焊錫膏使用(yong)中的常見問題分(fen)析

       焊錫膏(gao)使用中的常見問(wen)題分析

  焊膏的回(hui)流焊接是用在smt裝(zhuang)配工藝中的主要(yào)闆級互連方法，這(zhe)種焊接方法把所(suǒ)需要的焊接特性(xing)極好地結合在一(yī)起，這些特性包括(kuò)易于加工、對各種(zhong)SMT設計有廣泛的兼(jiān)容性，具有高的焊(han)接可靠性以及成(cheng)本低等;然而，在回(huí)流焊接被用作爲(wei)最重要的SMT元件級(ji)和闆級互連方法(fǎ)的時候，它也受到(dào)要求進一步改進(jin)焊接性能的挑戰(zhan)，事實上，回流焊接(jiē)技術能否經受住(zhù)這一挑戰将決定(dìng)焊膏能否繼續作(zuò)爲首要的SMT焊接材(cai)料，尤其是在超細(xi)微間距技術不斷(duàn)取得進展的情況(kuàng)之下。下面我們将(jiang)探讨影響改進回(hui)流焊接性能的幾(ji)個主要問題，爲發(fa)激發工業界研究(jiu)出解決這一課題(ti)的新方法，我們分(fèn)别對每個問題簡(jian)要介紹。
　　底面元件(jian)的固定

　　雙面回流(liú)焊接已采用多年(nián)，在此，先對第一面(miàn)進行印刷布線，安(an)裝元件和軟熔，然(rán)後翻過來對電路(lù)闆的另一面進行(hang)加工處理，爲了更(gèng)加節省起見，某些(xie)工藝省去了對第(dì)一面的軟熔，而是(shi)同時軟熔頂面和(hé)底面，典型的例子(zǐ)是電路闆底面上(shang)僅裝有小的元件(jiàn)，如芯片電容器和(hé)芯片電阻器，由于(yú)印刷電路闆(PCB)的設(she)計越來越複雜，裝(zhuāng)在底面上的元件(jiàn)也越來越大，結果(guǒ)軟熔時元件脫落(luo)成爲一個重要的(de)問題。顯然，元件脫(tuō)落現象是由于軟(ruǎn)熔時熔化了的焊(han)料對元件的垂直(zhi)固定力不足，而垂(chuí)直固定力不足可(ke)歸因于元件重量(liang)增加，元件的可焊(han)性差，焊劑的潤濕(shi)性或焊料量不足(zu)等。其中，第一個因(yīn)素是最根本的原(yuan)因。如果在對後面(mian)的三個因素加以(yǐ)改進後仍有元件(jiàn)脫落現象存在，就(jiu)必須使用SMT粘結劑(ji)。顯然，使用粘結劑(ji)将會使軟熔時元(yuan)件自對準的效果(guo)變差。

　　未焊滿

　　未焊(hàn)滿是在相鄰的引(yin)線之間形成焊橋(qiao)。通常，所有能引起(qi)焊膏坍落的因素(sù)都會導緻未焊滿(man)，這些因素包括：

　　1，升(sheng)溫速度太快;

　　2，焊膏(gāo)的觸變性能太差(chà)或是焊膏的粘度(dù)在剪切後恢複太(tài)慢;

　　3，金屬負荷或固(gù)體含量太低;

　　4，粉料(liào)粒度分布太廣;

　　5;焊(hàn)劑表面張力太小(xiao)。但是，坍落并非必(bì)然引起未焊滿，在(zài)軟熔時，熔化了的(de)未焊滿焊料在表(biao)面張力的推動下(xia)有斷開的可能，焊(han)料流失現象将使(shi)未焊滿問題變得(de)更加嚴重。在此情(qíng)況下，由于焊料流(liú)失而聚集在某一(yi)區域的過量的焊(han)料将會使熔融焊(han)料變得過多而不(bú)易斷開。

　　除了引起(qi)焊膏坍落的因素(sù)而外，下面的因素(sù)也引起未滿焊的(de)常見原因：

　　1，相對于(yu)焊點之間的空間(jiān)而言，焊膏熔敷太(tài)多;

