李新滿

（銅陵三佳變壓器科技股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

電子焊接制程產(chǎn)生“錫珠”的原因及防控措施分析

李新滿

（銅陵三佳變壓器科技股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

在電子元器件集成電路焊接的過程中，為了提高焊接效率，增強(qiáng)集成電路的功能性，越來越多的電子焊接制程直接采用免清洗的焊接工藝，但是由此會(huì)讓焊接后的集成電路板產(chǎn)生“錫珠”，這樣不僅需要再次清洗，還會(huì)造成電路板短路的現(xiàn)象。文章通過對(duì)電子焊接制程產(chǎn)生的“錫珠”標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)進(jìn)行分析，詳述SMT焊接和“波峰焊”過程中產(chǎn)生“錫珠”原因及預(yù)防控制辦法。

電子焊接；錫珠；SMT焊接；電路

在集成電路板當(dāng)中，如果焊接后的面板上有“錫珠”，那么不僅僅會(huì)影響產(chǎn)品的外觀，更為嚴(yán)重的是由于集成電路板上元器件為貼片，密集度高，在通電狀態(tài)下容易將不同功能區(qū)域的元器件串聯(lián)，造成整個(gè)電路出現(xiàn)短路狀態(tài)，影響產(chǎn)品的使用功能和可靠性。綜合整個(gè)電子焊接制程當(dāng)中，可能在表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology，SMT）、波峰焊及手工焊當(dāng)中出現(xiàn)，所以為對(duì)“錫珠”進(jìn)行預(yù)防和控制，那么就需要從這幾個(gè)焊接工藝和焊接材料入手。

1 電子焊接產(chǎn)生的“錫珠”的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，民眾追求更高品質(zhì)的生活，不管是生活中不可或缺的電子產(chǎn)品，還是電氣系統(tǒng)等設(shè)備裝置，都采用機(jī)械焊接方式讓機(jī)械的功能更強(qiáng)大，也讓產(chǎn)品變得更方便攜帶。所以也產(chǎn)生大批量的焊接產(chǎn)品，但是不管是SMT貼片焊接還是“波峰焊”或者是手工焊當(dāng)中，不可避免地產(chǎn)生“錫珠”，“錫珠”的大小和質(zhì)量直接決定了集成電路板的功能和產(chǎn)品的可靠性。根據(jù)這一特性，國(guó)家及各行業(yè)制定關(guān)于“錫珠”大小、形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，以MIL-STD-2000為例，在此標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中規(guī)定了焊接面板上不允許有“錫珠”，并且在電路板上每隔平方英寸的“錫珠”須少于5個(gè)，且兩個(gè)錫珠之間的絕緣間隙控制在0.13 mm，將直徑控制在以上數(shù)據(jù)當(dāng)中的錫珠則為合格；如果錫珠的直徑是大于或者等于0.13 mm則為不合格產(chǎn)品，出現(xiàn)這種狀況時(shí)，質(zhì)檢人員和制造方必須采取正確的措施處理，避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象發(fā)生。針對(duì)無鉛焊接制程產(chǎn)生的錫珠標(biāo)準(zhǔn)則更為細(xì)致，在標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中規(guī)定，如果元件用于汽車或者軍用產(chǎn)品等領(lǐng)域，那么在電路面板上則不允許出現(xiàn)任何“錫珠”，所用線路板必須在焊接后經(jīng)過全面清洗，或者運(yùn)用相應(yīng)的方式將錫珠手工去除。

2 貼片元件在集成電路中的貼裝時(shí)出現(xiàn)“錫珠”原因及防控方式

在電子焊接的表面貼裝電路板中，需要控制回流焊的“溫度、時(shí)間、焊膏的質(zhì)量、刷錫的厚度及鋼網(wǎng)的制作還有裝貼時(shí)對(duì)面板表面產(chǎn)生的壓力”等等，這些都會(huì)造成在集成電路表面產(chǎn)生“錫珠”，所以分析焊接工藝和使用材料中出現(xiàn)“錫珠”的可能原因，并對(duì)其加以預(yù)防和控制，就會(huì)避免產(chǎn)生大量的錫珠。

