焊錫(xi)膏使用中的(de)常見問題分(fen)析
焊膏的回(huí)流焊接是用(yòng)在smt裝配工藝(yì)中的主要闆(pǎn)級互連方法(fa),這種焊接方(fang)法把所需要(yao)的焊接特性(xìng)極好地結合(he)在一起,這些(xiē)特性包括易(yi)于加工、對各(ge)種SMT設計有廣(guǎng)泛的兼容性(xing),具有高的焊(hàn)接可靠性以(yi)及成本低等(deng);然而,在回流(liu)焊接被用作(zuo)爲最重要的(de)SMT元件級和闆(pǎn)級互連方法(fa)的時候,它也(ye)受到要求進(jìn)一步改進焊(han)接性能的挑(tiao)戰,事實上,回(hui)流焊接技術(shù)能否經受住(zhu)這一挑戰将(jiang)決定焊膏能(néng)否繼續作爲(wei)首要的SMT焊接(jiē)材料,尤其是(shì)在超細微間(jian)距技術不斷(duan)取得進展的(de)情況之下。下(xia)面我們将探(tàn)讨影響改進(jìn)回流焊接性(xìng)能的幾個主(zhǔ)要問題,爲發(fā)激發工業界(jie)研究出解決(jue)這一課題的(de)新方法,我們(men)分别對每個(gè)問題簡要介(jie)紹。
底面元件(jian)的固定
未焊(hàn)滿
未焊滿是(shi)在相鄰的引(yin)線之間形成(chéng)焊橋。通常,所(suǒ)有能引起焊(han)膏坍落的因(yīn)素都會導緻(zhi)未焊滿,這些(xiē)因素包括:
1,升(sheng)溫速度太快(kuài);
2,焊膏的觸變(bian)性能太差或(huò)是焊膏的粘(zhān)度在剪切後(hou)恢複太慢;
3,金(jīn)屬負荷或固(gù)體含量太低(dī);
4,粉料粒度分(fèn)布太廣;
5;焊劑(ji)表面張力太(tai)小。但是,坍落(luo)并非必然引(yǐn)起未焊滿,在(zai)軟熔時,熔化(hua)了的未焊滿(mǎn)焊料在表面(mian)張力的推動(dong)下有斷開的(de)可能,焊料流(liú)失現象将使(shi)未焊滿問題(ti)變得更加嚴(yan)重。在此情況(kuàng)下,由于焊料(liao)流失而聚集(jí)在某一區域(yu)的過量的焊(han)料将會使熔(rong)融焊料變得(de)過多而不易(yì)斷開。
除了引(yin)起焊膏坍落(luo)的因素而外(wài),下面的因素(su)也引起未滿(mǎn)焊的常見原(yuan)因:
1,相對于焊(hàn)點之間的空(kong)間而言,焊膏(gao)熔敷太多;
2,加(jia)熱溫度過高(gao);
4,焊劑潤(run)濕速度太快(kuai);
5,焊劑蒸氣壓(yā)太低;
6;焊劑的(de)溶劑成分太(tai)高;
7,焊劑樹脂(zhi)軟化點太低(dī)。
斷續潤濕
焊(han)料膜的斷續(xu)潤濕是指有(yǒu)水出現在光(guāng)滑的表面上(shàng)(1.4.5.),這是由于焊(hàn)料能粘附在(zai)大多數的固(gù)體金屬表面(miàn)上,并且在熔(róng)化了的焊料(liào)覆蓋層下隐(yin)藏着某些未(wèi)被潤濕的點(dian),因此,在最初(chū)用熔化的焊(han)料來覆蓋表(biǎo)面時,會有斷(duan)續潤濕現象(xiàng)出現。亞穩态(tài)的熔融焊料(liao)覆蓋層在最(zuì)小表面能驅(qu)動力的作用(yong)下會發生收(shōu)縮,不一會兒(ér)之後就聚集(jí)成分離的小(xiao)球和脊狀秃(tu)起物。斷續潤(rùn)濕也能由部(bù)件與熔化的(de)焊料相接觸(chu)時放出的氣(qì)體而引起。