　　2，加熱溫度過高(gāo);

　　3，焊膏受熱速度比(bǐ)電路闆更快;

　　4，焊劑(ji)潤濕速度太快;

　　5，焊(hàn)劑蒸氣壓太低;

　　6;焊(hàn)劑的溶劑成分太(tai)高;

　　7，焊劑樹脂軟化(huà)點太低。

　　斷續潤濕(shi)

　　焊料膜的斷續潤(run)濕是指有水出現(xian)在光滑的表面上(shàng)(1.4.5.)，這是由于焊料能(néng)粘附在大多數的(de)固體金屬表面上(shang)，并且在熔化了的(de)焊料覆蓋層下隐(yǐn)藏着某些未被潤(rùn)濕的點，因此，在最(zuì)初用熔化的焊料(liào)來覆蓋表面時，會(hui)有斷續潤濕現象(xiàng)出現。亞穩态的熔(rong)融焊料覆蓋層在(zài)最小表面能驅動(dòng)力的作用下會發(fā)生收縮，不一會兒(er)之後就聚集成分(fèn)離的小球和脊狀(zhuang)秃起物。斷續潤濕(shi)也能由部件與熔(róng)化的焊料相接觸(chù)時放出的氣體而(er)引起。由于有機物(wu)的熱分解或無機(jī)物的水合作用而(ér)釋放的水分都會(hui)産生氣體。水蒸氣(qì)是這些有關氣體(ti)的最常見的成份(fen)，在焊接溫度下，水(shui)蒸氣具極強的氧(yang)化作用，能夠氧化(huà)熔融焊料膜的表(biao)面或某些表面下(xia)的界面(典型的例(li)子是在熔融焊料(liào)交界上的金屬氧(yǎng)化物表面)。常見的(de)情況是較高的焊(hàn)接溫度和較長的(de)停留時間會導緻(zhi)更爲嚴重的斷續(xu)潤濕現象，尤其是(shi)在基體金屬之中(zhong)，反應速度的增加(jiā)會導緻更加猛烈(liè)的氣體釋放。與此(cǐ)同時，較長的停留(liú)時間也會延長氣(qì)體釋放的時間。以(yǐ)上兩方面都會增(zeng)加釋放出的氣體(tǐ)量，消除斷續潤濕(shi)現象的方法是：

　　1，降(jiang)低焊接溫度;

　　2，縮短(duan)軟熔的停留時間(jian);

　　3，采用流動的惰性(xìng)氣氛;

　　4，降低污染程(chéng)度。

　　低殘留物

　　對不(bú)用清理的軟熔工(gōng)藝而言，爲了獲得(de)裝飾上或功能上(shang)的效果，常常要求(qiu)低殘留物，對功能(neng)要求方面的例子(zi)包括“通過在電路(lu)中測試的焊劑殘(cán)留物來探查測試(shi)堆焊層以及在插(chā)入接頭與堆焊層(céng)之間或在插入接(jiē)頭與軟熔焊接點(diǎn)附近的通孔之間(jiān)實行電接觸”，較多(duo)的焊劑殘渣常會(hui)導緻在要實行電(dian)接觸的金屬表層(céng)上有過多的殘留(liu)物覆蓋，這會妨礙(ai)電連接的建立，在(zai)電路密度日益增(zēng)加的情況下，這個(ge)問題越發受到人(rén)們的關注。

　　顯然，不(bú)用清理的低殘留(liu)物焊膏是滿足這(zhe)個要求的一個理(li)想的解決辦法。然(rán)而，與此相關的軟(ruan)熔必要條件卻使(shi)這個問題變得更(geng)加複雜化了。爲了(le)預測在不同級别(bié)的惰性軟熔氣氛(fēn)中低殘留物焊膏(gāo)的焊接性能，提出(chū)一個半經驗的模(mó)型，這個模型預示(shi)，随着氧含量的降(jiang)低，焊接性能會迅(xùn)速地改進，然後逐(zhu)漸趨于平穩，實驗(yàn)結果表明，随着氧(yǎng)濃度的降低，焊接(jie)強度和焊膏的潤(run)濕能力會有所增(zeng)加，此外，焊接強度(dù)也随焊劑中固體(ti)含量的增加而增(zeng)加。實驗數據所提(ti)出的模型是可比(bi)較的，并強有力地(dì)證明了模型是有(yǒu)效的，能夠用以預(yu)測焊膏與材料的(de)焊接性能，因此，可(ke)以斷言，爲了在焊(hàn)接工藝中成功地(di)采用不用清理的(de)低殘留物焊料，應(yīng)當使用惰性的軟(ruǎn)熔氣氛。 間隙 　間隙(xi)是指在元件引線(xiàn)與電路闆焊點之(zhi)間沒有形成焊接(jiē)點。

