表面組裝工藝中再流焊接缺陷分析

杜中一

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程技術(shù)系，遼寧 大連 116037）

再流焊也叫做回流焊，是由于表面組裝技術(shù)（SMT）的發(fā)展而不斷發(fā)展起來(lái)的焊接技術(shù)。再流焊技術(shù)主要用于各種表面組裝元器件的焊接，是目前最主流的電子組裝焊接技術(shù)。再流焊接提供一種加熱環(huán)境，使預(yù)先分配到印制板焊盤(pán)上的焊膏重新熔化，從而讓表面組裝的元器件和PCB焊盤(pán)通過(guò)焊膏合金可靠地結(jié)合在一起。再流焊操作方法簡(jiǎn)單，效率高，品質(zhì)好，節(jié)省焊料，是一種適于自動(dòng)化生產(chǎn)、主流的SMT焊接技術(shù)。PCB板通過(guò)再流焊爐傳動(dòng)裝置進(jìn)入到再流焊爐的內(nèi)部，經(jīng)過(guò)一系列溫度不同的溫區(qū)，再?gòu)某隹趥鞒觯@樣就完成一次焊接。通常一次再流焊過(guò)程包括預(yù)熱、保溫（也叫浸潤(rùn)）、再流及冷卻這4個(gè)溫度階段。

在整個(gè)再流焊接過(guò)程中，常常由于工藝控制不當(dāng)而產(chǎn)生一些焊接的缺陷。最常見(jiàn)的再流焊接缺陷包括冷焊、“立碑”、偏移及錫珠現(xiàn)象，下面將對(duì)這4種缺陷現(xiàn)象作具體的分析。

1 冷焊現(xiàn)象

冷焊是指焊膏還沒(méi)有完全熔化就開(kāi)始冷卻的一種再流焊缺陷。冷焊的焊點(diǎn)表面比較粗糙、外形不規(guī)則，顏色比較暗淡。冷焊形成的焊點(diǎn)機(jī)械抗拉強(qiáng)度比較低。冷焊的焊點(diǎn)如圖1所示。

圖1 冷焊的焊點(diǎn)

冷焊形成的主要原因，是再流焊接從預(yù)熱、保溫到再流這3個(gè)溫區(qū)的溫度偏低，或者在合適的爐溫下，PCB停留的時(shí)間太短，造成PCB不能夠得到充足的熱量，將導(dǎo)致焊料不能完全處于熔融狀態(tài)。

對(duì)于共晶有鉛焊膏63Sn37Pb的再流焊接，其熔點(diǎn)是183℃，預(yù)熱階段通常上升速率設(shè)定為1~3℃/s；再流峰值溫度一般設(shè)定在210～230℃，超過(guò)液相線溫度的駐留時(shí)間一般在45～80 s，溫度上升斜率最大不可超過(guò)4℃/s。

對(duì)于無(wú)鉛焊料的再流焊接，最好選擇7～9溫區(qū)的再流焊爐，這樣提供更多的溫區(qū)，可以提高無(wú)鉛焊接的焊接效果。最常見(jiàn)的無(wú)鉛焊膏96.5Sn3Ag0.5Cu的熔點(diǎn)是217℃，再流峰值溫度一般設(shè)定在220～245℃，超過(guò)液相線溫度的駐留時(shí)間一般在50～60 s。無(wú)鉛焊膏96.5Sn3Ag0.5Cu溫度曲線設(shè)置如圖2所示。

圖2 無(wú)鉛焊膏96.5Sn3Ag0.5Cu溫度曲線設(shè)置

PCB在再流焊爐的傳輸系統(tǒng)上傳送速度過(guò)快，就會(huì)使焊點(diǎn)在液相線以上的溫度中停留時(shí)間過(guò)短，使得焊料在焊爐內(nèi)不能充分的受熱熔化，造成冷焊。我們可以適當(dāng)減少傳送速度，以便于獲得良好的焊點(diǎn)，也可采取下列方式處理冷焊問(wèn)題。

（1）采用再次再流的方法消除冷焊；

（2）為防止再次再流中助焊劑揮發(fā)過(guò)快，可以采用再流焊專用助焊劑，設(shè)定適當(dāng)?shù)臏囟惹€，調(diào)整預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間。

