SMT生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生錫珠的原因分析及防控措施

戴建華

SMT生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生錫珠的原因分析及防控措施

戴建華1,2

(1.江蘇省無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心 江蘇無(wú)錫 214153；2.無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214153)

對(duì)SMT生產(chǎn)工藝中容易產(chǎn)生的錫珠進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。通過(guò)材料、設(shè)備、工藝、環(huán)境的影響，對(duì)操作人員的技術(shù)水平、工作習(xí)慣進(jìn)行分析；提出了在SMT生產(chǎn)工藝過(guò)程中如何防止“錫珠”產(chǎn)生的防控措施，并通過(guò)工廠(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐有效地控制了錫珠的產(chǎn)生，為SMT工藝工程師在生產(chǎn)過(guò)程中如何改善錫珠方面提供了參考。

錫珠 焊膏 再流焊 溫度曲線(xiàn)

隨著電子產(chǎn)品迅速朝小型化、便攜式、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展，這種市場(chǎng)需求對(duì)電路組裝技術(shù)提出了更高的要求，其中主要包括高密度化、高速化、高性能、高可靠性、低功耗、小尺寸和多引腳等。SMT(SurfaceMounted Technology)技術(shù)作為電子行業(yè)最流行和應(yīng)用最廣的工藝技術(shù)，因其具備組裝密度高、電子產(chǎn)品體積小、可靠性高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，已成為電子組裝行業(yè)里最重要的一種工藝和技術(shù)。但在實(shí)際規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，還是有各種各樣的問(wèn)題發(fā)生，錫珠是最主要的缺陷。另外，越來(lái)越多的電子焊接采用焊后“免清洗”工藝，但是如果焊后板面有“錫珠”出現(xiàn)，則不可能達(dá)到“免清洗”的要求，因此“錫珠”的預(yù)防與控制在實(shí)施“免清洗”過(guò)程中就顯得格外重要?！板a珠”的出現(xiàn)不僅影響板級(jí)產(chǎn)品外觀(guān)，更為嚴(yán)重的是由于印制板上元件密集，在使用過(guò)程中有可能造成短路等狀況，從而影響產(chǎn)品的可靠性。

1 “錫珠”產(chǎn)生主要因素分析

1.1 關(guān)于的“錫珠”形態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)電子產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及無(wú)鉛的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(IPC-A-610C標(biāo)準(zhǔn))中規(guī)定“每平方英寸少于5個(gè)”。最小絕緣間隙0.13 mm，直徑小于0.13 mm的錫珠被認(rèn)為是合格的，常見(jiàn)的錫珠形態(tài)及其尺寸照片如圖1所示。而直徑大于或等于0.13 mm的錫珠是不合格的，制造商必須采取糾正措施，避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。在最新版IPCA-610D標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)無(wú)鉛焊接中錫珠現(xiàn)象做更清楚的規(guī)定，另外MIL-STD-2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“不允許有錫珠”，在有關(guān)汽車(chē)和軍用產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)中則是“不允許出現(xiàn)任何錫珠”，所用線(xiàn)路板在焊接后必須被清洗或?qū)㈠a珠手工去除。

圖1 常見(jiàn)的錫珠形態(tài)及其尺寸標(biāo)識(shí)照片

1.2 “錫珠”產(chǎn)生的原因

焊錫珠的存在不僅影響了電子產(chǎn)品的外觀(guān)，也對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量埋下了隱患?，F(xiàn)代化電子線(xiàn)路印制板元件密度高、間距小，在使用時(shí)錫珠可能會(huì)脫落。有的用戶(hù)在使用端有二次回流的需要，錫珠造成元器件或電路連接短路，影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，很有必要弄清錫珠產(chǎn)生的原因，并進(jìn)行有效地控制及改進(jìn)。在“SMT表面貼裝”焊接工藝中，錫珠是在回流爐中產(chǎn)生，但回流焊的“溫度、時(shí)間、錫膏的質(zhì)量、印刷厚度、鋼網(wǎng)(模板)的制作、裝貼壓力”等因素都有可能造成“錫珠”的產(chǎn)生。錫珠其實(shí)就是由于錫膏受熱太快，錫膏中的水分爆裂而使得焊錫飛濺，從而在電路板上產(chǎn)生多余的錫珠。所以原因主要從物料角度、設(shè)備角度和工藝操作角度三個(gè)方面來(lái)分析。