由(yóu)于有機物的(de)熱分解或無(wu)機物的水合(he)作用而釋放(fang)的水分都會(hui)産生氣體。水(shui)蒸氣是這些(xie)有關氣體的(de)最常見的成(cheng)份,在焊接溫(wen)度下,水蒸氣(qì)具極強的氧(yang)化作用,能夠(gòu)氧化熔融焊(han)料膜的表面(mian)或某些表面(mian)下的界面(典(dian)型的例子是(shì)在熔融焊料(liao)交界上的金(jin)屬氧化物表(biǎo)面)。常見的情(qing)況是較高的(de)焊接溫度和(he)較長的停留(liú)時間會導緻(zhì)更爲嚴重的(de)斷續潤濕現(xian)象,尤其是在(zai)基體金屬之(zhi)中,反應速度(dù)的增加會導(dǎo)緻更加猛烈(liè)的氣體釋放(fang)。與此同時,較(jiao)長的停留時(shí)間也會延長(zhǎng)氣體釋放的(de)時間。以上兩(liǎng)方面都會增(zēng)加釋放出的(de)氣體量,消除(chú)斷續潤濕現(xian)象的方法是(shì):
1,降低焊接溫(wen)度;
2,縮短軟熔(róng)的停留時間(jiān);
3,采用流動的(de)惰性氣氛;
4,降(jiàng)低污染程度(du)。
低殘留物
對(duì)不用清理的(de)軟熔工藝而(ér)言,爲了獲得(dé)裝飾上或功(gong)能上的效果(guo),常常要求低(di)殘留物,對功(gong)能要求方面(miàn)的例子包括(kuò)“通過在電路(lù)中測試的焊(han)劑殘留物來(lái)探查測試堆(dui)焊層以及在(zài)插入接頭與(yǔ)堆焊層之間(jiān)或在插入接(jiē)頭與軟熔焊(hàn)接點附近的(de)通孔之間實(shí)行電接觸”,較(jiao)多的焊劑殘(can)渣常會導緻(zhi)在要實行電(dian)接觸的金屬(shǔ)表層上有過(guò)多的殘留物(wù)覆蓋,這會妨(fang)礙電連接的(de)建立,在電路(lù)密度日益增(zeng)加的情況下(xià),這個問題越(yuè)發受到人們(men)的關注。
一(yī)般來說,這可(ke)歸因于以下(xia)四方面的原(yuan)因:
1,焊料熔敷(fū)不足;
2,引線共(gong)面性差;
3,潤濕(shi)不夠;
4,焊料損(sǔn)耗棗這是由(you)預鍍錫的印(yin)刷電路闆上(shang)焊膏坍落,引(yin)線的芯吸作(zuo)用(2.3.4)或焊點附(fù)近的通孔引(yin)起的,引線共(gong)面性問題是(shi)新的重量較(jiao)輕的12密耳(μm)間(jian)距的四芯線(xian)扁平集成電(dian)路(QFP棗Quad flat packs)的一個(ge)特别令人關(guān)注的問題,爲(wei)了解決這個(gè)問題,提出了(le)在裝配之前(qian)用焊料來預(yu)塗覆焊點的(de)方法(9),此法是(shi)擴大局部焊(hàn)點的尺寸并(bìng)沿着鼓起的(de)焊料預覆蓋(gài)區形成一個(gè)可控制的局(ju)部焊接區,并(bing)由此來抵償(cháng)引線共面性(xìng)的變化和防(fáng)止間隙,引線(xiàn)的芯吸作用(yòng)可以通過減(jian)慢加熱速度(dù)以及讓底面(miàn)比頂面受熱(re)更多來加以(yi)解決,此外,使(shi)用潤濕速度(du)較慢的焊劑(jì),較高的活化(huà)溫度或能延(yan)緩熔化的焊(hàn)膏(如混有錫(xī)粉和鉛粉的(de)焊膏)也能最(zuì)大限度地減(jian)少芯吸作用(yòng).在用錫鉛覆(fu)蓋層光整電(diàn)路闆之前,用(yong)焊料掩膜來(lai)覆蓋連接路(lu)徑也能防止(zhi)由附近的通(tōng)孔引起的芯(xin)吸作用。