2 “立碑”現(xiàn)象

“立碑”現(xiàn)象常發(fā)生于表面組裝片式元件的再流焊，是指兩個(gè)焊端的表面組裝片式元件，經(jīng)過(guò)再流焊后其中一個(gè)端頭離開(kāi)焊盤(pán)表面，整個(gè)元件呈斜立或直立的現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 “立碑”現(xiàn)象

幾種常見(jiàn)的“立碑”狀況，分析如下：

（1）貼片精度不夠。我們知道，再流焊最大的優(yōu)點(diǎn)，是具有自定位效應(yīng)，即貼片時(shí)如果產(chǎn)生較小的元器件偏移，在再流焊接時(shí)，由于焊膏的熔化產(chǎn)生的表面張力，可以拉動(dòng)元器件進(jìn)行自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。但如果元器件偏移嚴(yán)重，拉動(dòng)就有可能會(huì)使片式元件豎起，形成“立碑”。

解決辦法是，調(diào)整貼片機(jī)的設(shè)置參數(shù)，以提高貼裝精度，盡可能減少貼裝偏差。

（2）焊盤(pán)尺寸不合理。片式元件焊端都是對(duì)稱的，如果片式元件的對(duì)稱焊盤(pán)不對(duì)稱，則會(huì)導(dǎo)致漏印的焊膏量不一致，小焊盤(pán)上的焊膏對(duì)溫度響應(yīng)快，能夠更快的熔化，大焊盤(pán)則相反，熔化較慢。這樣當(dāng)小焊盤(pán)上的焊膏已經(jīng)熔化后，在其表面張力的作用下，可以將片式元件拉起甚至直立，導(dǎo)致“立碑”現(xiàn)象的發(fā)生。

解決辦法是，一定要按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊盤(pán)的設(shè)計(jì)，保證焊盤(pán)圖形的形狀和尺寸大小完全對(duì)稱。另外，在設(shè)計(jì)焊盤(pán)時(shí)，可以在保證焊點(diǎn)強(qiáng)度的前提下，讓焊盤(pán)尺寸應(yīng)盡可能小些，這樣“立碑”現(xiàn)象就會(huì)大幅度減少。

（3）焊膏涂敷過(guò)量。印刷焊膏過(guò)量時(shí)，由于焊膏量較多，因此對(duì)稱的兩個(gè)焊盤(pán)上的焊膏不同時(shí)熔化的概率就大大提高，從而導(dǎo)致片式元件兩個(gè)焊端受到熔化焊膏的表面張力不平衡，容易產(chǎn)生“立碑”。相反，如果焊膏涂敷的量適合，對(duì)稱的兩個(gè)焊盤(pán)上的焊膏不同時(shí)熔化的概率就大大降低，發(fā)生“立碑”的可能性就會(huì)減少。

解決辦法是，在印刷焊膏的模板開(kāi)口尺寸固定的前提下，涂敷焊膏量的多少，是由焊膏的厚度決定的；而焊膏的厚度，是由模板的厚度決定的，因而可以選擇用模板厚度較薄的模板，通常模板厚度不超過(guò)0.15 mm。

（4）沒(méi)有充分預(yù)熱。當(dāng)焊膏預(yù)熱溫度設(shè)置較低或預(yù)熱時(shí)間較短時(shí)，片式元件兩端的焊膏在進(jìn)入再流階段前，沒(méi)有到達(dá)理想的溫度，這樣不能同時(shí)熔化的概率就大大提高了，從而使得片式元件對(duì)稱的兩個(gè)焊端受到的表面張力不平衡，產(chǎn)生“立碑”。

解決辦法是，正確設(shè)置預(yù)熱溫度曲線，降低再流焊爐傳送裝置的傳送速度，從而延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間，其焊膏充分預(yù)熱。

（5）PCB板的片式元件排列設(shè)計(jì)存在缺陷。在再流焊接時(shí)，如果片式元件的兩個(gè)焊端是一前一后進(jìn)入再流焊爐，那么先進(jìn)入的一端的焊膏將先熔化，而另一焊端尚未達(dá)到熔化溫度，這樣將導(dǎo)致先熔化的焊端在表面張力的作用下，將片式元件拉直豎起，產(chǎn)生“立碑”。

