錫膏使用常見工藝問題及分析（上）

錫膏使用常見問題及分析焊錫膏的回流焊接是用在SMT貼片加工工藝中的主要板級互連方法，這種焊接方法把所需要的焊接性極好地結(jié)合在一起，這些特性包括易于加工、對各種SMT設(shè)計有廣泛的兼容性，具有高的焊接可靠性以及成本低等；然而，在回流焊接被用作為最重要的SMT元件級和板級互連方法的時候，它也受到要求進(jìn)一步改進(jìn)焊接性的挑戰(zhàn)，事實(shí)上，回流焊技術(shù)能否經(jīng)受住這一挑戰(zhàn)將決定焊膏能否繼續(xù)作為首要的SMT焊接材料，尤其是在超細(xì)微間距技術(shù)不斷取得進(jìn)展的情況之下。下面我們將探討影響改進(jìn)回流焊接性能的幾個主要問題，為發(fā)激發(fā)工業(yè)界研究出解決這一課的新方法，我們分別對每個問題簡要介紹如下：

錫膏工藝

底面元件的固定

雙面回流焊接已采用多年，在此，先對第一面進(jìn)行印刷布布線，安裝元件和軟熔，然后翻過來對電路板的另一面進(jìn)行PCBA加工處理，為了更加節(jié)省起見，某此工藝省去了對第一面的軟熔，而是同時軟熔頂面和底面，典型的例子是電路板底面上僅裝有小的元件，如芯片電容器和芯片電阻器，出于印刷電路板（PCB）的設(shè)計越來越復(fù)雜，裝在底面的元件也越來越大，結(jié)果軟熔時元件脫落成為一個重要的問題。顯然，元件脫落現(xiàn)象是由于軟熔時熔化了的焊料對元件垂直固定力不足，而垂直固定力不足可歸因于元件重量增加，元件的可焊性差，焊劑的潤濕性或焊料量不足等，其中，第一個因素是最根本的原因。如果在對后面的三個因素加以改進(jìn)后仍有元件脫落現(xiàn)象存在，就必須使用SMT粘結(jié)劑。顯然，使用粘結(jié)劑將會使軟熔時元件自對準(zhǔn)的效果變差。

未焊滿

未焊滿是在相鄰的引線之間形成焊橋。通常，所有能引起焊膏坍落的因素都會導(dǎo)致未焊滿，這些因素包括：

1、升溫速度太快；

2、焊膏的觸變性能太差或是焊膏的粘度在剪切后恢復(fù)太慢；

3、金屬負(fù)荷或固體含量太低；

4、粉料粒度頒太廣；

5、焊劑表面張力太小。但是，坍落并非必然引起未焊滿，在軟熔時，熔化了的未焊滿焊料在表面張力的推動下有斷開的可能，焊料流失現(xiàn)象將使未焊滿問題變得更加嚴(yán)重。在此情況下，由于焊料流失而聚集在某一區(qū)域的過量的焊料將會使熔融焊料變得過多而不易斷開。

除了引起焊膏坍落的因素外，下面的因素也引起未滿焊的常見原因：

1、相對于焊點(diǎn)之間的空間而言，焊膏熔敷太多；

2、加熱溫度過高；

3、焊膏受熱速度比電路板更快；

4、焊劑潤濕速度太快；

5、焊劑蒸氣壓太大；

6、焊劑的溶劑成分太高；

7、焊劑樹脂軟化點(diǎn)太低。

繼續(xù)潤濕

焊料膜的斷續(xù)潤濕是指出現(xiàn)在光滑的表面上，這是由于焊料表面能粘附在大多數(shù)的固體金屬表面上，并且在融化了的焊料覆蓋層下隱藏著某些未被潤濕的點(diǎn)，因此，在最初用熔化的焊料來覆蓋表面時，會有繼續(xù)潤濕現(xiàn)象出現(xiàn)。亞穩(wěn)態(tài)的熔融焊料覆蓋層在最小表面能驅(qū)動力的作用下會發(fā)生收縮，不一會兒之后就聚集成分離的小球和脊?fàn)疃d起物。繼續(xù)潤濕也能由部件與熔化的焊料相接觸時放出的氣體而引起。由于有機(jī)物的熱分解或無機(jī)物的水合作用而釋放的水分都會產(chǎn)生氣體。水蒸氣是這些有關(guān)氣體的最常見的成份，在焊接溫度下，水蒸氣具極強(qiáng)的氧化作用，能夠氧化熔融焊料膜的表面或某些表面下的界面（典型的例子是在熔焊料交界上的金屬氧化物表面）。常見的情況是較高的焊接溫度和較長的停留時間會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的斷續(xù)潤濕現(xiàn)象，尤其是在基體金屬之中，反應(yīng)速度的增加會導(dǎo)致更加猛烈的氣體釋放。與此同時，較長的停留時間也會延長氣體釋放的時間。

以上兩方面都會增加釋放氣體量，消除繼續(xù)潤濕現(xiàn)象的方法是：

1、降低焊接溫度；

2、縮短軟熔的停留時間；

3、采用流動的惰性氣氛；

4、降低污染程度。

低殘留物

對不用清理的軟熔工藝而言，為了獲得裝飾上或功能上的效果，常常要求低殘留物，對功能要求方面的例子包括“通過在電路中測試的焊劑殘留物來探查測試堆焊層以及在插入接頭與軟熔焊點(diǎn)附近的通孔之間實(shí)行電接觸”，較多的焊劑殘?jiān)?dǎo)致在要實(shí)行電接觸的金屬表層上有過多的殘留物覆蓋，這會妨礙電連接的建立，在電路密度日益增加的情況下，這個問題越發(fā)受到人們的關(guān)注。