焊料(liào)成球
焊料成(cheng)球是最常見(jian)的也是最棘(jí)手的問題,這(zhè)指軟熔工序(xu)中焊料在離(li)主焊料熔池(chi)不遠的地方(fāng)凝固成大小(xiǎo)不等的球粒(li);大多數的情(qíng)況下,這些球(qiu)粒是由焊膏(gāo)中的焊料粉(fen)組成的,焊料(liào)成球使人們(men)耽心會有電(diàn)路短路、漏電(diàn)和焊接點上(shang)焊料不足等(děng)問題發生,随(suí)着細微間距(jù)技術和不用(yòng)清理的焊接(jie)方法的進展(zhan),人們越來越(yuè)迫切地要求(qiú)使用無焊料(liao)成球現象的(de)SMT工藝。
引起焊(hàn)料成球(1,2,4,10)的原(yuan)因包括:
2,焊(hàn)膏過多地暴(bào)露在具有氧(yang)化作用的環(huán)境中;
4,不适當的加(jiā)熱方法;
5,加熱(rè)速度太快;
6,預(yù)熱斷面太長(zhang);
7,焊料掩膜和(hé)焊膏間的相(xiàng)互作用;
8,焊劑(jì)活性不夠;
9,焊(hàn)粉氧化物或(huo)污染過多;
10,塵(chén)粒太多;
11,在特(tè)定的軟熔處(chu)理中,焊劑裏(li)混入了不适(shi)當的揮發物(wù);
12,由于焊膏配(pèi)方不當而引(yin)起的焊料坍(tān)落;
13、焊膏使用(yòng)前沒有充分(fèn)恢複至室溫(wēn)就打開包裝(zhuang)使用;
14、印刷厚(hou)度過厚導緻(zhì)“塌落”形成錫(xī)球;
焊料結珠
焊(hàn)料結珠是在(zai)使用焊膏和(hé)SMT工藝時焊料(liao)成球的一個(ge)特殊現象.,簡(jian)單地說,焊珠(zhū)是指那些非(fei)常大的焊球(qiu),其上粘帶有(yǒu)(或沒有)細小(xiao)的焊料球(11).它(tā)們形成在具(ju)有極低的托(tuo)腳的元件如(rú)芯片電容器(qi)的周圍。焊料(liào)結珠是由焊(hàn)劑排氣而引(yin)起,在預熱階(jiē)段這種排氣(qi)作用超過了(le)焊膏的内聚(ju)力,排氣促進(jin)了焊膏在低(di)間隙元件下(xia)形成孤立的(de)團粒,在軟熔(róng)時,熔化了的(de)孤立焊膏再(zài)次從元件下(xia)冒出來,并聚(jù)結起。
焊接結(jié)珠的原因包(bao)括:
1,印刷電路(lù)的厚度太高(gāo);
2,焊點和元件(jian)重疊太多;
3,在(zai)元件下塗了(le)過多的錫膏(gao);
4,安置元件的(de)壓力太大;
5,預(yu)熱時溫度上(shang)升速度太快(kuài);
6,預熱溫度太(tai)高;
7,在濕氣從(cóng)元件和阻焊(han)料中釋放出(chū)來;
9,所用(yong)的粉料太細(xi);
10,金屬負荷太(tai)低;
11,焊膏坍落(luò)太多;
12,焊粉氧(yǎng)化物太多;
13,溶(róng)劑蒸氣壓不(bu)足。消除焊料(liao)結珠的最簡(jian)易的方法也(ye)許是改變模(mo)版孔隙形狀(zhuang),以使在低托(tuo)腳元件和焊(han)點之間夾有(yǒu)較少的焊膏(gao)。
焊接角焊接(jiē)擡起