解決辦法是，在進(jìn)行PCB的版圖布局設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使片式元件兩焊端同時(shí)進(jìn)入再流焊區(qū)域，即盡量使片式元件在PCB上的排布方向垂直于PCB的運(yùn)動(dòng)方向，這樣就使片式元件兩端焊盤(pán)上的焊膏可以同時(shí)熔化，減少“立碑”產(chǎn)生的可能性。

（6）片式元件質(zhì)量太小。自身質(zhì)量越小的片式元件，發(fā)生“立碑”現(xiàn)象的比率越高。因?yàn)槠皆|(zhì)量太小，只要片式元件兩端存在一點(diǎn)點(diǎn)不均衡的表面張力，就可以很容易地拉起片式元件。

解決辦法是，在確保片式元件型號(hào)正確的前提下，盡量能夠選擇質(zhì)量較大的片式元件。

3 偏移現(xiàn)象

偏移，是指元器件沒(méi)有被準(zhǔn)確的焊接在焊盤(pán)上的現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 偏移

幾種常見(jiàn)的偏移狀況分析如下：

（1）焊膏的性質(zhì)。再流焊接焊膏的焊料金屬含量一般選擇在89%～92.5%，金屬含量不足89%的焊膏，印刷脫模之后的焊膏圖形邊緣容易引起塌陷，金屬含量如果超過(guò)92.5%，焊膏的黏度將會(huì)過(guò)大，焊膏將不能順利的脫模。焊膏的黏度過(guò)大，還將會(huì)使焊膏流變性能下降，在焊接過(guò)程中，將會(huì)影響熔融焊料的潤(rùn)濕性，導(dǎo)致焊膏自定位作用的下降，容易產(chǎn)生元器件的偏移。

通常貼片機(jī)完成貼裝之后，在元器件相對(duì)于焊盤(pán)中心的偏移率不大于40%的情況下，若熔化的焊膏具有良好的潤(rùn)濕性，在自定位作用的驅(qū)使下，焊膏可以糾正偏移的元器件；若在再焊接過(guò)程中，通入惰性的保護(hù)氣體氮?dú)?，則自定位作用效果會(huì)更佳。如果選擇的焊膏焊料金屬含量偏低，則焊膏黏度就會(huì)偏低，貼片元器件附著在上面就不會(huì)很牢靠，如果再流焊爐的傳輸裝置發(fā)生震動(dòng)或傳送速度稍快，就容易產(chǎn)生偏移。

（2）焊膏的印刷效果。若焊盤(pán)上的焊膏印刷不均勻，則元器件在焊接時(shí)焊端受到熔化焊膏的表面張力不均衡，也會(huì)使元器件發(fā)生扭曲，從而產(chǎn)生位置偏移。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整焊膏印刷機(jī)刮刀的壓力，保證印刷的焊膏厚度合理且均勻。

（3）再流焊爐升溫的速率。升溫的階段包括預(yù)熱、保溫和再流這3個(gè)階段。一方面，如果升溫速率過(guò)高，元器件各端焊膏的受熱不均衡，使熔融焊膏的表面張力有一定的差異，容易使元件發(fā)生移位，從而產(chǎn)生位置偏移；另一方面，如果升溫速率過(guò)低，焊膏中的助焊劑會(huì)在自定位完成之前耗盡，失去助焊劑的作用，焊膏的潤(rùn)濕性能將會(huì)變得很差，熔化后的焊膏表面張力也會(huì)降低，削弱焊膏的自定位作用，偏移的元器件也將很難自行修正。通常預(yù)熱階段上升速率設(shè)定為1~3℃/s；再流峰階段溫度上升斜率最大不可超過(guò)4℃/s。

（4）焊盤(pán)與元器件引腳的可焊接性能。如果焊盤(pán)或元器件引腳的可焊性較差，再流焊接時(shí)，必將影響熔化的焊膏在焊盤(pán)或元器件引腳上的潤(rùn)濕性能，造成焊膏表面的張力不均衡，元器件就會(huì)容易產(chǎn)生偏移。