　　一般來說，這可(ke)歸因于以下四方(fāng)面的原因：

　　1，焊料熔(rong)敷不足;

　　2，引線共面(miàn)性差;

　　3，潤濕不夠;

　　4，焊(han)料損耗棗這是由(you)預鍍錫的印刷電(dian)路闆上焊膏坍落(luo)，引線的芯吸作用(yòng)(2.3.4)或焊點附近的通(tong)孔引起的,引線共(gòng)面性問題是新的(de)重量較輕的12密耳(ěr)(μm)間距的四芯線扁(bian)平集成電路(QFP棗Quad flat packs)的(de)一個特别令人關(guan)注的問題,爲了解(jie)決這個問題,提出(chu)了在裝配之前用(yòng)焊料來預塗覆焊(han)點的方法(9),此法是(shi)擴大局部焊點的(de)尺寸并沿着鼓起(qi)的焊料預覆蓋區(qū)形成一個可控制(zhi)的局部焊接區,并(bìng)由此來抵償引線(xiàn)共面性的變化和(hé)防止間隙,引線的(de)芯吸作用可以通(tōng)過減慢加熱速度(dù)以及讓底面比頂(ding)面受熱更多來加(jia)以解決,此外,使用(yong)潤濕速度較慢的(de)焊劑,較高的活化(hua)溫度或能延緩熔(róng)化的焊膏(如混有(you)錫粉和鉛粉的焊(hàn)膏)也能最大限度(du)地減少芯吸作用(yong).在用錫鉛覆蓋層(ceng)光整電路闆之前(qián),用焊料掩膜來覆(fù)蓋連接路徑也能(néng)防止由附近的通(tong)孔引起的芯吸作(zuo)用。

　　焊料成球

　　焊料(liào)成球是最常見的(de)也是最棘手的問(wen)題，這指軟熔工序(xù)中焊料在離主焊(han)料熔池不遠的地(dì)方凝固成大小不(bú)等的球粒;大多數(shu)的情況下,這些球(qiú)粒是由焊膏中的(de)焊料粉組成的，焊(hàn)料成球使人們耽(dān)心會有電路短路(lu)、漏電和焊接點上(shang)焊料不足等問題(ti)發生，随着細微間(jiān)距技術和不用清(qīng)理的焊接方法的(de)進展，人們越來越(yue)迫切地要求使用(yong)無焊料成球現象(xiàng)的SMT工藝。

　　引起焊料(liao)成球(1,2,4,10)的原因包括(kuo)：

　　1,由于電路印制工(gōng)藝不當而造成的(de)油漬;

　　2,焊膏過多地(dì)暴露在具有氧化(hua)作用的環境中;

　　3,焊(hàn)膏過多地暴露在(zai)潮濕環境中;

　　4,不适(shi)當的加熱方法;

　　5,加(jia)熱速度太快;

　　6,預熱(rè)斷面太長;

　　7,焊料掩(yan)膜和焊膏間的相(xiàng)互作用;

　　8,焊劑活性(xìng)不夠;

　　9,焊粉氧化物(wù)或污染過多;

　　10,塵粒(lì)太多;

　　11,在特定的軟(ruǎn)熔處理中,焊劑裏(li)混入了不适當的(de)揮發物;

　　12,由于焊膏(gāo)配方不當而引起(qǐ)的焊料坍落;

　　13、焊膏(gāo)使用前沒有充分(fen)恢複至室溫就打(da)開包裝使用;

