出优点，迎来了未来战略武器 洲际射程 机动发射 安全可靠 技术先进的特点对制造技术的要求。但是，要制定和选择合适于具体产品的表面组装工艺不是简单的事情`因为SMT技术是涉及到了多项技术复杂的系统工程，其中任何一向因素的改变都会影响电子产品的焊接质量。
元器件焊点的焊接质量直接是直接影响印制电路组件（PWA）乃至整机质量的关键因素，他它受许多因素的影响，如焊膏 基板 元器件可焊性`丝印 贴装精度以及焊接工艺等。我们在进行SMT工艺研究和生产中，深知合理的表面组装工艺技术在控制和提高SMT生产质量中起到至关重要的作用本文就针对所遇到的几种典型焊接缺陷产生原因进行分析，并提出相应的工艺方法来解决。
2． 几种SMT焊接缺陷及其解决措施
2-1 波峰焊和回流焊中的锡球
锡球的存在表明工艺不完全正确，而且电子产品存在短路的风险，因此需要排除。国际上对锡球的存在认可标准是：印制电路板组件在600范围内不能出现5个锡球。产生锡球的原因有多种。需要找到根源。
2-1-1波峰焊中的锡球
波峰焊中常常出现锡球，主要原因有两个方面：第一，由于焊接印制板时，印制板上的通孔附近的水分受热而变蒸汽。如果孔壁金属镀层较薄或有空隙，水汽就会通过孔隙排除，如果孔内有焊料，当焊料凝固时水汽就会在焊料内产生空隙（针眼），或挤出焊料在印制板正面产生锡珠。第二，在印制板反面（既接触波峰的一面）产生的锡珠是由于波峰焊接中一些工艺设置不当而造成的，如果助焊剂涂覆量增加或预热温度设置过低，就可能影响原剂内
组成成分的蒸发，在印制板进入波峰时，多余的焊剂受高温蒸发，将焊料从锡槽中溅出来，在印制板上产生不规则的焊料球。
针对上述的原因 我们采取以下相应的解决措施：第一，通孔内适当厚度的金属层是很关键的，孔壁上的铜度层最小应为25UM，而且无空隙。第二。使用喷雾或发泡途覆助焊剂。发泡方式中，在调节助焊剂空气含量时，应保持尽可能产生最小的气泡，泡沫与PCB接触面相对减小。第三，波峰焊机预热温度的设定要使线路板顶面的温度达到100度。适当的预热温度不仅可以消除焊料球，而且可以避免线路板受到热冲击而变形。
2-1-2．1．回流焊中锡球产生的原因
回流焊接中出现的锡球 常常在于矩形片式元件两端之间的侧面或或细距引脚之间。在元件贴装过程中，焊膏被置于片式元件的引脚与焊盘之间，随着印制板穿过回流焊，焊膏融化变成液体，如果与焊盘和器件引脚等润湿不良，液态焊锡会因收缩而使焊缝填充不充分，所有焊料颗粒不能和聚成一个焊点 部分液态焊锡会丛焊缝中流出，形成锡球 因此，焊锡与焊盘和器件引脚湿润性差 是导致锡球形成的根本原因。
2-1-2．2原因分析与控制方法
造成焊锡润湿性差的原因有很多，以下主要分析与相关工艺有关的原因及解决措施
（A） 回流温度曲线设置不当。焊膏的回流是温度与时间的函数，如果未到达足够的温度和时间，焊膏就不会回流。预热区温度升温速度过快，达到平顶温度的时间过短，使焊膏内的水分 溶剂未完全挥发出来，到达可流焊区时，引起水分`溶剂沸腾，溅出焊锡球。实践证明，将预热区温度的上升速度控制在1~4 C/S是最为理想的。
（B） 如果总是在同一位置上出现锡球，就有必要检查金属板设计结构，模板开口大小腐蚀精度达不到要求，对于焊盘大小偏大，如板面材质较软（如铜模板），造成焊膏的外型轮廓不清晰，互相桥连，这种情况多出现在细间距器件的焊盘印刷时，回流后必然会造成引脚间大量的锡珠产生。因此应针对焊盘图形的不同形状和中心距，选择适宜的模板材料及模板制作工艺来保证焊膏印刷的质量。
（C） 如果在贴片至回流的时间过长， 则因焊料中的焊料粒子的氧化，焊剂变质`活性降低，会导致焊膏不回流，焊球就会产生。要选用工作寿命长的一些锡膏（我们认为是4小时），则会减轻这种影响。
