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技术 | 真空汽相焊可避免的焊接缺陷
发布时间:2017-9-5 9:59:00  浏览次数:986 次  来源:顺星电子科技集团有限公司

技术 | 真空汽相焊可避免的焊接缺陷

1、锡珠

1.印刷前,锡膏未充分回温解冻并搅拌均匀。
2.印刷后太久未回流,溶剂挥发,膏体变成干粉后掉到油墨上。
3.印刷太厚,元件下压后多余锡膏溢流。
4.REFLOW时升温过快(SLOPE>3),引起爆沸。
5.贴片压力太大,下压使锡膏塌陷到油墨上。
6.环境影响:湿度过大,正常温度25+/-5,湿度40-60%,下雨时可达95%,需要抽湿。
7.焊盘开口外形不好,未做防锡珠处理。
8.锡膏活性不好,干的太快,或有太多颗粒小的锡粉。
9.锡膏在氧化环境中暴露过久,吸收空气中的水分。
10.预热不充分,加热太慢不均匀。
11.印刷偏移,使部分锡膏沾到PCB上。
12.刮刀速度过快,引起塌边不良,回流后导致产生锡球。
13:锡球直径要求小于0.13MM,600平方毫米小于5.

2、短路

1.钢网太厚、变形严重,或钢网开孔有偏差,与PCB焊盘位置不符。
2.钢网未及时清洗。
3.刮刀压力设置不当或刮刀变形。
4.印刷压力过大,使印刷图形模糊。
5.回流183度时间过长,(标准为40-90S),或峰值温度过高。
6.来料不良,如IC引脚共面性不佳。
7.锡膏太稀,包括锡膏内金属或固体含量低,摇溶性低,锡膏容易炸开。
8.锡膏颗粒太大,助焊剂表面张力太小。

3、位移

一).REFLOW之前已经偏移:
1.贴片精度不精确。
2.锡膏粘接性不够。
3.PCB在进炉口有震动。
二).REFLOW过程中偏移:
1.PROFILE升温曲线和预热时间是否适当。
2.PCB在炉内有无震动。
3.预热时间过长,使活性失去作用。
4.锡膏活性不够,选用活性强的锡膏。
5.PCB PAD设计不合理。

4、立碑

1.印刷不均匀或偏移太多,一侧锡厚,拉力大,另一侧锡薄拉力小,致使元件一端被拉向一侧形成空焊,一端被拉起就形成立碑。
2.贴片偏移,引起两侧受力不均。
3.一端电极氧化,或电极尺寸差异太大,上锡性差,引起两端受力不均。
4.两端焊盘宽窄不同,导致亲和力不同。
5.锡膏印刷后放置过久,FLUX挥发过多而活性下降。
6.REFLOW预热不足或不均,元件少的地方温度高,元件多的地方温度低,温度高的地方先熔融,焊锡形成的拉力大于锡膏对元件的粘接力,受力不均匀引起立碑。

5、空焊

1.板面温度不均,上高下低,锡膏下面先融化使锡散开,可适当降低下面温度。
2.PAD或周围有测试孔,回流时锡膏流入测试孔。
3.加热不均匀,使元件脚太热,导致锡膏被引上引脚,而PAD少锡。
4.锡膏量不够。
5.元件共面度不好。
6.引脚吸锡或附近有连线孔。
7.锡湿不够。
8.锡膏太稀引起锡流失。

第五代真空汽相回流焊

第五代真空汽相回流焊可以在让焊接仓形成一个负压焊接环境,在负压的焊接环境下,焊料的表面张力大为减少,焊料润湿能力可以提升到一个新的水平。

 不同类型回流焊接的润湿效果

通过将焊接环境变为负压的焊接环境(所有温区都成为大气压力可以精确控制的过程),我们发现可以完美的解决大部分焊料润湿不良的现象,提高焊点的可靠性。

1、助焊剂污染比较大,清洗后的残留危害大。助焊剂残留中的氯离子和钠离子遇到湿蒸汽会形成盐,腐蚀焊点。造成开路和虚焊的问题。有清洗死角的位置最容易出现问题。

2、目前的回流焊设备焊接过程不可控制。军工产品的特点是种类多,数量少。有些贵重产品没有多余的样品去反复做回流曲线的测试。一旦出现温度曲线参数设置错误或者疏忽,板子在炉子内部的焊接过程是完全无法控制的,会直接导致产品的报废和失效。需要一种新型的回流焊设备,不仅能观察整个焊接的过程(通过可视化的系统和各种传感器),还要能实时干预控制焊接中的各种参数。有了这样的功能,即便是出现人为设置失误,也能在焊接过程中及时发现并及时纠正。保证重点型号的重点产品顺利安全的焊接。