焊接角(jiǎo)縫擡起指在(zài)波峰焊接後(hòu)引線和焊接(jiē)角焊縫從具(jù)有細微電路(lù)間距的四芯(xin)線組扁平集(jí)成電路(QFP)的焊(hàn)點上完全擡(tái)起來,特别是(shi)在元件棱角(jiao)附近的地方(fang),一個可能的(de)原因是在波(bo)峰焊前抽樣(yang)檢測時加在(zai)引線上的機(jī)械應力,或者(zhe)是在處理電(dian)路闆時所受(shou)到的機械損(sun)壞(12),在波峰焊(hàn)前抽樣檢測(ce)時,用一個鑷(nie)子劃過QFP元件(jian)的引線,以确(que)定是否所有(yǒu)的引線在軟(ruǎn)溶烘烤時都(dōu)焊上了;其結(jié)果是産生了(le)沒有對準的(de)焊趾,這可在(zài)從上向下觀(guān)察看到,如果(guo)闆的下面加(jia)熱在焊接區(qū)/角焊縫的間(jian)界面上引起(qǐ)了部分二次(ci)軟熔,那麽,從(cóng)電路闆擡起(qǐ)引線和角焊(han)縫能夠減輕(qing)内在的應力(lì),防止這個問(wen)題的一個辦(bàn)法是在波峰(fēng)焊之後(而不(bu)是在波峰焊(hàn)之前)進行抽(chou)樣檢查。
豎碑(bēi)(Tombstoning)
豎碑(Tombstoning)是指無(wu)引線元件(如(rú)片式電容器(qi)或電阻)的一(yī)端離開了襯(chèn)底,甚至整個(ge)元件都支在(zai)它的一端上(shang)。 Tombstoning也稱爲Manhattan效應(yīng)、Drawbridging 效應或Stonehenge 效應(ying),它是由軟熔(róng)元件兩端不(bú)均勻潤濕而(ér)引起的;因此(ci),熔融焊料的(de)不夠均衡的(de)表面張力拉(la)力就施加在(zài)元件的兩端(duan)上,随着SMT小型(xíng)化的進展,電(diàn)子元件對這(zhe)個問題也變(bian)得越來越敏(min)感。
此種狀況(kuang)形成的原因(yin):
2、元件問題:外(wai)形差異、重量(liang)太輕、可焊性(xing)差異;
3、基闆材(cai)料導熱性差(cha),基闆的厚度(du)均勻性差;
4、焊(han)盤的熱容量(liàng)差異較大,焊(hàn)盤的可焊性(xing)差異較大;
6、預熱溫度(dù)太低;
7、貼裝精(jing)度差,元件偏(pian)移嚴重。 Ball Grid Array (BGA)成球(qiu)不良
形成(chéng)孔隙通常是(shì)一個與焊接(jie)接頭的相關(guān)的問題。尤其(qí)是應用SMT技術(shu)來軟熔焊膏(gao)的時候,在采(cǎi)用無引線陶(tao)瓷芯片的情(qing)況下,絕大部(bù)分的大孔隙(xi)(>0.0005英寸/0.01毫米)是(shi)處于LCCC焊點和(he)印刷電路闆(pǎn)焊點之間,與(yu)此同時,在LCCC城(cheng)堡狀物附近(jin)的角焊縫中(zhong),僅有很少量(liàng)的小孔隙,孔(kǒng)隙的存在會(huì)影響焊接接(jiē)頭的機械性(xing)能,并會損害(hai)接頭的強度(du),延展性和疲(pi)勞壽命,這是(shì)因爲孔隙的(de)生長會聚結(jie)成可延伸的(de)裂紋并導緻(zhi)疲勞,孔隙也(yě)會使焊料的(de)應力和 協變(bian)增加,這也是(shi)引起損壞的(de)原因。此外,焊(hàn)料在凝固時(shí)會發生收縮(suo),焊接電鍍通(tong)孔時的分層(ceng)排氣以及夾(jiá)帶焊劑等也(yě)是造成孔隙(xì)的原因。