1)物料角度——錫膏

錫膏是一種均質(zhì)混合物，由合金焊料粉、糊狀焊劑和一些添加劑混合而成的具有一定黏性和良好觸變性的膏狀體。當(dāng)被加熱到一定溫度時(shí)(通常183℃)，隨著溶劑和部分添加劑的揮發(fā)及合金粉的熔化，使被焊元器件和焊盤(pán)連在一起，冷卻形成永久連接的焊點(diǎn)。合金焊料粉是錫膏的主要成分，約占錫膏重量的85％～90％。常用的錫膏分以下幾種：錫鉛(Sn – Pb)、錫鉛銀/銅(Sn – Pb – Ag/Cu)和錫(鉛)鉍(Sn – Pb – Bi)。目前錫鉍為低溫錫膏，比較容易出現(xiàn)“錫珠”，錫膏產(chǎn)生的原因主要是由錫膏的配方及成分所引起。

(1)錫膏中的金屬含量。錫膏中金屬含量的質(zhì)量比約為89%～91%，體積比約為50%左右，如圖2所示。通常金屬含量越多，錫膏中的金屬粉末排列越緊密，錫粉的顆料之間就有更多機(jī)會(huì)結(jié)合而不易在氣化時(shí)被吹散，因此不易形成“錫珠”；如果金屬含量減少，則出現(xiàn)“錫珠”的機(jī)率增高。

圖2 錫膏成分與錫珠率對(duì)照曲線(xiàn)

(2)錫膏中氧化物的含量。錫膏中氧化物含量也影響著焊接效果。氧化物含量越高，金屬粉末熔化后在與焊盤(pán)熔合的過(guò)程中表面張力就越大，而且在“回流焊接階段”金屬粉末表面氧化物的含量還會(huì)增高，這就不利于焊料的完全“潤(rùn)濕”從而導(dǎo)致細(xì)小錫珠產(chǎn)生。

(3)錫膏中金屬粉末的粒度。錫膏中的金屬粉末是極細(xì)小的近圓型球體，常用的焊粉球徑約在25～45 μm之間，較細(xì)的粉末中氧化物含量較低，因而會(huì)使“錫珠”現(xiàn)象得到緩解。

(4)錫膏抗熱坍塌效果。在回流焊預(yù)熱段，如果錫膏抗熱坍塌效果不好，在焊接溫度前(焊料開(kāi)始熔融前)已印刷成型的錫膏開(kāi)始坍塌，并有些錫膏流到焊盤(pán)以外。當(dāng)進(jìn)入焊接區(qū)時(shí)焊料開(kāi)始熔融，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，錫膏收縮成焊點(diǎn)并開(kāi)始浸潤(rùn)爬升至焊接端頭。有時(shí)因?yàn)楹竸┤笔Щ蚱渌驅(qū)е洛a膏應(yīng)力不足，有一少部分焊盤(pán)外的錫膏沒(méi)有收縮回來(lái)，當(dāng)其完全熔化后就形成了“錫珠”。

由此可見(jiàn)，錫膏的質(zhì)量及選用也影響著錫珠產(chǎn)生。錫膏中金屬及其氧化物的含量、金屬粉末的粒度、錫膏抗熱坍塌效果等都在不同程度地影響著“錫珠”的形成。

2)設(shè)備角度——印刷機(jī)，貼片機(jī)，回流焊機(jī)

(1)錫膏在印制板上的印刷厚度及印刷量。錫膏的印刷厚度是生產(chǎn)中一個(gè)主要參數(shù)，印刷厚度通常在0.15～0.20 mm之間，過(guò)厚或過(guò)多都容易導(dǎo)致“坍塌”從而形成“錫珠”，過(guò)少會(huì)影響焊接質(zhì)量。

(2)如果在貼片過(guò)程中貼裝壓力過(guò)大，元件壓在錫膏上時(shí)就可能有一部分錫膏被擠在元件下面或有少量錫粉飛出，在焊接段這部分焊粉熔化從而形成“錫珠”。