（D） 另外，焊膏印错的印制板清洗不充分，使焊膏残留在印制板表面和通孔中。这样也会在回流中产生锡珠，因此应加强对操作人员和 工艺人员在生产过程的责任心，严格按照工艺要求和操作规程 进行生产，同时还要加强工艺过程的质量控制。
2．2立件问题（曼哈顿现象）
距行片式元件的一端焊接在焊盘上，而另一端则翘立，这种现象就称为曼哈顿现象。引起这种现象的主要原因是元件两端受热不均匀。焊膏融化有先后所致。在以下情况会造成原件两端受热不均匀：
（A） 有缺陷的元件排列方向设计。我们设想在 回流焊中有一条横跨炉子宽度的在流焊限线，一旦锡膏通过 它就会立即融化，片式矩形元件的一头先通过在流焊的限线，锡膏线融化，完全浸润元件的金属表面，具有液态表面张力，而另一端没有达到183°C 锡膏就不会融化 只有焊剂的粘贴力，该力远小于在流焊焊膏的表面张力，因此，使未融化端的元件端头向上直立。因此，保证元器件两端要同时进入在流焊限线，使元件两端焊盘上的焊锡同时融化，形成均衡的液态表面张力，保持元件位置不变。
（B） 在进行汽相焊接时印制电路组件预热不够充分。汽相焊是利用隋性液体蒸汽冷凝在元件引脚和PCB焊盘上时，释放出热量而达到融化锡膏的目的。汽相焊是分平衡区和饱和蒸汽区，在饱和蒸汽区焊接温度高达217度，在生产过程中我们发现 如果被焊组件预热不充分，经受100多度的温差变化，汽相焊的气化力容易将小于1206封装尺寸的片式元件浮起，从而产生立片现象。我们通过将被焊组件在高低箱内以145°到150°C的温度预热1到2分钟，然后在汽相焊的平衡区内在预热1分钟左右，最后缓慢进入饱和蒸汽区焊接消除了立件现象。
（C） 焊盘设计质量的影响。若片式元件的一对焊盘大小不同或不对称，也会引起印刷的焊锡量不一至，小焊盘对温度响应快，其上的焊盘容易融化，大焊盘则相反，所以，当小焊盘上的焊膏融化后，在焊盘表面张力作用下，将元件拉直竖起。焊盘的宽度或间隙过大，也都可能出现立件现象，严格按照标准规范进行焊盘设计是解决该现象的先天条件。
2-3细间距引脚桥接问题
导致细间距引脚桥接缺陷的主要因素有：1。印刷的锡膏成型不佳。2。印板上有缺陷的细间距引线制作；3。不恰当的回流焊温度曲线设置等。因而，应从模板的制作，丝印工艺，回流焊工艺等关键工序的质量控制入手，尽可能避免桥接隐患。
2-3-1模板材料的选择
SMT工艺质量问题70%出至于印刷这到工序，而模板是必不可少的关键工装，直接影响印刷质量。通常我们使用的模板材料的铜板和不锈钢板，不锈钢板与铜板相比有较小的摩擦系数和较高的弹性，因此在其它条件一定的情况下，更有和于焊膏脱模和焊膏成型效果好。通过0.5mm引脚中心距QFP208器件组装试验统计，因铜模板印刷不合格而造成的疵点数占成的疵点率平均为3%。因此，对引脚中心距为0.635mm以下的细间距元器件的印刷，提出必须采用不锈钢板的要求，厚度优选0.15mm~0.2mm。
2.3.2丝印过程工艺控制
焊膏在进行回流焊之前，若出现坍塌，成型的焊膏图形边不清晰，连贴放元器件或进入回流焊预热区时，由于焊膏中的助焊剂软化，则会造成引脚桥接。焊膏的坍塌时由于使用了不合格的焊膏材料和不宜的环境条件，如较高的室温会造成焊膏坍塌。在丝印工序中，我们通过以下工序的调整，小心地控制焊膏的流变特性，减少了坍塌。
a） 丝印细间距引脚，通常选用厚度较薄的模板，为避免印刷的焊膏量偏少，所需的焊膏黏度应较低，这样焊膏流动性好，易漏印，而且模板与PCB脱模时不易带走焊膏，保证焊膏涂盖量。但同时为了保持焊膏印刷图形的理想形态，又需要较搞的焊膏黏度。我们解决这一矛盾的方法时选用45—75um的更小粒度和球型颗粒焊膏，如爱法公司的RMA390DH3型焊膏。另外，在丝印时保持适宜的环境温度，焊膏黏度与环境温度的关系式表示如下：
Logu=A\T+B-------------------------(1)
式中：u——黏度系数
A,B——常数
T——绝对温度。