　　14、印刷(shua)厚度過厚導緻“塌(tā)落”形成錫球;

　　15、焊膏(gāo)中金屬含量偏低(dī)。

　　焊料結珠

　　焊料結(jie)珠是在使用焊膏(gao)和SMT工藝時焊料成(chéng)球的一個特殊現(xiàn)象.，簡單地說,焊珠(zhū)是指那些非常大(dà)的焊球,其上粘帶(dài)有(或沒有)細小的(de)焊料球(11).它們形成(chéng)在具有極低的托(tuo)腳的元件如芯片(piàn)電容器的周圍。焊(hàn)料結珠是由焊劑(jì)排氣而引起,在預(yù)熱階段這種排氣(qì)作用超過了焊膏(gao)的内聚力,排氣促(cù)進了焊膏在低間(jiān)隙元件下形成孤(gū)立的團粒,在軟熔(rong)時,熔化了的孤立(lì)焊膏再次從元件(jiàn)下冒出來,并聚結(jie)起。

　　焊接結珠的原(yuan)因包括：

　　1,印刷電路(lu)的厚度太高;

　　2,焊點(diǎn)和元件重疊太多(duo);

　　3,在元件下塗了過(guò)多的錫膏;

　　4,安置元(yuán)件的壓力太大;

　　5,預(yù)熱時溫度上升速(sù)度太快;

　　6,預熱溫度(du)太高;

　　7,在濕氣從元(yuan)件和阻焊料中釋(shì)放出來;

　　8,焊劑的活(huó)性太高;

　　9,所用的粉(fen)料太細;

　　10,金屬負荷(hé)太低;

　　11,焊膏坍落太(tài)多;

　　12,焊粉氧化物太(tai)多;

　　13,溶劑蒸氣壓不(bu)足。消除焊料結珠(zhu)的最簡易的方法(fa)也許是改變模版(ban)孔隙形狀,以使在(zài)低托腳元件和焊(hàn)點之間夾有較少(shǎo)的焊膏。

　　焊接角焊(hàn)接擡起

　　焊接角縫(féng)擡起指在波峰焊(hàn)接後引線和焊接(jie)角焊縫從具有細(xi)微電路間距的四(sì)芯線組扁平集成(cheng)電路(QFP)的焊點上完(wan)全擡起來,特别是(shì)在元件棱角附近(jin)的地方，一個可能(néng)的原因是在波峰(feng)焊前抽樣檢測時(shí)加在引線上的機(jī)械應力,或者是在(zài)處理電路闆時所(suǒ)受到的機械損壞(huài)(12),在波峰焊前抽樣(yàng)檢測時,用一個鑷(nie)子劃過QFP元件的引(yin)線,以确定是否所(suǒ)有的引線在軟溶(róng)烘烤時都焊上了(le);其結果是産生了(le)沒有對準的焊趾(zhǐ),這可在從上向下(xia)觀察看到,如果闆(pǎn)的下面加熱在焊(hàn)接區/角焊縫的間(jian)界面上引起了部(bu)分二次軟熔,那麽(me),從電路闆擡起引(yǐn)線和角焊縫能夠(gòu)減輕内在的應力(lì),防止這個問題的(de)一個辦法是在波(bō)峰焊之後(而不是(shi)在波峰焊之前)進(jìn)行抽樣檢查。

　　豎碑(bēi)(Tombstoning)

　　豎碑(Tombstoning)是指無引線(xian)元件(如片式電容(róng)器或電阻)的一端(duān)離開了襯底，甚至(zhì)整個元件都支在(zai)它的一端上。 Tombstoning也稱(cheng)爲Manhattan效應、Drawbridging 效應或Stonehenge 效(xiao)應，它是由軟熔元(yuan)件兩端不均勻潤(rùn)濕而引起的;因此(ci),熔融焊料的不夠(gou)均衡的表面張力(li)拉力就施加在元(yuán)件的兩端上,随着(zhe)SMT小型化的進展,電(dian)子元件對這個問(wen)題也變得越來越(yue)敏感。

　　此種狀況形(xíng)成的原因：

　　1、加熱不(bú)均勻;