（5）貼裝的精度。元器件的貼裝精度，也會(huì)造成再流焊過(guò)程中的偏移。雖然輕微的貼裝偏差，可以通過(guò)再流焊的自定位進(jìn)行修正；但在潤(rùn)濕狀態(tài)不佳的情況下，或偏移的幅度過(guò)大的情況下，自定位修正就無(wú)能為力了。通常元器件相對(duì)于焊盤(pán)中心的偏移率超過(guò)40%，自定位修正將會(huì)很困難，偏移缺陷率會(huì)迅速增加。但對(duì)于BGA器件的自定位修正能力是很強(qiáng)的，甚至在偏移率達(dá)到60%的情況下，自定位還能進(jìn)行修正。

（6）傳輸系統(tǒng)傳送PCB的平穩(wěn)度。再流焊爐腔內(nèi)輕微的影響，都會(huì)導(dǎo)致位置偏移。再流焊爐的傳送網(wǎng)帶或鏈條在傳送PCB的過(guò)程中，發(fā)生輕微的抖動(dòng)，會(huì)使焊料尚處在熔融狀態(tài)下，還未冷卻形成焊點(diǎn)的元器件發(fā)生偏移。

（7）再流焊爐內(nèi)的高速氣流。在再流焊接中由于片狀元件的體積較小，自身質(zhì)量也較小，再流焊爐內(nèi)循環(huán)的加熱氣流，會(huì)將一些小的元件從貼片最初的位置吹開(kāi)，造成元件的偏移，所以要適當(dāng)降低爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)的風(fēng)速。另外，要注意選擇一些黏度較高的焊膏，甚至可以采用貼片膠進(jìn)行固定，這些辦法都可以避免由于再流焊爐內(nèi)的高速氣流而產(chǎn)生的片式元件的偏移。

4 錫珠現(xiàn)象

錫珠現(xiàn)象，是再流焊接中經(jīng)常碰到的焊接缺陷，多發(fā)生在焊接過(guò)程中的急速加熱過(guò)程中，或預(yù)熱區(qū)溫度過(guò)低，突然進(jìn)入再流區(qū)，也容易產(chǎn)生錫珠。如圖5所示。

圖5 錫珠

產(chǎn)生錫珠的主要原因，就是再流焊各溫區(qū)的溫度曲線設(shè)置不當(dāng)。

首先，如果沒(méi)有充分的預(yù)熱，即沒(méi)有達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟然驎r(shí)間要求，焊膏中的助焊劑活性偏低，不僅不能去除焊盤(pán)和焊膏中焊料顆粒表面的氧化膜，而且無(wú)法改善熔化焊膏的潤(rùn)濕性，再流時(shí)容易產(chǎn)生錫珠。其解決辦法是，使預(yù)熱時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)。

其次，如果預(yù)熱區(qū)溫度上升速度過(guò)快，達(dá)到預(yù)定溫度的時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致焊膏內(nèi)部的水分和焊膏中的溶劑部分未完全揮發(fā)出來(lái)，在到達(dá)再流焊溫區(qū)時(shí)，就會(huì)引起焊膏內(nèi)部的水分和焊膏中的溶劑迅速沸騰，從而濺出錫珠。因此，應(yīng)注意升溫速率，預(yù)熱區(qū)溫度的上升速度控制在1～3℃/s范圍內(nèi)。

另外，再流溫區(qū)的溫度的設(shè)置過(guò)低，液態(tài)熔化的焊膏潤(rùn)濕性將下降，容易產(chǎn)生錫珠。如果適當(dāng)升高再流溫區(qū)的溫度，液態(tài)熔化的焊膏的潤(rùn)濕性將得到明顯改善，會(huì)減少錫珠的產(chǎn)生。對(duì)于共晶有鉛焊膏63Sn37Pb的再流焊接，再流溫度一般設(shè)定在210～230℃；對(duì)于最常見(jiàn)的無(wú)鉛焊膏96.5Sn3Ag0.5Cu，再流溫度一般設(shè)定在220～245℃。

5 結(jié)束語(yǔ)

冷焊、“立碑”、偏移和錫珠現(xiàn)象，是再流焊接過(guò)程中的4種主要缺陷，通過(guò)分析各種缺陷形成的原因，找出了解決辦法，給出了針對(duì)相關(guān)缺陷分析的思路和方法。

[1]鮮 飛．SMT焊接常見(jiàn)缺陷及解決辦法[J]．印制電路信息，2004，（5）：110-115.

[2]杜中一.SMT表面組裝技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]吳懿平.電子組裝技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.