通过上式可看出，湿度越高黏度越小。因此，为获得较高的黏度，我们将环境温度控制
20+3℃
b） 刮刀的速度和压力也影响焊膏的流变特性。因为他们决定了焊膏所受的剪切速率和剪切力大小。焊膏黏度与剪切速率的关系。在焊膏类型和环境温度较合适的情况下，在刮刀压力一定的情况下，将印刷速度调慢，可以保持焊膏黏度基本不变，这样共给焊膏的时间加长，焊膏量就增多，而且有好的成型。另外，控制脱模速率的减慢和模板与PCE的最小间隙，也会在减少细间距引脚桥接方面到起到良好的效果。根据我们使用的SP200行型丝印机我们认为印刷细间距线较理想的工艺参数是：印刷速度保持在10mm\--25mm\s；脱模速率控制在2s左右：模板与PCB的最小间隙小于等于0.2mm。
2.3.3回流过程工艺控制
细间距引线的间距小，焊需面积小、漏印的焊膏量较少，在焊接时，如果红外在流焊的预热区温度较高‘时间较长，会将较多的活化剂在达到回流焊峰值温度区域前就被耗尽。然而，只有只有在峰值区域内有充足的活化剂释放被氧化的焊粒快速熔化，从而湿润金属引脚表面，形成良好的焊点。免清洗焊膏。活化程不要清洗的焊膏低，所以如果预热区温度和预热时间设置稍不恰当便会出现焊接细间引脚桥接温度区域的流动性和对金属引线表面的湿润性，减少了细间距线的桥接缺陷。针对细间距器件和阻容器件，我们采用的回流温度焊接曲线典型例图
3：结束语
随着表面组装技术更广泛‘更深入的应用于各个领域。SMT焊接质量问题引起人们高度重视，SMT焊接质量与整个组装工艺流程各个环节密切相关，为了减少或避免上述焊接缺陷的出现，不仅要提高工艺人员判断和解决方法这些问题能力，另外还要注重提高工艺质量控制技术、完善工艺的管理，制定出有效的控制方法，才能提高SMT焊接质量，保证电子产品的最终质量。上述解决方法如有不对或不完善指出、请予以指正
表面组装技术在减少电子产品体积重量和可靠性方面的突出优点，迎来了未来战略武器 洲际射程 机动发射 安全可靠 技术先进的特点对制造技术的要求。但是，要制定和选择合适于具体产品的表面组装工艺不是简单的事情`因为SMT技术是涉及到了多项技术复杂的系统工程，其中任何一向因素的改变都会影响电子产品的焊接质量。
元器件焊点的焊接质量直接是直接影响印制电路组件（PWA）乃至整机质量的关键因素，他它受许多因素的影响，如焊膏 基板 元器件可焊性`丝印 贴装精度以及焊接工艺等。我们在进行SMT工艺研究和生产中，深知合理的表面组装工艺技术在控制和提高SMT生产质量中起到至关重要的作用本文就针对所遇到的几种典型焊接缺陷产生原因进行分析，并提出相应的工艺方法来解决。
2． 几种SMT焊接缺陷及其解决措施
2-1 波峰焊和回流焊中的锡球
锡球的存在表明工艺不完全正确，而且电子产品存在短路的风险，因此需要排除。国际上对锡球的存在认可标准是：印制电路板组件在600范围内不能出现5个锡球。产生锡球的原因有多种。需要找到根源。
2-1-1波峰焊中的锡球
波峰焊中常常出现锡球，主要原因有两个方面：第一，由于焊接印制板时，印制板上的通孔附近的水分受热而变蒸汽。如果孔壁金属镀层较薄或有空隙，水汽就会通过孔隙排除，如果孔内有焊料，当焊料凝固时水汽就会在焊料内产生空隙（针眼），或挤出焊料在印制板正面产生锡珠。第二，在印制板反面（既接触波峰的一面）产生的锡珠是由于波峰焊接中一些工艺设置不当而造成的，如果助焊剂涂覆量增加或预热温度设置过低，就可能影响原剂内
组成成分的蒸发，在印制板进入波峰时，多余的焊剂受高温蒸发，将焊料从锡槽中溅出来，在印制板上产生不规则的焊料球。
针对上述的原因 我们采取以下相应的解决措施：第一，通孔内适当厚度的金属层是很关键的，孔壁上的铜度层最小应为25UM，而且无空隙。第二。使用喷雾或发泡途覆助焊剂。发泡方式中，在调节助焊剂空气含量时，应保持尽可能产生最小的气泡，泡沫与PCB接触面相对减小。第三，波峰焊机预热温度的设定要使线路板顶面的温度达到100度。适当的预热温度不仅可以消除焊料球，而且可以避免线路板受到热冲击而变形。