　　2、元件問題：外(wai)形差異、重量太輕(qing)、可焊性差異;

　　3、基闆(pan)材料導熱性差，基(jī)闆的厚度均勻性(xìng)差;

　　4、焊盤的熱容量(liang)差異較大，焊盤的(de)可焊性差異較大(dà);

　　5、錫膏中助焊劑的(de)均勻性差或活性(xìng)差，兩個焊盤上的(de)錫膏厚度差異較(jiao)大，錫膏太厚，印刷(shuā)精度差，錯位嚴重(zhòng);

　　6、預熱溫度太低;

　　7、貼(tie)裝精度差，元件偏(pian)移嚴重。 Ball Grid Array (BGA)成球不良(liáng)

　　BGA成球常遇到諸如(rú)未焊滿,焊球不對(dui)準,焊球漏失以及(jí)焊料量不足等缺(quē)陷,這通常是由于(yu)軟熔時對球體的(de)固定力不足或自(zì)定心力不足而引(yin)起。固定力不足可(kě)能是由低粘稠,高(gāo)阻擋厚度或高放(fàng)氣速度造成的;而(er)自定力不足一般(ban)由焊劑活性較弱(ruò)或焊料量過低而(er)引起。

　　BGA成球作用可(kě)通過單獨使用焊(han)膏或者将焊料球(qiu)與焊膏以及焊料(liào)球與焊劑一起使(shi)用來實現; 正确的(de)可行方法是将整(zheng)體預成形與焊劑(jì)或焊膏一起使用(yòng)。最通用的方法看(kan)來是将焊料球與(yǔ)焊膏一起使用，利(li)用錫62或錫63球焊的(de)成球工藝産生了(le)極好的效果。在使(shi)用焊劑來進行錫(xi)62或錫63球焊的情況(kuang)下,缺陷率随着焊(hàn)劑粘度,溶劑的揮(hui)發性和間距尺寸(cun)的下降而增加，同(tong)時也随着焊劑的(de)熔敷厚度，焊劑的(de)活性以及焊點直(zhi)徑的增加而增加(jia)，在用焊膏來進行(hang)高溫熔化的球焊(han)系統中，沒有觀察(cha)到有焊球漏失現(xiàn)象出現，并且其對(duì)準精确度随焊膏(gāo)熔敷厚度與溶劑(jì)揮發性，焊劑的活(huó)性，焊點的尺寸與(yu)可焊性以及金屬(shu)負載的增加而增(zeng)加，在使用錫63焊膏(gāo)時，焊膏的粘度，間(jiān)距與軟熔截面對(dui)高熔化溫度下的(de)成球率幾乎沒有(yǒu)影響。在要求采用(yong)常規的印刷棗釋(shi)放工藝的情況下(xià)，易于釋放的焊膏(gao)對焊膏的單獨成(chéng)球是至關重要的(de)。整體預成形的成(chéng)球工藝也是很的(de)發展的前途的。減(jian)少焊料鏈接的厚(hou)度與寬度對提高(gāo)成球的成功率也(yě)是相當重要的。 形(xíng)成孔隙

　　形成孔隙(xi)通常是一個與焊(han)接接頭的相關的(de)問題。尤其是應用(yong)SMT技術來軟熔焊膏(gāo)的時候，在采用無(wu)引線陶瓷芯片的(de)情況下，絕大部分(fèn)的大孔隙(>0.0005英寸/0.01毫(hao)米)是處于LCCC焊點和(hé)印刷電路闆焊點(dian)之間，與此同時,在(zài)LCCC城堡狀物附近的(de)角焊縫中,僅有很(hěn)少量的小孔隙，孔(kong)隙的存在會影響(xiang)焊接接頭的機械(xiè)性能,并會損害接(jie)頭的強度,延展性(xìng)和疲勞壽命,這是(shi)因爲孔隙的生長(zhang)會聚結成可延伸(shen)的裂紋并導緻疲(pi)勞，孔隙也會使焊(hàn)料的應力和 協變(biàn)增加,這也是引起(qǐ)損壞的原因。此外(wai),焊料在凝固時會(huì)發生收縮,焊接電(diàn)鍍通孔時的分層(ceng)排氣以及夾帶焊(han)劑等也是造成孔(kong)隙的原因。