(3)回流焊機(jī)如果溫區(qū)較少或回流焊機(jī)的長(zhǎng)度不夠，都會(huì)因升溫較快而產(chǎn)生錫珠。

3)工藝角度

(1)印刷工藝

錫膏印刷時(shí)發(fā)生的塌陷使錫膏留在阻焊層上,從而會(huì)在回流焊時(shí)產(chǎn)生焊錫珠。塌陷與錫膏特性、模板、印刷參數(shù)設(shè)定有很大關(guān)系。錫膏的黏度較低、保形性不好,使印刷后容易塌陷；如果模板內(nèi)孔壁粗糙不平,會(huì)造成錫膏從模板脫落,印出的錫膏也容易發(fā)生塌陷。過(guò)大的刮刀壓力會(huì)對(duì)錫膏產(chǎn)生比較大的沖擊力,使錫膏外形被破壞,發(fā)生塌陷的概率也會(huì)大大增加。因此,相對(duì)應(yīng)的解決方法是選擇黏度較高的錫膏，采用激光切割模板來(lái)提高孔壁光滑度以降低刮刀壓力參數(shù)。有時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中，印刷線(xiàn)路板印錯(cuò)后需要將線(xiàn)路板上已經(jīng)印制的錫膏清洗干凈。若清洗不干凈，印制板表面和過(guò)孔內(nèi)就會(huì)有殘余的錫膏，回流焊時(shí)就會(huì)形成錫珠，在這一過(guò)程中，人員因素的影響顯得尤為突出。因此要加強(qiáng)操作員在生產(chǎn)過(guò)程中的責(zé)任心，嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行生產(chǎn)，加強(qiáng)工藝過(guò)程的質(zhì)量控制。

(2)貼片工藝

如果在貼裝時(shí)壓力太大，錫膏就容易被擠壓到元件下面的阻焊層上，在回流焊時(shí)焊錫熔化在元件的周?chē)纬慑a珠。可以減小貼裝時(shí)的壓力，調(diào)整貼裝壓力并設(shè)定包含元件本身厚度在內(nèi)的貼裝吸嘴的下降位置，要注意元器件的物理尺寸，設(shè)置正確的元件高度。

(3)回流焊工藝

回流焊溫度曲線(xiàn)是決定焊珠形成的一個(gè)重要參數(shù)，溫度曲線(xiàn)如圖3所示?；亓鬟^(guò)程中不同階段的溫度和升溫速度會(huì)導(dǎo)致不同的問(wèn)題產(chǎn)生。經(jīng)典的回流溫度曲線(xiàn)將整個(gè)回流過(guò)程分為5個(gè)區(qū)域:預(yù)熱、保溫、升溫、焊接、冷卻。每個(gè)區(qū)域的曲線(xiàn)斜率不同，升溫速率分別為1.5℃/s、0.5℃/s、1.5℃/s、2.5℃/s，冷卻區(qū)域小于4℃/s。特別是在焊接區(qū)，由于升溫速度較快，水分爆裂就容易形成錫珠。采取較適中的預(yù)熱溫度和預(yù)熱速度來(lái)控制錫珠的產(chǎn)生。

圖3 回流焊溫度曲線(xiàn)圖

(4)其他輔助工藝

濕度敏感的元器件及印制板長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中會(huì)吸收水分并發(fā)生焊盤(pán)氧化,導(dǎo)致可焊性變差,極易引起焊錫珠現(xiàn)象。對(duì)這些濕度敏度元件和印制板要進(jìn)行濕度敏感度控制,控制的原則是在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、備料及生產(chǎn)過(guò)程中一定要嚴(yán)格按照元器件及印制板的濕度敏感等級(jí)進(jìn)行控制,暴露時(shí)間超標(biāo)時(shí)必須及時(shí)用低溫(40℃)或者高溫(120℃) 在干燥箱中進(jìn)行24 h的烘烤,并且用濕度敏感指示卡進(jìn)行跟蹤且要進(jìn)行真空封裝，這樣可以有效地減少錫珠產(chǎn)生。

2 生產(chǎn)中“錫珠”的防控措施

2.1 錫膏選用

(1)錫膏中金屬顆粒的含量、錫膏的氧化度、錫膏中焊料球的粗細(xì)度、錫膏吸濕及錫膏中助焊劑的量以及焊劑的活性都能影響錫珠的產(chǎn)生。錫膏中金屬含量的質(zhì)量比約為88%～92%，體積比約為50%。當(dāng)金屬含量增加時(shí)，錫膏的黏度增加，就能有效地抵抗預(yù)熱過(guò)程中汽化產(chǎn)生的力。另外，金屬含量的增加使焊料球排列緊密，使其在熔化時(shí)更容易結(jié)合而不被吹散。此外，金屬含量的增加也可以減小錫膏印刷后的塌陷，因此，選用金屬含量高的錫膏不易產(chǎn)生焊錫珠。

