錫珠缺陷工藝技術研究
2014-03-15 09:54:49??????點擊：
介紹一種U形模板開孔確定的錫膏沉淀方式來防止錫珠的形成。
焊錫由各種金屬合金組成。印制電路板(PCB)裝配商使用的錫/鉛合金(Sn63/Pb37)是錫膏和用于波峰焊接的錫條或錫線。在PCB上不是設計所需的位置所找到的焊錫包括錫塵(solder fine)、錫球(solder ball)和錫珠(solder bead)。錫塵是細小的，尺寸接近原始錫膏粉末。對于-325～+500的網(wǎng)目尺寸的焊膏，粉末直徑是25μm～45μm。錫球是由顆粒的聚結而形成的，所以大于原始的粉末尺寸。
錫珠(solder beading)是術語，錫珠是在錫膏塌落(slump)或在貼片過程中壓出焊盤引起的。在回流期間，錫膏從主要的沉淀中孤立出來，與來自其它焊盤的多余錫膏集結，或者從組件身體的側面冒出形成大的錫珠，或者留在組件的下面。
IPC-A-610 C將0.13mm(0.00512")直徑的錫球或每600mm2(0.9in2)面積上少于五顆的錫球列為可接受的焊接缺陷。IPC-A-610 C允許存在缺陷的不干擾最小電氣間隙的錫球?？墒牵词故恰斑@種可以接受的錫球都可能在運輸、處理或在一個振動應用的最終使用中變成移動的從而有可能導致電路故障。
錫球已經(jīng)困擾SMT貼片加工表面貼裝工業(yè)許多年。對于表面貼裝和混合裝配的PCB，錫珠在許多技術應用中都遇到。查明錫珠形成的原因并加以改善可以提高合格率、提供長期的可靠性和降低返修成本。
2 產(chǎn)生錫珠的原因分析
模板(stencil)開孔的設計、模板清潔度、貼片壓力、回流溫度曲線、波峰焊錫的飛濺等都可能導致錫珠的出現(xiàn)。
2.1 模板開口的設計
模板開孔的形狀是SMT貼片加工裝配中的一個關鍵設計技術。形成一個具有良好焊腳的高質量可靠的焊接點要求有足夠的錫膏，但過多的錫膏沉淀卻是導致錫珠出現(xiàn)的主要原因。
為了解決片狀元件裝配中的錫珠問題，工藝上存在各種模板設計形式。最流行的是homeplate開孔設計。這種homeplate設計可以在需要的地方準確地提供錫膏，從片狀元件的角上去掉過多的錫膏。但homeplate設計容易造成錫膏在元器件和印制板的粘附區(qū)域膏量不足的問題，容易造成組件偏位。錫膏提供很小的與零件接觸的面積。一個貼裝50%偏位的零件與濕潤的錫膏接觸的面積甚至更少。除此而外，homeplate設計不能消除片狀元件下面和其相鄰位置的錫珠。錫膏還是會直接在組件的中間出現(xiàn)，從這里它可能在回流期間轉移到不可預測的位置。
homeplate模板可減少在片狀元件上的錫珠數(shù)量，但是不能完全消除。減少85%的模板開口尺寸（圖3）會有80%左右的片狀元件出現(xiàn)錫珠。T形模板也只可去掉50%的錫珠。因此，這三種模板沒有哪個可以既持續(xù)地消除錫珠，同時又在裝配期間提供足夠的粘附力來將組件固定在位。
2.2 模板清潔度
模板底面的污染也可能造成錫珠和錫球。造成模板污染的原因包括過高的刮刀(squeegee)壓力、不經(jīng)常與不正確的模板底部擦拭等。
2.3 定位
印刷的定位對維持良好的工藝持續(xù)性的關鍵。錫膏對準不好也可能造成錫橋、在焊盤與阻焊之間間隙中的形成錫珠。
2.4 組件貼裝壓力
錫膏的任何塌落或過高的貼裝壓力都將造成一些錫膏沉淀跑出焊盤，從而大大地增加回流期間錫珠的形成機會。在組件貼裝期間需要使用適當?shù)膲毫⒔M件直接放到錫膏中，但又不會將錫膏擠到一個不希望的位置。
2.5 回流溫度曲線
錫膏制造商提供的回流溫度曲線一般是一個較寬的溫度范圍。在這個可接受的范圍內(nèi)，幾個不同的特性影響助焊劑和焊接點形成的效果。
一個慢的線性預熱允許錫膏中的溶劑逐漸蒸發(fā)，減少諸如塌落和飛濺發(fā)生的機會?？山邮艿纳郎芈室话愕陀诿棵?℃。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)每秒1.3℃的速率是最有效的。這個速率允許助焊劑緩慢活化，在完成其目的之前不被蒸發(fā)掉。
回流溫度以上的時間影響與銅基材料形成的金屬間化合物的數(shù)量?？山邮艿幕亓鳒囟纫陨蠒r間為45s～90s。