　　在焊接(jie)過程中,形成孔隙(xi)的械制是比較複(fú)雜的，一般而言,孔(kong)隙是由軟熔時夾(jiá)層狀結構中的焊(han)料中夾帶的焊劑(jì)排氣而造成的(2,13)孔(kong)隙的形成主要由(you)金屬化區的可焊(hàn)性決定,并随着焊(han)劑活性的降低,粉(fěn)末的金屬負荷的(de)增加以及引線接(jiē)頭下的覆蓋區的(de)增加而變化,減少(shao)焊料顆粒的尺寸(cùn)僅能銷許增加孔(kong)隙。此外,孔隙的形(xing)成也與焊料粉的(de)聚結和消除固定(ding)金屬氧化物之間(jian)的時間分配有關(guan)。焊膏聚結越早，形(xing)成的孔隙也越多(duo)。通常,大孔隙的比(bi)例随總孔隙量的(de)增加而增加.與總(zǒng)孔隙量的分析結(jié)果所示的情況相(xiàng)比,那些有啓發性(xing)的引起孔隙形成(chéng)因素将對焊接接(jiē)頭的可靠性産生(sheng)更大的影響。

　　控制(zhì)孔隙形成的方法(fǎ)包括:

　　1,改進元件/衫(shan)底的可焊性;

　　2,采用(yòng)具有較高助焊活(huó)性的焊劑;

　　3,減少焊(hàn)料粉狀氧化物;

　　4,采(cai)用惰性加熱氣氛(fēn).

　　5,減緩軟熔前的預(yu)熱過程.與上述情(qing)況相比,在BGA裝配中(zhong)孔隙的形成遵照(zhào)一個略有不同的(de)模式(14).一般說來.在(zài)采用錫63焊料塊的(de)BGA裝配中孔隙主要(yào)是在闆級裝配階(jie)段生成的.在預鍍(dù)錫的印刷電路闆(pan)上,BGA接頭的孔隙量(liang)随溶劑的揮發性(xìng),金屬成分和軟熔(rong)溫度的升高而增(zeng)加,同時也随粉粒(li)尺寸的減少而增(zeng)加;這可由決定焊(han)劑排出速度的粘(zhan)度來加以解釋.按(an)照這個模型,在軟(ruǎn)熔溫度下有較高(gāo)粘度的助焊劑介(jie)質會妨礙焊劑從(cóng)熔融焊料中排出(chū)。

　　因此,增加夾帶焊(han)劑的數量會增大(dà)放氣的可能性,從(cóng)而導緻在BGA裝配中(zhong)有較大的孔隙度(dù).在不考慮固定的(de)金屬化區的可焊(hàn)性的情況下,焊劑(jì)的活性和軟熔氣(qi)氛對孔隙生成的(de)影響似乎可以忽(hu)略不計.大孔隙的(de)比例會随總孔隙(xì)量的增加而增加(jia),這就表明,與總孔(kǒng)隙量分析結果所(suo)示的情況相比,在(zài)BGA中引起孔隙生成(chéng)的因素對焊接接(jiē)頭的可靠性有更(geng)大的影響,這一點(dian)與在SMT工藝中空隙(xì)生城的情況相似(si)。

　　總結 　焊膏的回流(liu)焊接是SMT裝配工藝(yi)中的主要的闆極(jí)互連方法，影響回(hui)流焊接的主要問(wèn)題包括：底面元件(jian)的固定、未焊滿、斷(duan)續潤濕、低殘留物(wù)、間隙、焊料成球、焊(hàn)料結珠、焊接角焊(han)縫擡起、TombstoningBGA成球不良(liang)、形成孔隙等,問題(tí)還不僅限于此,在(zai)本文中未提及的(de)問題還有浸析作(zuo)用,金屬間化物,不(bu)潤濕,歪扭,無鉛焊(han)接等.隻有 解決了(le)這些問題,回流焊(han)接作爲一個重要(yào)的SMT裝配方法,才能(neng)在超細微間距的(de)時代繼續成功地(dì)保留下去。

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