(2)錫膏接觸空氣后，金屬顆粒表面可能產(chǎn)生氧化。金屬氧化度越高，在焊接時(shí)顆粒越不易結(jié)合，錫膏與焊盤(pán)及元件之間就越不浸潤(rùn)，從而導(dǎo)致可焊性降低。而試驗(yàn)證明錫珠的發(fā)生率與錫膏氧化物的百分率成正比。一般錫膏的氧化物應(yīng)控制在0. 03%左右，最大值不要超過(guò)0. 15%，所以錫膏不宜長(zhǎng)時(shí)間暴露的空氣中。

(3)錫膏中金屬顆粒的粒度越小，錫膏的總體表面積就越大，從而導(dǎo)致較細(xì)顆粒的氧化度較高，因而錫珠現(xiàn)象加劇。試驗(yàn)表明，選用較細(xì)顆粒度的錫膏更容易產(chǎn)生焊錫珠。焊料顆粒的均勻性不一致，若其中含有大量的20 mm以下的焊料球，這些焊料球的相對(duì)面積較大，極易氧化，最易形成錫珠。另外，在溶劑揮發(fā)過(guò)程中，也極易將這些小焊料球從焊盤(pán)上沖走，增加錫珠產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。一般要求25 mm以下的粒子數(shù)不得超過(guò)焊料顆粒總數(shù)的5%。

(4)錫膏一般冷藏在冰箱中，使用前將其從冰箱中拿出后不應(yīng)立即開(kāi)蓋(立即開(kāi)蓋會(huì)使水汽凝結(jié)在錫膏上)，而應(yīng)在使用環(huán)境下回溫，待溫度穩(wěn)定后再開(kāi)蓋使用。錫膏中助焊劑的量太多會(huì)造成錫膏局部塌落，從而容易產(chǎn)生錫珠。另外，焊劑的活性小導(dǎo)致焊劑的去氧化能力弱，也容易產(chǎn)生錫珠。免清洗錫膏的活性較松香型和水溶型錫膏要低，因此就更有可能產(chǎn)生焊錫珠。

2.2 設(shè)備選用

(1)印刷機(jī)的選用。印刷機(jī)本身應(yīng)選用壓力適中、控制精確的全自動(dòng)印刷機(jī)。特別是與印刷機(jī)相匹配的鋼網(wǎng)。鋼網(wǎng)的開(kāi)孔和印刷的壓力是印刷工藝階段主要控制因素。

(2)貼片機(jī)的選用。主要是貼片的壓力和位置精確度，一般選擇全自動(dòng)的貼片機(jī)。主流貼片機(jī)一般都能達(dá)到使用要求。

(3)回流焊機(jī)的選用?；亓骱笝C(jī)是引起錫珠的主要原因，在實(shí)際生產(chǎn)加工一款遙控器電路板時(shí)出現(xiàn)錫珠的可能性較多，選用的回流焊爐是HW-8800的8溫區(qū)。開(kāi)始一直以為是印刷工藝出現(xiàn)的問(wèn)題，后來(lái)發(fā)現(xiàn)回流焊機(jī)的溫控曲線(xiàn)在低溫時(shí)的控制不是很好，回流焊機(jī)常用的溫度是在230℃，但由于這款遙控器電路板的問(wèn)題只能選用低溫錫膏，在溫度測(cè)試時(shí)正常，但過(guò)板是溫度有一點(diǎn)偏差；后選用另一條生產(chǎn)線(xiàn)的回流焊爐，錫珠的出現(xiàn)率大大降低。

2.3 工藝控制

1)模板的設(shè)計(jì)和制作

一般情況下，生產(chǎn)廠(chǎng)家往往根據(jù)印制板上的焊盤(pán)來(lái)定制模板，所以模板的開(kāi)口就是焊盤(pán)的大小。在印刷焊膏時(shí)，容易把焊膏印刷到阻焊膜上，從而在回流時(shí)產(chǎn)生焊錫珠。據(jù)介紹，模板的開(kāi)口比焊盤(pán)的實(shí)際尺寸減小10%，同時(shí)，可以更改開(kāi)口的外形和適當(dāng)?shù)販p小模板的厚度以減少錫珠產(chǎn)生的可能性。圖4是幾種可減少或消除錫珠產(chǎn)生的?？自O(shè)計(jì)。

圖4 幾種可減少或消除錫珠產(chǎn)生的?？自O(shè)計(jì)