峰值溫度可以影響產(chǎn)品的長期壽命。溫度越低，組件上的應力越小。一般，除非特殊零件要求，230℃是最高溫度。
2.6 波峰焊錫飛濺
波峰焊接工藝也可能造成PCB組件面上的錫珠。如果助焊劑預熱不適當，在PCB進入波峰之前有水留在板上，飛濺就可能發(fā)生。隨機的錫球可能附著在PCB組件上。
根據(jù)對產(chǎn)品缺陷的跟蹤統(tǒng)計，行業(yè)內(nèi)比較認同的造成錫珠缺陷的主要原因是模板開口形狀和焊接溫度曲線的設置。
3 焊接試驗
3.1 試驗目的
設計一種試驗來測量模板開孔設計形式和回流溫度曲線的對焊接缺陷尤其是錫珠缺陷的影響，從而確定一種可減少錫珠的模板開口形狀和回流焊接溫度曲線形式。
3.2 試驗方案
試驗用印制板選用某程控組件印制板，印制板尺寸228×150，元件面共含表貼阻容器件113個，焊接面共含表貼阻容器件247個。
模板分別選用兩種不同的開口形狀：矩形的85%焊盤尺寸和U形的85%焊盤覆蓋。模板材料是0.15mm厚度的不銹鋼，化學腐蝕。這種設計已經(jīng)證明可以提供連續(xù)的錫膏沉淀。
焊膏選用Alpha 公司OM6023免清洗焊膏。合金成分62Sn/36Pb/2Ag ，為3號錫粉。
錫膏通過全自動絲印機來印刷，使用視覺檢查錫膏沉淀的均勻性。刮刀速度每分鐘1.5inch，用來刮印一英寸厚的錫膏。然后選用自動貼裝設備完成PCB裝配。
使用的兩種回流溫度曲線主要是其預熱部分不同。一條曲線的預熱區(qū)是很緩慢和低溫的，升溫率為每秒1.3℃。這條曲線沒有平穩(wěn)的預熱保溫區(qū)，而是緩慢地升溫到峰值溫度。另一條曲線使用一種傳統(tǒng)形狀的預熱、保溫和升溫到峰值溫度。使用具有上下加熱的強制對流回流焊接爐。
分別采用兩種模板開口形狀和兩種溫度曲線進行組合各裝配印制板1塊.
對片狀元件使用U形開孔模板和回流溫度曲線在減少錫珠缺陷上可以得到良好的效果。同時U形開孔的模板錫膏在片狀元件身體的邊緣，不直接在身體的中間下面。如果片狀元件貼放偏離位置，錫膏沉淀足夠在整個過程和回流焊接中維持住零件，從而可以大量減少焊接缺陷。
焊錫由各種金屬合金組成。印制電路板(PCB)裝配商使用的錫/鉛合金(Sn63/Pb37)是錫膏和用于波峰焊接的錫條或錫線。在PCB上不是設計所需的位置所找到的焊錫包括錫塵(solder fine)、錫球(solder ball)和錫珠(solder bead)。錫塵是細小的，尺寸接近原始錫膏粉末。對于-325～+500的網(wǎng)目尺寸的焊膏，粉末直徑是25μm～45μm。錫球是由顆粒的聚結而形成的，所以大于原始的粉末尺寸。
錫珠(solder beading)是術語，錫珠是在錫膏塌落(slump)或在貼片過程中壓出焊盤引起的。在回流期間，錫膏從主要的沉淀中孤立出來，與來自其它焊盤的多余錫膏集結，或者從組件身體的側面冒出形成大的錫珠，或者留在組件的下面。
IPC-A-610 C將0.13mm(0.00512")直徑的錫球或每600mm2(0.9in2)面積上少于五顆的錫球列為可接受的焊接缺陷。IPC-A-610 C允許存在缺陷的不干擾最小電氣間隙的錫球?？墒牵词故恰斑@種可以接受的錫球都可能在運輸、處理或在一個振動應用的最終使用中變成移動的從而有可能導致電路故障。
錫球已經(jīng)困擾SMT貼片加工表面貼裝工業(yè)許多年。對于表面貼裝和混合裝配的PCB，錫珠在許多技術應用中都遇到。查明錫珠形成的原因并加以改善可以提高合格率、提供長期的可靠性和降低返修成本。
2 產(chǎn)生錫珠的原因分析
模板(stencil)開孔的設計、模板清潔度、貼片壓力、回流溫度曲線、波峰焊錫的飛濺等都可能導致錫珠的出現(xiàn)。
2.1 模板開口的設計
模板開孔的形狀是SMT貼片加工裝配中的一個關鍵設計技術。形成一個具有良好焊腳的高質量可靠的焊接點要求有足夠的錫膏，但過多的錫膏沉淀卻是導致錫珠出現(xiàn)的主要原因。
為了解決片狀元件裝配中的錫珠問題，工藝上存在各種模板設計形式。最流行的是homeplate開孔設計。這種homeplate設計可以在需要的地方準確地提供錫膏，從片狀元件的角上去掉過多的錫膏。但homeplate設計容易造成錫膏在元器件和印制板的粘附區(qū)域膏量不足的問題，容易造成組件偏位。錫膏提供很小的與零件接觸的面積。一個貼裝50%偏位的零件與濕潤的錫膏接觸的面積甚至更少。除此而外，homeplate設計不能消除片狀元件下面和其相鄰位置的錫珠。錫膏還是會直接在組件的中間出現(xiàn)，從這里它可能在回流期間轉移到不可預測的位置。