在焊(han)接過程中,形(xíng)成孔隙的械(xiè)制是比較複(fú)雜的,一般而(er)言,孔隙是由(you)軟熔時夾層(céng)狀結構中的(de)焊料中夾帶(dai)的焊劑排氣(qi)而造成的(2,13)孔(kǒng)隙的形成主(zhǔ)要由金屬化(huà)區的可焊性(xing)決定,并随着(zhe)焊劑活性的(de)降低,粉末的(de)金屬負荷的(de)增加以及引(yǐn)線接頭下的(de)覆蓋區的增(zeng)加而變化,減(jian)少焊料顆粒(li)的尺寸僅能(néng)銷許增加孔(kong)隙。此外,孔隙(xì)的形成也與(yu)焊料粉的聚(jù)結和消除固(gù)定金屬氧化(hua)物之間的時(shi)間分配有關(guan)。焊膏聚結越(yuè)早,形成的孔(kǒng)隙也越多。通(tōng)常,大孔隙的(de)比例随總孔(kǒng)隙量的增加(jiā)而增加.與總(zǒng)孔隙量的分(fen)析結果所示(shi)的情況相比(bi),那些有啓發(fa)性的引起孔(kǒng)隙形成因素(su)将對焊接接(jie)頭的可靠性(xing)産生更大的(de)影響。
2,采用(yong)具有較高助(zhù)焊活性的焊(han)劑;
3,減少焊料(liào)粉狀氧化物(wù);
4,采用惰性加(jia)熱氣氛.
5,減緩(huan)軟熔前的預(yu)熱過程.與上(shàng)述情況相比(bi),在BGA裝配中孔(kǒng)隙的形成遵(zūn)照一個略有(you)不同的模式(shi)(14).一般說來.在(zài)采用錫63焊料(liao)塊的BGA裝配中(zhōng)孔隙主要是(shì)在闆級裝配(pèi)階段生成的(de).在預鍍錫的(de)印刷電路闆(pǎn)上,BGA接頭的孔(kǒng)隙量随溶劑(jì)的揮發性,金(jin)屬成分和軟(ruǎn)熔溫度的升(sheng)高而增加,同(tóng)時也随粉粒(lì)尺寸的減少(shao)而增加;這可(kě)由決定焊劑(ji)排出速度的(de)粘度來加以(yi)解釋.按照這(zhè)個模型,在軟(ruan)熔溫度下有(you)較高粘度的(de)助焊劑介質(zhì)會妨礙焊劑(jì)從熔融焊料(liào)中排出。
因此(ci),增加夾帶焊(han)劑的數量會(huì)增大放氣的(de)可能性,從而(ér)導緻在BGA裝配(pei)中有較大的(de)孔隙度.在不(bu)考慮固定的(de)金屬化區的(de)可焊性的情(qíng)況下,焊劑的(de)活性和軟熔(róng)氣氛對孔隙(xi)生成的影響(xiang)似乎可以忽(hu)略不計.大孔(kong)隙的比例會(huì)随總孔隙量(liàng)的增加而增(zeng)加,這就表明(ming),與總孔隙量(liàng)分析結果所(suǒ)示的情況相(xiang)比,在BGA中引起(qi)孔隙生成的(de)因素對焊接(jiē)接頭的可靠(kao)性有更大的(de)影響,這一點(diǎn)與在SMT工藝中(zhōng)空隙生城的(de)情況相似。
總(zǒng)結 焊膏的回(hui)流焊接是SMT裝(zhuāng)配工藝中的(de)主要的闆極(jí)互連方法,影(ying)響回流焊接(jiē)的主要問題(tí)包括:底面元(yuan)件的固定、未(wèi)焊滿、斷續潤(rùn)濕、低殘留物(wu)、間隙、焊料成(cheng)球、焊料結珠(zhū)、焊接角焊縫(féng)擡起、TombstoningBGA成球不(bu)良、形成孔隙(xì)等,問題還不(bu)僅限于此,在(zai)本文中未提(ti)及的問題還(hái)有浸析作用(yong),金屬間化物(wu),不潤濕,歪扭(niu),無鉛焊接等(deng).隻有 解決了(le)這些問題,回(hui)流焊接作爲(wèi)一個重要的(de)SMT裝配方法,才(cái)能在超細微(wei)間距的時代(dai)繼續成功地(di)保留下去。
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