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SMT生产中锡珠的产生原因及控制方法
发布时间:2017-9-11 15:48:32  浏览次数:1776 次  来源:顺星电子科技集团有限公司

二十多年来,随着电子信息产品的轻、薄、省电、小型化、平面化的不断发展,促使不同用途的电子产品必须采用表面贴装(SMT)技术。而锡珠对于电子产品具有严重的危害性,因此如何减少锡珠是SMT企业重点管控的内容之一。

根据相关案例,SMT生产中,回流焊接时,由于锡膏金属微粒飞溅,容易形成微小球状焊料珠或不规则形状的焊料粒,这就是锡珠(见下图)。锡珠是SMT生产的主要缺陷之一,直径约为0.2~0.4mm,主要出现在贴片元件侧面或者IC引脚之间,不仅影响PCB产品外观,而且在使用中可能造成短路现象,严重影响电子产品质量和寿命,甚至可能造成人身伤害。


锡珠是多种因素造成的,原材料、锡膏、模板、装贴、回流焊、环境等都可能导致产生锡珠。因此研究它产生的原因,并力求进行最有效控制就显得犹为重要。


原材问题导致产生锡珠及其控制方法
1. PCB质量、元器件


PCB 的焊盘(PAD)设计不合理,如果元器件本体过多压在PAD上把锡膏挤出过多,可能产生锡珠。设计PCB时,就要选定合适的元器件封装及合适的PAD。

PCB阻焊膜印刷不好、表面粗糙,导致回流时出现锡珠,必须加严PCB来料入检,阻焊膜严重不良时,必须批退或报废处理。

焊盘有水份或污物,导致产生锡珠,必须仔细清除PCB上的水份或污物,再投用生产。

另外,经常会遇到客户来料为不同封装尺寸器件的代用要求,导致器件和PAD不匹配,易产生锡珠,因此应尽量避免代用。

2. PCB受潮


PCB中水分过多,贴装后过回流炉时,由于水分急剧膨胀产生气体,产生锡珠。要求PCB在投入SMT生产前必须是干燥真空包装,如有受潮需要用烘箱烘烤后使用。对于有机保焊膜(OSP)板,不允许烘烤。依生产周期算,OSP板未超3个月可上线生产,超3个月则需换料。


3. 锡膏选用


锡膏显著地影响着焊接质量,锡膏中的金属含量、氧化物含量、金属粉末粒度、锡膏活性等都不同程度影响着锡珠的形成。琟金属含量、黏度。正常情况,锡膏中金属含量的体积比约为50%左右、质量比约为89%~91%,其余为助焊剂(Flux)、流变性调节剂、黏度控制剂、溶剂等。如果助焊剂比例过多,锡膏黏度降低,在预热区,助焊剂气化时产生的力过大易产生锡珠。

锡膏黏度是影响印刷性能的重要因素,通常在0.5 ~1.2 KPa·s之间,模板印刷时,锡膏黏度最佳约为0.8 KPa·s。金属含量增加时,锡膏黏度增加,能更有效地抵抗预热区中气化产生的力,也可减小锡膏印刷后塌落趋势,可减少锡珠。

氧化物含量。锡膏中氧化物含量也影响焊接效果。氧化物含量越高,金属粉末熔化后结合过程中所受阻力就越大,回流焊阶段,金属粉末表面氧化物含量还会增高,不利于焊盘“润湿”而产生锡珠。因此在金属粉末(Powder)制程中须要求真空化操作,防止Powder氧化。

金属粉末的粒度、均匀性。金属粉末是极细小的球状颗粒,其形状、直径大小及均匀性均影响其印刷性能。较细的颗粒中氧化物含量较高,如果细颗粒比例大,会有更好的印刷清晰度,但却易产生塌边,使锡珠增多;较大的颗粒比例大,使连锡增多,其均匀度相差大,会导致锡珠增多。

锡膏活性。锡膏活性不好,干得太快,如果加了过量稀释剂,在预热区,稀释剂气化产生的力过大易产生锡珠。如果遇到活性不好的锡膏,最好马上停用更换活性好的。


模板问题导致产生锡珠及其控制方法


模板太厚,锡膏印刷就厚,回流焊后易产生锡珠。

模板厚度选择原则:
如模板太厚导致锡珠多,尽快重新制作模板。


模板开孔未做防锡珠处理,易产生锡珠。无论有铅或无铅,印锡模板的Chip件开孔均需防锡珠开孔。

模板开口不当、过大、偏移,都会导致锡珠产生。PAD大小决定着模板开孔的大小,模板开口设计最关键的要素是尺寸、形状。为避免锡膏印刷过量,将开口尺寸设计成小于相应焊盘接触面积的10%;无铅模板开口设计应比有铅的大一些,使锡膏尽可能完全覆盖焊盘。