2.1 焊錫膏自身質(zhì)量原因引起的“錫珠”狀況

在焊膏的使用當(dāng)中，金屬、氧化物、金屬粉末的粒度及錫膏抗熱坍塌效果都會(huì)產(chǎn)生“錫珠”。其中焊膏中金屬含量占據(jù)錫膏總量的89%～91%，體積達(dá)到錫膏中體積的50%才能形成形態(tài)和尺寸很好的錫珠。如果在焊接錫膏當(dāng)中的金屬元素含量越多，錫膏中金屬粉末的排列就越緊密，錫粉會(huì)因?yàn)轭w粒之間擁有更多結(jié)合的機(jī)會(huì)，不容易在氣化過程中被吹散，所以不易形成錫珠，如果金屬的含量少，那么出現(xiàn)錫珠的機(jī)率增高；同時(shí)焊膏需要氧化物，這樣才能影響到焊接的效果，氧化物含量越高，當(dāng)錫膏融化后其中含有的金屬粉末在面板焊盤上的表面張力較大，在回流焊接時(shí)金屬粉末還能提升氧化物的含量，但是這樣不利于融化的焊料完全浸潤(rùn)，從而導(dǎo)致細(xì)小錫珠產(chǎn)生；錫膏中除了金屬粉的含量會(huì)影響到錫珠的產(chǎn)生外，其顆粒的大小也會(huì)影響到錫珠的產(chǎn)生，一般的焊粉粒徑約在25～45 m,如果粉末中氧化物含量較低，會(huì)使得錫珠現(xiàn)象得到緩解；在回流焊階段，需要將焊盤預(yù)熱，如果在焊膏抗熱坍塌效果不好的環(huán)境下，在熔膏前需要印刷成型的焊膏開始坍塌，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊膏外流的狀況，在焊接區(qū)內(nèi)就可熔化焊料，受到內(nèi)應(yīng)力的作用，焊膏收縮成焊點(diǎn)并開始浸潤(rùn)爬升至焊接端頭，有時(shí)會(huì)因?yàn)楹竸┤笔Щ蛘邉┝坎蛔愕脑驅(qū)е潞父鄳?yīng)力不足，流向焊盤外的錫膏沒有收縮，當(dāng)沒有收縮的錫膏完全融化就會(huì)形成錫珠。

2.2 焊接制程工藝不當(dāng)造成的“錫珠”

在焊接工藝當(dāng)中出現(xiàn)“錫珠”的地方主要集中在回流焊部分，因?yàn)檫@部分的焊接需要分為預(yù)熱、保溫、焊接和冷卻4個(gè)階段，只有讓印制板和表貼元件的溫度逐漸上升到120℃～150℃之間，才能去除焊錫膏中易揮發(fā)的溶劑，減少元件與熱量之間的沖擊。但是在此期間會(huì)因?yàn)殄a膏內(nèi)部氣化將金屬粉的凝結(jié)力降低，有部分焊粉會(huì)從焊盤上流出促使錫珠形成。所以在預(yù)熱階段，溫度高、預(yù)熱速度快則會(huì)加劇焊劑氣化從而誘發(fā)坍塌，形成錫珠，只有采取適宜的預(yù)熱溫度和控制溫度的手段才能避免錫珠的形成。除此之外，焊膏在集成電路板上的印刷厚度和梁需要控制在0.15 mm～0.20 mm之間，如果厚度較大則容易導(dǎo)致坍塌，誘發(fā)錫珠形成。在SMT的表面貼片焊接當(dāng)中還要控制印刷模板開孔大小，尺寸控制在開孔與焊盤接觸面積10%以內(nèi)，能夠在一定程度上減輕錫珠的形成概率；在裝貼當(dāng)中如果壓力過大會(huì)讓元件直接壓浸在錫膏中或者產(chǎn)生錫粉，從而形成錫珠。錫膏在不用的情況下最好冷藏，焊接期間還要對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行清理，避免空氣中附帶氣化錫或者空氣中含有細(xì)小的水珠，由此形成錫珠；焊接時(shí)還要避免焊膏和空氣長(zhǎng)期接觸，使用過后立即用蓋子壓緊，將蓋子與錫膏之間的空氣擠出，延長(zhǎng)錫膏使用壽命，避免受潮或者干燥形成錫珠。

