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          控制SMT焊接幾種缺陷方式的解析
          1、引言
              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,迎合了未來制造技術的要求。但是,要制定和選擇適用于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復雜的系統工程,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制電路組件(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,并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:印制電路組件在600范圍內不能出現超過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,焊接印制板時,印制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),或擠出焊料在印制板正面產生錫球。第二,在印制板反面(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。如果助焊劑涂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,在印制板進入波峰時,多余的焊劑受高溫蒸發,從錫槽中濺出來,在印制板面上產生不規則的焊料球。針對上述兩個原因,我們采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,使用噴霧或發泡式涂覆助焊劑。發泡方式中,在調節助焊劑的空氣含量時,應保持盡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沖擊而變形。

              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,常常藏于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,焊膏被置于片式元件的引腳與焊盤之間,隨著印制板穿過回流焊爐,焊膏熔化變成液體,如果與焊盤和器件引腳等潤濕不良,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濕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

              造成焊錫潤濕性差的原因很多,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,對于焊盤大小偏大,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,回流焊后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制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,焊膏印錯的印制板清洗不充分,使焊膏殘留于印制板表面及通孔中?;亓骱钢?,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,焊膏熔化有先后所致。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,該力遠小于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制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于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,然后在汽相焊的平衡區內再預熱1分鐘左右,最后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后,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。嚴格按標準規范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)印制板上有缺陷的細間距引線制作;c)不恰當的回流焊溫度曲線設置等。因而,應從模板的制作、絲印工藝、回流焊工藝等關鍵工序的質量控制入手,盡可能避免橋接隱患。

              2.3.1模板材料的選擇

              SMT工藝質量問題70%出自于印刷這道工序,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銹鋼板。不銹鋼板與銅板相比有較小的摩擦系數和較高的彈性,因此在其它條件一定的情況下,更有利于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占器件總焊點數(208個)的20%左右;在其它條件一定的情況下,利用不銹鋼模板漏印,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,提出必須采用不銹鋼板的要求,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,由于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,保證焊膏涂覆量。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系式表示如下:

              logu=A/T+B--(1) 式中:u-粘度系數; 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系如圖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的最小間隙小于等于0.2mm。

              2.3.3 回流過程工藝控制

              細間距引線間的間距小、焊盤面積小、漏印的焊膏量較少,在焊接時,如果紅外再流焊的預熱區溫度較高、時間較長,則會有較多的活化劑在達到回流焊峰值溫度區域前就被耗盡。然而,只有當在峰值區域內有充足的活化劑釋放被氧化的焊粒,使焊??焖偃刍?,從而濕潤金屬引腳表面,才能形成良好的焊點。免清洗焊膏,活化程度比要清洗的焊膏低,所以如果預熱溫度和預熱時間設置稍不恰當,便會出現焊接細間引線橋接現象。我們通過降低熱溫度和縮短預熱時間來控制焊膏中活化劑的揮發,保證了免清冼焊膏在焊接溫度區域的流動性和對金屬引線表面的潤濕性,減少了細間距線的橋接缺陷。針對細間距器件和阻容器件,我們采用的回流溫度焊接曲線典型例圖如圖3所示。

              3 、結束語

              隨著表面組裝技術更廣泛、更深入的應用于各個領域,SMT焊接質量問題引起人們高度重視。SMT焊接質量與整個組裝工藝流程各個環節密切相關,為了減少或避免上述焊接缺陷的出現,不僅要提高工藝人員判斷和解決這些問題的能力,還要注重提高工藝質量控制技術、完善工藝管理,制定出有效的控制方法。只有這樣才能提高SMT焊接質量,保證電子產品的最終質量。 
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