印刷机参数设定调整不当导致产生锡珠及其控制方法

印刷完后锡膏有塌边现象,过回流炉后可能形成锡珠。锡膏有塌边,这和印刷机刮刀压力、速度、脱模速度有关系。如有锡膏塌边现象,需重新调整刮刀压力、速度或脱模速度,减轻塌边,减少锡珠发生。

未对好位就开始印刷,印刷偏移,使部分锡膏沾到PCB上,可能形成锡珠。

PAD上印刷锡膏过厚,元件下压后多余锡膏溢流,易形成锡珠。锡膏印刷厚度是生产中一个主要参数,通常等于模板厚度的(1+10%±15%)之间,过厚导致塌边易形成锡珠。

印刷厚度是由模板厚度所决定,与机器的设定和锡膏特性有一定关系。印刷厚度的微量调整,经常是通过调节刮刀压力及印刷速度来实现。


置件压力问题导致产生锡珠及其控制方法


如果贴片中置件压力设定过大,当元件压在锡膏上时,就可能有一部分锡膏被挤在元件下面,回流焊阶段,这部分锡膏熔化易形成锡珠,因此应选择适当的置件压力。

炉温问题导致产生锡珠及其控制方法


回流焊曲线可分为预热、保温、回流和冷却四个阶段。预热阶段升温到120~150度之间,可除去锡膏中易挥发的溶剂,减少对元件的热振动;同时锡膏内部会发生气化现象,如果锡膏中金属粉末之间的粘结力小于气化产生的力,就会有少量锡膏从PAD上溢流离开,有的则躲到片状阻容件下面,回流后形成锡珠。

由此可见,预热温度越高、预热区升温太急,就会加大气化现象飞溅,就越容易形成锡珠。因此调整回流炉温、降低输送带速度,采取较适中的预热温度和预热速度来控制锡珠。


制程管控问题导致产生锡珠及其控制方法


锡膏使用注意事项主要包括以下几个方面:在规定的保存条件下,锡膏存储期限一般为3~6个月;锡膏使用应遵循“先进先出”原则,应以密封形式保存在恒温冰箱内,温度在2℃~10℃;使用前,从冰箱中取出、密封置于室温下至少回温4H,待锡膏达到室温时打开瓶盖,取出部分锡膏后,将里面的盖子与锡膏之间空气全部挤净,立即盖好外盖。若在低温开瓶,易吸收水汽,再流焊时易产生锡珠; 开封后应按要求搅拌均匀,降低锡膏黏度,开盖后原则上应在当天内一次用完;锡膏置于模板上超过30分钟未使用时,应用印刷机的搅拌功能搅拌后再使用,若间隔时间较长(超过1H),应将锡膏重新放回罐中盖紧瓶盖,再次使用应搅拌均匀;从模板收掉锡膏时,要换另一个空罐装,防止污染新鲜锡膏,从模板上刮回的锡膏也应密封冷藏。

制程管理也有其相应的要求:印刷时的最佳温度为25℃±3℃,相对湿度为45%~65%,温湿度过高,锡膏容易吸收水汽,回流时易产生锡珠;印刷失败后,最好用超声波清洗设备彻底清洗PCB,晾干后再放入烘箱按规范烘烤,以防止再使用时出现锡珠;清洁模板不及时、或擦拭不彻底,导致模板背面有残余锡膏,污染PCB板面,产生锡珠。必须严格按照模板清洁规范操作,确定专人清洁、检查;印刷锡膏后,PCB应在尽可能短的时间内贴装完,以防止助焊剂等溶剂挥发,易产生锡珠。

在SMT生产中,产生锡珠的因素有诸多方面,只顾关注某一方面或调整某一项参数是远远不够的。我们需要在生产前的准备阶段和生产过程中仔细管控好各个细节,研究好如何控制影响锡珠的各项因素,从而使焊接达到最佳的效果,满足电子连技术的高质量要求。

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。

优势总结:

全程抽真空,负压焊接工艺实现;

焊接过程中人工干预控制实现;

八套立体加热模组,全加热系统实现;

焊点温度精准测温的实现;

防止锡珠飞溅缺陷的产生;

彻底杜绝二次污染功能实现;

汽相液体消耗量及小!



 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CMEMS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PLCCSOJ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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