3、目前回流焊设备都有可能发生卡板和烧板的问题,因为炉膛内有高温热风和传动系统以及众多感应器,一旦传动系统和感应器出现小问题,就有可能出现烧板的问题,给单位带来不少的损失。新的回流焊内部没有任何传动系统,产品的焊接都是静止的。不会有卡板和掉板的问题。即便发现人为操作失误导致的焊接温度或者超过要求,也可以使用一键防烧板功能(快速抽真空),保障产品的安全。

正确的回流工艺做法:

  回流焊接技术,事实上并不如许多人所认为的那么简单。尤其是当您要求达到零缺陷和焊接可靠性(寿命)保证的情况下。我也只能暂时在做法上和大家分享经验。

 

  要确保有良好的回流焊接工艺,应该有以下的做法:

 1.了解您PCBA上的质量和焊接要求,例如最高温度要求和最需要在寿命上得到照顾的焊点和器件;

2.了解PCBA上的焊接难点,例如锡膏印刷大于焊盘的部分,间距特小的部分等等;

3.找出PCBA上最热和最冷的点,并在点上焊接测温热耦;

4.决定其他必需接热耦测温的地方,例如BGA封装和底部焊点,热敏感器件本体等等(尽量利用所有测温通道来获得最多信息);

5.设置初始参数,并和工艺规范比较(注九)以及调整;

6.对焊接后的PCBA在显微镜下进行仔细观察,观察焊点形状和表面状况、润湿程度、锡流方向、残留物和PCBA上的焊球等等。尤其是对以上第2点记录下的焊接难点处更要注意。一般而言,经过以上的调整后不会出现什么焊接故障。但如果有故障出现,针对故障模式分析,再针对其机理配合上下温区控制进行调整。如果没有故障,从所得曲线和板上焊点情况决定是否要进行微调优化。目的是要使设置的工艺最稳定以及风险最小。调整时一并考虑炉子负荷问题以及生产线速度问题,以便在质量和产量上得到较好的平衡。

 

以上的工艺曲线的设置调整,必须用实际产品进行才会有把握。使用实际产品的测试板,成本可能是个问题。有些用户所组装的板价格十分昂贵,这造成用户不愿意经常测试温度的原因。用户应该对调试成本和一旦出现问题的成本进行评估。此外,测试板的成本还可以通过使用假件、废板和选择性贴片等做法来进一步节省资源。

 

焊接工艺管制:

  上面我们谈的6个步骤是工艺的设置和调制。当我们对其效果满意后,便可以进入批量生产。由此刻起,工艺管制就十分重要了(注十)。一旦焊接参数(温度、时间、风量、风速、负载因子、排风等)决定了之后,确保这些参数有一定的稳定性是工艺监控的目标。

 

  目前较不理想的,是许多用户对于以上的工艺参数并未进行任何监控。做得稍微好的可能在固定时间段对温度曲线进行认证。做法是使用测试板和测温仪器过炉测量后和原先纪录进行比较。即使如此,这做法上仍然有些缺点。一是测量的频率和时间缺乏科学性的制定,以感性作决策为多。其二是抽样的可靠性偏低。这种做法如果要确保较高的效益,必须配合并建立在对设备有深入的研究和性能认证工作的基础上。

 

  对于从事高质量要求的行业,例如汽车电子、军用品、医疗设备、超级电脑、电力保护等等,以上的抽样式管制是不够的。目前市场上有一种实时监测系统,可以不间断的对炉子内的气流和温度情况进行监测。达到100%的工艺控制目的。唯一不足的,是目前该设计还未能和炉子的温控系统进行闭环整合,所以还是属于一种‘监测系统’而非‘控制系统’。不过这系统已经在工艺管制的领域中带给用户好处。据了解,目前这类技术在欧美使用很多,日本和韩国企业这两年也开始采用,台资企业由于受美国的影响也在近年较多的使用。而唯独中国企业使用得很少。这和采购观念(注十一)以及对技术应用和管理的认识有关。但我觉得只是个认识和学习的过程现象。相信将来中国的企业也会大量使用这门工艺管制技术。我曾对这系统和一些SMT用户交流过,不少用户其实并不了解这技术,常误以为它重复了炉子内部的温度控制功能。事实上炉子内部控制系统一般只监控‘温度’而不监控‘气流’,炉子的回温反应也有一定的延误,绝对不是预防性的。这也就是说,以目前的炉子控制技术来说,炉子本身并不能够保证不会出错。而这实时监测系统,虽然目前也不能预防质量问题的出现,但却有能力告诉用户炉子所不能够提供的故障信息。除了这点,该系统还具备‘风险预测’功能和QA功能。是个值得考虑的工具。