2.3 SMT表面貼裝的“錫珠”防控

SMT表面貼裝過程中需要集合錫膏自身的產(chǎn)品質(zhì)量、制造工藝的適用性及焊油和焊粉的比例、錫球的顆粒度。當(dāng)然大部分情況下所選擇的錫膏符合電路板焊盤及SMT的規(guī)格即可，需具有良好的質(zhì)量、熔融和導(dǎo)電能力。其次就是在焊接工藝上進(jìn)行控制和改進(jìn)。由于SMT屬于半自動(dòng)化的焊接，對(duì)錫膏的保存、使用、回溫、攪拌都需要人工，所以需要注意以下幾點(diǎn)，其一是需要嚴(yán)格按照使用說明和焊接要求選擇適宜的溫度進(jìn)行存貯錫膏的存貯溫度一般在0～10℃的冷藏條件下存貯，需要使用錫膏的情況下，需要將錫膏在常溫環(huán)境下進(jìn)行回溫，直至溫度與室溫相同才可開啟；其次是在攪拌當(dāng)中需要按照規(guī)定的工序和時(shí)間進(jìn)行攪拌，在印刷當(dāng)中需要注意模板的印刷力度和鋼網(wǎng)表面的清潔度，印刷過后及時(shí)清除多余錫膏，方式PCB（集成電路）板面在焊接當(dāng)中產(chǎn)生錫珠；最后在回流焊接當(dāng)中也應(yīng)該按照指定好的方式進(jìn)行作業(yè)，不得隨意調(diào)整，在一輪焊接過后針對(duì)不足之處及時(shí)地調(diào)整和修正，對(duì)于SMT的模板鋼網(wǎng)的放置產(chǎn)生的錫珠問題，需要根據(jù)是否為開口方式和開口率導(dǎo)致的錫膏在面板上呈現(xiàn)的印刷特性和焊接特性的不同缺陷而定，針對(duì)產(chǎn)生錫珠的不同原因進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，當(dāng)鋼網(wǎng)開口較大形成的錫珠則可以將其改為1∶0.75的楔形，這樣能夠大大降低產(chǎn)生錫珠的機(jī)率；這種改進(jìn)并非一次就可以完成，需要經(jīng)過3次或以上，當(dāng)然也有兩次就可杜絕錫珠形成的情況，這需要根據(jù)SMT實(shí)際的焊接過程而定。

3 “波峰焊”過程中出現(xiàn)“錫珠”的原因及防控辦法

波峰焊在焊接工藝中應(yīng)用較為廣泛，能夠產(chǎn)生錫珠有兩種狀態(tài)，一種是由于面板與錫液剛接觸當(dāng)中由于助焊劑和面板材料本身所含水分過多或者高沸點(diǎn)溶劑沒有充分揮發(fā)，當(dāng)兩者驟然接觸到高溫物體，存在的溫差會(huì)導(dǎo)致液體焊錫飛出形成錫珠；另外一種狀況是在焊接當(dāng)中面板與液態(tài)焊錫波分離，面板會(huì)順著管腳延伸的方向在焊盤上拉出錫柱，由于大部分的錫膏中都含有助焊劑，所以錫柱會(huì)受到其潤(rùn)濕和錫液流動(dòng)性的作用，焊錫會(huì)自動(dòng)落回錫缸從而濺起錫珠，所以在波峰焊接當(dāng)中需要從助焊劑的選擇和工藝上對(duì)形成錫珠進(jìn)行控制。

3.1 助焊劑引起的狀況及防控方式

因?yàn)榇蟛糠值腻a膏當(dāng)中都含有一定劑量的助焊劑，但是這種劑量不足以避免錫珠的形成，所以需要額外加入助焊劑，在選用過程當(dāng)中，需要按照以下標(biāo)準(zhǔn)選擇，其一是選用的助焊劑當(dāng)中的水份含量不能較大，含大量水份的助焊劑會(huì)導(dǎo)致在焊接的預(yù)熱階段不能充分揮發(fā)，在面板上形成錫珠；其二是不能讓助焊劑當(dāng)中有高沸點(diǎn)或者焊接當(dāng)中不易揮發(fā)的物質(zhì)，這樣也會(huì)導(dǎo)致預(yù)熱不能充分揮發(fā)形成錫珠。以上兩種基本是由助焊劑的質(zhì)量引起的，如果在焊接當(dāng)中遇到以上情況，則可以通過提高預(yù)熱溫度或者放慢走板的速度等方式來解決，當(dāng)然大部分情況下還需要在選擇的時(shí)候按照焊接工藝及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇，檢驗(yàn)助焊劑質(zhì)量是否合格。