2-1-2．1．回流焊中锡球产生的原因
回流焊接中出现的锡球 常常在于矩形片式元件两端之间的侧面或或细距引脚之间。在元件贴装过程中，焊膏被置于片式元件的引脚与焊盘之间，随着印制板穿过回流焊，焊膏融化变成液体，如果与焊盘和器件引脚等润湿不良，液态焊锡会因收缩而使焊缝填充不充分，所有焊料颗粒不能和聚成一个焊点 部分液态焊锡会丛焊缝中流出，形成锡球 因此，焊锡与焊盘和器件引脚湿润性差 是导致锡球形成的根本原因。
2-1-2．2原因分析与控制方法
造成焊锡润湿性差的原因有很多，以下主要分析与相关工艺有关的原因及解决措施
（A） 回流温度曲线设置不当。焊膏的回流是温度与时间的函数，如果未到达足够的温度和时间，焊膏就不会回流。预热区温度升温速度过快，达到平顶温度的时间过短，使焊膏内的水分 溶剂未完全挥发出来，到达可流焊区时，引起水分`溶剂沸腾，溅出焊锡球。实践证明，将预热区温度的上升速度控制在1~4 C/S是最为理想的。
（B） 如果总是在同一位置上出现锡球，就有必要检查金属板设计结构，模板开口大小腐蚀精度达不到要求，对于焊盘大小偏大，如板面材质较软（如铜模板），造成焊膏的外型轮廓不清晰，互相桥连，这种情况多出现在细间距器件的焊盘印刷时，回流后必然会造成引脚间大量的锡珠产生。因此应针对焊盘图形的不同形状和中心距，选择适宜的模板材料及模板制作工艺来保证焊膏印刷的质量。
（C） 如果在贴片至回流的时间过长， 则因焊料中的焊料粒子的氧化，焊剂变质`活性降低，会导致焊膏不回流，焊球就会产生。要选用工作寿命长的一些锡膏（我们认为是4小时），则会减轻这种影响。
（D） 另外，焊膏印错的印制板清洗不充分，使焊膏残留在印制板表面和通孔中。这样也会在回流中产生锡珠，因此应加强对操作人员和 工艺人员在生产过程的责任心，严格按照工艺要求和操作规程 进行生产，同时还要加强工艺过程的质量控制。
2．2立件问题（曼哈顿现象）
距行片式元件的一端焊接在焊盘上，而另一端则翘立，这种现象就称为曼哈顿现象。引起这种现象的主要原因是元件两端受热不均匀。焊膏融化有先后所致。在以下情况会造成原件两端受热不均匀：
（A） 有缺陷的元件排列方向设计。我们设想在 回流焊中有一条横跨炉子宽度的在流焊限线，一旦锡膏通过 它就会立即融化，片式矩形元件的一头先通过在流焊的限线，锡膏线融化，完全浸润元件的金属表面，具有液态表面张力，而另一端没有达到183°C 锡膏就不会融化 只有焊剂的粘贴力，该力远小于在流焊焊膏的表面张力，因此，使未融化端的元件端头向上直立。因此，保证元器件两端要同时进入在流焊限线，使元件两端焊盘上的焊锡同时融化，形成均衡的液态表面张力，保持元件位置不变。
（B） 在进行汽相焊接时印制电路组件预热不够充分。汽相焊是利用隋性液体蒸汽冷凝在元件引脚和PCB焊盘上时，释放出热量而达到融化锡膏的目的。汽相焊是分平衡区和饱和蒸汽区，在饱和蒸汽区焊接温度高达217度，在生产过程中我们发现 如果被焊组件预热不充分，经受100多度的温差变化，汽相焊的气化力容易将小于1206封装尺寸的片式元件浮起，从而产生立片现象。我们通过将被焊组件在高低箱内以145°到150°C的温度预热1到2分钟，然后在汽相焊的平衡区内在预热1分钟左右，最后缓慢进入饱和蒸汽区焊接消除了立件现象。
（C） 焊盘设计质量的影响。若片式元件的一对焊盘大小不同或不对称，也会引起印刷的焊锡量不一至，小焊盘对温度响应快，其上的焊盘容易融化，大焊盘则相反，所以，当小焊盘上的焊膏融化后，在焊盘表面张力作用下，将元件拉直竖起。焊盘的宽度或间隙过大，也都可能出现立件现象，严格按照标准规范进行焊盘设计是解决该现象的先天条件。
2-3细间距引脚桥接问题