顯然，不用清理的低殘留物焊膏是滿足這個要求的一個理想的解決辦法。然而，與此相關(guān)的軟熔必要條件卻使這個問題變得更加復(fù)雜了。為了預(yù)測在不同級別的惰性軟熔氣氛中低殘留物焊膏的焊接性能，提出一個半經(jīng)驗(yàn)的模型，這個模型預(yù)示，隨著氧含量的降低，焊接性能會迅速地改進(jìn)，然后逐漸趨于平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氧濃度的降低，焊接強(qiáng)度和焊膏的潤濕能力會有所增加，此外，焊接強(qiáng)度也隨焊劑中固體含量的增加而增加。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所提出的模型是可比較的，并強(qiáng)有力地證明了模型是有效的，能夠用以預(yù)測焊膏與材料的焊接性能，因此，可以斷言，為了在焊接工藝中成功地采用不用清理的低殘留物焊料，應(yīng)當(dāng)使用惰性的軟熔氣氛。

間隙

間隙是指在元件引線與電路板焊點(diǎn)之間沒有形成焊接點(diǎn)。一般來說，這可歸于以下四方面的原因：

1、焊料熔敷不足；

2、引線共面性差；

3、潤濕不夠；

4、焊料損耗。

這是由預(yù)鍍錫的印刷電路板上焊膏坍落，引線的芯吸作用或焊點(diǎn)附近的通孔引起的，引線共面性問題是新的重量較輕的12密耳(um)間距的四芯線扁平集成電路（QFPQuadflatpacks）的一個特別令人關(guān)注的問題，為了解決這個問題，提出了在裝配之前用焊料來預(yù)涂覆焊點(diǎn)的方法，此方法是擴(kuò)大局部焊點(diǎn)的尺寸并沿著鼓起的焊料預(yù)覆蓋區(qū)形成一個可控制的局部焊接區(qū)，并由此來抵償引線共面性的變化和防止間隙，引線的苡吸作用可以通過減慢加熱速度以及讓底面比頂面受熱更多來加以解決，此外，使用潤濕速度較慢的焊劑，較高的活化溫度或能延緩熔化的焊膏（如混有錫粉和鉛粉的焊膏）也能最大限度地減少芯吸作用，在用錫鉛覆蓋層光整電路板之前，用焊料掩膜來覆蓋連接路徑也能防止由附近的通孔引起的芯吸作用。

焊料成球

焊料成球是最常見的也是最棘手的問題，這指軟熔工序中焊料在離主焊料熔池不遠(yuǎn)的地方凝固成大小不等的球粒；大多數(shù)的情況下，這些球粒是由焊膏中的焊料粉組成的，焊料成球使人心耽心會有電路短路、漏電和焊接點(diǎn)上焊料不足等問題發(fā)生，隨著細(xì)微間距技術(shù)和不用清理的焊接方法的進(jìn)展，人們越來越迫切地要求使用無焊料成球現(xiàn)象的SMT工藝。

引起焊料成球的原因包括：

1、由于電路印制工藝不當(dāng)而造成的油漬；

2、焊膏過多地暴露在具有氧化作用的環(huán)境中；

3、焊膏過多地暴露在潮濕環(huán)境中；

4、不適當(dāng)?shù)募訜岱椒ǎ?/span>

5、加熱速度太快；

6、預(yù)熱斷面太長；

7、焊料掩膜和焊膏間的相互作用；

8、焊劑活性不夠；

9、焊粉氧化物或污染過多；

10、塵粒太多；

11、在特定的軟熔處理中，焊劑里混入了不適當(dāng)?shù)膿]發(fā)物；

12、由于焊膏配方不當(dāng)而引起的焊料坍落；

13、焊膏使用前沒有充分恢復(fù)至室溫就打開包裝使用；

14、印刷厚度過厚導(dǎo)致“塌落”形成錫球；

15、焊膏中金屬含量偏低。

焊料結(jié)珠

焊料結(jié)珠是在使用焊膏和SMT工藝時焊料成球的一個特殊現(xiàn)象，簡單地說，焊珠是指那些非常大的焊球，其上粘帶有（或沒有）細(xì)小的焊料球。它們形在在具有極低的托腳元件如芯片電容器的周圍。焊料結(jié)珠是由焊劑排氣而引起，在預(yù)熱階段這種排氣作用超過焊膏的內(nèi)聚力，排氣促進(jìn)了焊膏在低間隙元件下形成孤立的團(tuán)粒，在軟熔時，熔化了的孤立焊膏再次從元件下冒出來，并聚結(jié)起。

焊接結(jié)珠的原因包括：

1、印刷電路的厚度太高；

2、焊點(diǎn)和元件重疊太多；

3、在元件下涂了過多錫膏；

4、安置元件的壓力太大；

5、預(yù)熱時溫度上升速度太快；

6、預(yù)熱溫度太高；

7、在濕氣從元件和阻焊料中釋放出來；

8、焊劑的活性太高；

9、所用的粉料太細(xì)；

10、金屬負(fù)荷太低；

11、焊膏坍落太多；

12、焊粉氧化物太多；

13、溶劑蒸氣壓不足。

消除焊料的最簡易的方法也許是改變模版孔隙形狀，以使在低托腳元件和焊點(diǎn)之間夾有較少的焊膏。