3.2 電子焊接制程工藝方面原因造成“錫珠”狀況分析和防控

在波峰焊的操作工藝上，能夠形成錫珠的原因不外乎有以下幾點(diǎn)：首先是焊接工具和焊盤的預(yù)熱溫度較低，導(dǎo)致助焊劑中的溶劑不能完全揮發(fā)，或者是走板的速度（一般是指流水線作業(yè)或者SMT）過快導(dǎo)致的預(yù)熱效果不好；其次是在傳動(dòng)鏈條或者是面板與焊接面的傾角過小，錫液與焊盤之間產(chǎn)生氣泡，在高溫的作用下氣泡會(huì)隨之炸裂飛濺出錫珠；最后一種是在焊接當(dāng)中由于助焊劑的摻入量過大，焊接完成后未作用的助焊劑沒能流走或被風(fēng)刀吹走產(chǎn)生錫珠。上述3種情況都與標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝有關(guān)，所以在焊接當(dāng)中需要按照設(shè)定參數(shù)操作，不得隨意改動(dòng)。解決辦法如下：在預(yù)熱階段，務(wù)必讓溫度保持在90℃～110℃之間，這個(gè)溫度是面板焊盤實(shí)際受熱溫度，并且將走板的速度范圍設(shè)定為1.1 m/min～1.4 m/ min，這個(gè)值僅為參考值，具體還需根據(jù)實(shí)際情況而定，如果要加快走板速度，那么就應(yīng)當(dāng)將預(yù)熱的溫度相應(yīng)提高；面板運(yùn)行鏈條和面板與焊接面的傾角需要與錫液形成30°～45°的角，這樣才能在走板當(dāng)中保證面板上的小元件與錫液之間形成多個(gè)切點(diǎn)，如果接觸面較大或者沒有一定傾角或者傾角過小，則容易造成錫液與焊接面產(chǎn)生氣泡，飛濺出錫珠。波峰焊當(dāng)中還要關(guān)注的是風(fēng)刀的力度，讓其能夠吹去多余的焊錫及助焊劑等，能夠讓助焊劑均勻地涂抹在零件上。風(fēng)刀的傾角一般為10°左右，過大或過小都會(huì)導(dǎo)致面板焊劑過多或涂抹不均勻，影響發(fā)熱管壽命和炸錫現(xiàn)象。

3.3 手工焊接中產(chǎn)生“錫珠”出現(xiàn)原因及防控

手工焊接當(dāng)中出現(xiàn)錫珠的主要原因是焊劑在加熱導(dǎo)體未完全移開焊盤時(shí)完全蒸發(fā)，導(dǎo)致焊盤上的錫膏流動(dòng)性極差，烙鐵抽出后會(huì)形成尖角或柱狀，甚至在焊點(diǎn)內(nèi)形成氣泡。這時(shí)就需要焊接人員正確把握焊接時(shí)間和位置，添加適量焊錫和助焊劑。

4 結(jié)語(yǔ)

由此可知，在電子焊接制程當(dāng)中，需要從焊接材料、焊接方式、焊接工藝等多方面改進(jìn)，預(yù)防控制錫珠的產(chǎn)生。

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Analysis of prevention and control measures and courses of producing solder ball in electronic welding process

Li Xinman
（Tongling Sanjia Transformer Polytron Technology Inc., Tongling 244000, China）

In the process of welding in the electronic components of the integrated circuit, in order to improve the welding efficiency and enhance the function of integrated circuit, more and more electronic welding processes directly work without cleaning, it will make the integrated circuit board after welding to produce solder ball, which not only needs to wash again, but also causes the short circuit phenomenon of circuit board. Based on standard form analysis of the solder ball in electronic welding process, this paper discussed courses and control measures of producing solder ball in the SMT welding and soldering process.

electronic welding; solder ball; SMT welding; circuit

李新滿（1968— ），男，安徽銅陵，碩士，工程師；研究方向：電子變壓器設(shè)計(jì)，工藝技術(shù)。