导致细间距引脚桥接缺陷的主要因素有：1。印刷的锡膏成型不佳。2。印板上有缺陷的细间距引线制作；3。不恰当的回流焊温度曲线设置等。因而，应从模板的制作，丝印工艺，回流焊工艺等关键工序的质量控制入手，尽可能避免桥接隐患。
2-3-1模板材料的选择
SMT工艺质量问题70%出至于印刷这到工序，而模板是必不可少的关键工装，直接影响印刷质量。通常我们使用的模板材料的铜板和不锈钢板，不锈钢板与铜板相比有较小的摩擦系数和较高的弹性，因此在其它条件一定的情况下，更有和于焊膏脱模和焊膏成型效果好。通过0.5mm引脚中心距QFP208器件组装试验统计，因铜模板印刷不合格而造成的疵点数占成的疵点率平均为3%。因此，对引脚中心距为0.635mm以下的细间距元器件的印刷，提出必须采用不锈钢板的要求，厚度优选0.15mm~0.2mm。
2.3.2丝印过程工艺控制
焊膏在进行回流焊之前，若出现坍塌，成型的焊膏图形边不清晰，连贴放元器件或进入回流焊预热区时，由于焊膏中的助焊剂软化，则会造成引脚桥接。焊膏的坍塌时由于使用了不合格的焊膏材料和不宜的环境条件，如较高的室温会造成焊膏坍塌。在丝印工序中，我们通过以下工序的调整，小心地控制焊膏的流变特性，减少了坍塌。
a） 丝印细间距引脚，通常选用厚度较薄的模板，为避免印刷的焊膏量偏少，所需的焊膏黏度应较低，这样焊膏流动性好，易漏印，而且模板与PCB脱模时不易带走焊膏，保证焊膏涂盖量。但同时为了保持焊膏印刷图形的理想形态，又需要较搞的焊膏黏度。我们解决这一矛盾的方法时选用45—75um的更小粒度和球型颗粒焊膏，如爱法公司的RMA390DH3型焊膏。另外，在丝印时保持适宜的环境温度，焊膏黏度与环境温度的关系式表示如下：
Logu=A\T+B-------------------------(1)
式中：u——黏度系数
A,B——常数
T——绝对温度。
通过上式可看出，湿度越高黏度越小。因此，为获得较高的黏度，我们将环境温度控制
20+3℃
b） 刮刀的速度和压力也影响焊膏的流变特性。因为他们决定了焊膏所受的剪切速率和剪切力大小。焊膏黏度与剪切速率的关系。在焊膏类型和环境温度较合适的情况下，在刮刀压力一定的情况下，将印刷速度调慢，可以保持焊膏黏度基本不变，这样共给焊膏的时间加长，焊膏量就增多，而且有好的成型。另外，控制脱模速率的减慢和模板与PCE的最小间隙，也会在减少细间距引脚桥接方面到起到良好的效果。根据我们使用的SP200行型丝印机我们认为印刷细间距线较理想的工艺参数是：印刷速度保持在10mm\--25mm\s；脱模速率控制在2s左右：模板与PCB的最小间隙小于等于0.2mm。
2.3.3回流过程工艺控制
细间距引线的间距小，焊需面积小、漏印的焊膏量较少，在焊接时，如果红外在流焊的预热区温度较高‘时间较长，会将较多的活化剂在达到回流焊峰值温度区域前就被耗尽。然而，只有只有在峰值区域内有充足的活化剂释放被氧化的焊粒快速熔化，从而湿润金属引脚表面，形成良好的焊点。免清洗焊膏。活化程不要清洗的焊膏低，所以如果预热区温度和预热时间设置稍不恰当便会出现焊接细间引脚桥接温度区域的流动性和对金属引线表面的湿润性，减少了细间距线的桥接缺陷。针对细间距器件和阻容器件，我们采用的回流温度焊接曲线典型例图
3：结束语
随着表面组装技术更广泛‘更深入的应用于各个领域。SMT焊接质量问题引起人们高度重视，SMT焊接质量与整个组装工艺流程各个环节密切相关，为了减少或避免上述焊接缺陷的出现，不仅要提高工艺人员判断和解决方法这些问题能力，另外还要注重提高工艺质量控制技术、完善工艺的管理，制定出有效的控制方法，才能提高SMT焊接质量，保证电子产品的最终质量。上述解决方法如有不对或不完善指出、请予以指正
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