2)印刷工藝

傳統(tǒng)印刷方法是刮刀沿印刷網(wǎng)板的或方向以90°角運(yùn)行，這往往會(huì)導(dǎo)致器件在開(kāi)口不同走向上焊膏的不同。經(jīng)多次印刷試驗(yàn)證明，刮刀以45°角的方向進(jìn)行印刷可明顯改變焊膏在不同印刷網(wǎng)板開(kāi)口走向上的失衡現(xiàn)象，同時(shí)還可以減少對(duì)細(xì)間距的印刷網(wǎng)板開(kāi)口的損壞。除了模板的設(shè)計(jì)因素外，模板的制作也是必須考慮的。(1)實(shí)現(xiàn)較高百分比的焊膏釋放的模板能夠較好地避免塌邊，從而減少錫珠的產(chǎn)生；要獲得高百分比的焊膏釋放能力，要求模板的開(kāi)孔壁必須有較高的光滑度，因此最好選用開(kāi)孔壁極光滑的模板技術(shù)；(2)如果模板開(kāi)孔尺寸腐蝕精度達(dá)不到要求，在對(duì)細(xì)間距焊盤(pán)進(jìn)行漏印時(shí)，容易造成漏印焊膏的外形輪廓不清晰，致使元器件引腳間錫珠的產(chǎn)生。

將自動(dòng)印刷機(jī)的刮刀壓力調(diào)整到最佳，同時(shí)注意刮刀的平行度。若刮刀壓力太大時(shí)，對(duì)絲網(wǎng)的磨損會(huì)很大，從而縮短絲網(wǎng)的使用壽命(對(duì)GKG印刷機(jī)，一般要求控制在20 N/mm2)。同時(shí)，要嚴(yán)格控制印刷速度，印刷速度快有利于絲網(wǎng)的回彈，但同時(shí)會(huì)阻礙焊膏的傳遞；而速度過(guò)慢，焊膏在絲網(wǎng)上難以滾動(dòng)，通常印刷速度范圍為20～30 mm/s。當(dāng)焊膏量偏少時(shí)，可適當(dāng)降低速度，反之亦然。要根據(jù)印刷質(zhì)量對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行適時(shí)清洗，目的是清洗掉印刷網(wǎng)板與線(xiàn)路板接觸一面的殘余焊膏和印刷模板開(kāi)孔內(nèi)的殘余焊膏，避免錫珠癥狀的加重。

3)回流焊工藝

回流焊工藝根據(jù)焊膏的種類(lèi)選擇合適的溫度曲線(xiàn)并進(jìn)行微調(diào)控制傳板的速度，以達(dá)到最佳的焊接效果。

3 結(jié)語(yǔ)

焊錫珠出現(xiàn)的因素有很多，其產(chǎn)生是一個(gè)極復(fù)雜的過(guò)程。焊接本身也是一個(gè)系統(tǒng)工程，受材料、設(shè)備、工藝和環(huán)境的影響，甚至操作人員的技術(shù)水平、工作習(xí)慣也會(huì)影響到最終的焊接結(jié)果。關(guān)鍵是焊膏的影響，要采用防焊錫珠的模板開(kāi)孔方式并控制焊膏體積，調(diào)整印刷和元件貼裝參數(shù)，優(yōu)化回流焊溫度設(shè)置，并且要做好元器件及印刷線(xiàn)路板的濕度敏感控制和外部環(huán)境的溫濕度控制，注意生產(chǎn)過(guò)程中的人為操作因素導(dǎo)致焊膏污染印制板等，這樣就能達(dá)到減少焊錫珠的理想效果。必須注重制程前和制程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，盡可能避免或減少不利影響，以達(dá)到完美焊接。

[1] 金興建,苗瑞.焊青印刷工藝參數(shù)的選擇與優(yōu)化[J].印制電路信息,2006(4):56-59.

[2] 歲時(shí)中.SMT工藝中錫珠產(chǎn)生的原因及預(yù)防[C].中國(guó)高端SMT學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2007:430-436.

[3] 徐向榮.焊錫珠產(chǎn)生原因及改進(jìn)方法[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2010,30(4):66-69.

[4] 石宏偉.影響焊膏印刷質(zhì)量的因素及改進(jìn)方法[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005(3):55-57.

[5] 袁錫明,李海波,等.基于模糊自整定PID的再流焊設(shè)備溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].熱加工工藝,2012(12):154-156.

[6] 龔雨兵.再流焊爐溫曲線(xiàn)優(yōu)化研究[J].熱加工工藝, 2013,42(15):187-190.

[7] 謝再晉.高校SMT實(shí)驗(yàn)室焊膏測(cè)試的探索[J].焊接技術(shù), 2010,39(8):42-44.