homeplate模板可減少在片狀元件上的錫珠數(shù)量，但是不能完全消除。減少85%的模板開口尺寸（圖3）會有80%左右的片狀元件出現(xiàn)錫珠。T形模板也只可去掉50%的錫珠。因此，這三種模板沒有哪個可以既持續(xù)地消除錫珠，同時又在裝配期間提供足夠的粘附力來將組件固定在位。
2.2 模板清潔度
模板底面的污染也可能造成錫珠和錫球。造成模板污染的原因包括過高的刮刀(squeegee)壓力、不經(jīng)常與不正確的模板底部擦拭等。
2.3 定位
印刷的定位對維持良好的工藝持續(xù)性的關鍵。錫膏對準不好也可能造成錫橋、在焊盤與阻焊之間間隙中的形成錫珠。
2.4 組件貼裝壓力
錫膏的任何塌落或過高的貼裝壓力都將造成一些錫膏沉淀跑出焊盤，從而大大地增加回流期間錫珠的形成機會。在組件貼裝期間需要使用適當?shù)膲毫⒔M件直接放到錫膏中，但又不會將錫膏擠到一個不希望的位置。
2.5 回流溫度曲線
錫膏制造商提供的回流溫度曲線一般是一個較寬的溫度范圍。在這個可接受的范圍內(nèi)，幾個不同的特性影響助焊劑和焊接點形成的效果。
一個慢的線性預熱允許錫膏中的溶劑逐漸蒸發(fā)，減少諸如塌落和飛濺發(fā)生的機會?？山邮艿纳郎芈室话愕陀诿棵?℃。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)每秒1.3℃的速率是最有效的。這個速率允許助焊劑緩慢活化，在完成其目的之前不被蒸發(fā)掉。
回流溫度以上的時間影響與銅基材料形成的金屬間化合物的數(shù)量?？山邮艿幕亓鳒囟纫陨蠒r間為45s～90s。
峰值溫度可以影響產(chǎn)品的長期壽命。溫度越低，組件上的應力越小。一般，除非特殊零件要求，230℃是最高溫度。
2.6 波峰焊錫飛濺
波峰焊接工藝也可能造成PCB組件面上的錫珠。如果助焊劑預熱不適當，在PCB進入波峰之前有水留在板上，飛濺就可能發(fā)生。隨機的錫球可能附著在PCB組件上。
根據(jù)對產(chǎn)品缺陷的跟蹤統(tǒng)計，行業(yè)內(nèi)比較認同的造成錫珠缺陷的主要原因是模板開口形狀和焊接溫度曲線的設置。
3 焊接試驗
3.1 試驗目的
設計一種試驗來測量模板開孔設計形式和回流溫度曲線的對焊接缺陷尤其是錫珠缺陷的影響，從而確定一種可減少錫珠的模板開口形狀和回流焊接溫度曲線形式。
3.2 試驗方案
試驗用印制板選用某程控組件印制板，印制板尺寸228×150，元件面共含表貼阻容器件113個，焊接面共含表貼阻容器件247個。
模板分別選用兩種不同的開口形狀：矩形的85%焊盤尺寸和U形的85%焊盤覆蓋。模板材料是0.15mm厚度的不銹鋼，化學腐蝕。這種設計已經(jīng)證明可以提供連續(xù)的錫膏沉淀。
焊膏選用Alpha 公司OM6023免清洗焊膏。合金成分62Sn/36Pb/2Ag ，為3號錫粉。
錫膏通過全自動絲印機來印刷，使用視覺檢查錫膏沉淀的均勻性。刮刀速度每分鐘1.5inch，用來刮印一英寸厚的錫膏。然后選用自動貼裝設備完成PCB裝配。
使用的兩種回流溫度曲線主要是其預熱部分不同。一條曲線的預熱區(qū)是很緩慢和低溫的，升溫率為每秒1.3℃。這條曲線沒有平穩(wěn)的預熱保溫區(qū)，而是緩慢地升溫到峰值溫度。另一條曲線使用一種傳統(tǒng)形狀的預熱、保溫和升溫到峰值溫度。使用具有上下加熱的強制對流回流焊接爐。
分別采用兩種模板開口形狀和兩種溫度曲線進行組合各裝配印制板1塊.
對片狀元件使用U形開孔模板和回流溫度曲線在減少錫珠缺陷上可以得到良好的效果。同時U形開孔的模板錫膏在片狀元件身體的邊緣，不直接在身體的中間下面。如果片狀元件貼放偏離位置，錫膏沉淀足夠在整個過程和回流焊接中維持住零件，從而可以大量減少焊接缺陷。
4 結論
提供給表面貼裝組件的錫膏數(shù)量與位置的改善直接影響錫珠缺陷的出現(xiàn)。通過在適當?shù)奈恢锰峁┻m量的錫膏，最終產(chǎn)品的質量可以大大提高。
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