设备要求:

  好的回流炉子是确保良好工艺的重要部分。尤其是从事加工服务类的企业CM或EMS行业),因为缺乏对设计方面的控制力,工艺补偿和调整能力便成为成功的关键了。这除了需要掌握类似本文中的工艺知识外,对设备性能的依赖也就越重。怎么样才算是好的回流焊接设备?我们可以从以下特性进行评估。

1.加热效率

2.热量稳定性(包括温度和风速、风量)

3.热容量

4.回温速度

5.气流渗透能力

6.气流覆盖面和均匀性

7.风速和风量的可调性和可控性

8.温区间隔绝程度

9.温区的数目

10.  加热区的长度

11.  冷却的可调控性

12.  对排风的要求

 

  从以上的特性中我们不难看到,超出一半的特性是不存在设备的技术指标书中的。而这就是为什么选择一台焊接炉子,是绝对不可能从纸面上的讨论和评估得到保障的。唯一的方法就是对实物进行测试(注十二)。

 

技术整合:

 最后我想再强调一个理念。任何工艺,如果要做得最好,就必须考虑到技术整合。这整合包括了设计(DFM)、设备、工艺、材料。,也包括了技术(如何焊接等等)和做法(质量管制方法等等)及管理(如何建立有效的流程和知识队伍等等)上的整合。和锡膏印刷或贴片等工艺一样,回流焊接也是个系统,一个不如我们许多人想象中那么简单的系统。

 

  我在本文较早时候提到工艺故障和回流温度曲线各工序间的关系。读者该紧记的一点,是这些故障并非都由焊接工艺所引起。SMT故障都是综合性的。,以下我举个例子说明。

 

  在处理J型引脚(例如PLCC和SOJ封装)的组装工艺时,如果出现少锡虚焊故障,并不意味就是个焊接问题。首先我们必须了解J型引脚的特点。J型引脚的结构是上方呈直立,到下方往器件的内部弯(接近半圆,底部和焊盘接触部分稍平)。这种结构在焊接时有几个特点:

1.不容易浮游;

2.直立部分容易吸锡(往上爬升);

3.底部往内弯所形成的夹角有助于焊点的形成(留锡);

4.质量的重点在于器件内部(封装本体下)的填充(fillet)。

  了解以上特点后,我们就可以知道如何处理整个焊接工艺了。首先在设计(DFM )上我们必须注意:

1.锡膏量不能够太多,适量的锡膏会在熔化时被引脚的夹角‘留’住。太多的锡膏容易助长引脚直立面往上‘拉’锡,而造成少锡问题。

2.由于不容易浮游,即使在器件轻的情况下,引脚材料的选择可以采用60Sn40以外润湿性较差的材料。这有助于防止吸锡现象和增加贴片的光学识别质量和稳定性。

3.焊盘内侧可以稍长,两侧稍窄,外侧稍短。这保证焊点的质量,同时防止吸锡问题。

4.所有焊盘引脚必须加入‘热阻’设计,避免造成‘冷’焊盘;

5.器件周边避免有高的器件以及距离太近;

6.锡膏印刷钢网开口偏内;

7.Ni/Au焊盘镀层为优选。如果因成本采用HASL保护层,裸板交货期短,保持‘新鲜’。(如果钢网稍厚,上述6项中的钢网开口形状最好做微调整)

在工艺上,我们要求:

1.有较高恒温温度容忍性的锡膏;

2.恒温温度设置尽量接近最高点;

3.峰值温度设置尽量接近最低点;

4.采用上冷下热的设置;

5.考虑较缓慢的冷却(补偿3带来的影响)。

为了能够支持以上的工艺要求,在设备(回流炉)上我们要求:

1.良好的加热效率;

2.良好的气流渗透(气旋)能力;

3.风量/风速可调控

   以上的设计、材料、工艺和设备综合考虑,就是‘技术整合’。读者可以看到各方面都有本身的功能和责任,只有这样处理,我们才能有把握做到‘零缺陷’。

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