關(guān)于控制器SM T生產(chǎn)過程錫珠的產(chǎn)生與預(yù)防分析研究

張? 偉，陳中煒? （格力電器（合肥）有限公司，安徽?合肥?230088）
摘? 要：焊接錫珠（SOLDER BALL）現(xiàn)象是表面貼裝（SMT）過程回流焊及控制器焊接過程中波峰焊的主要 缺陷，主要發(fā)生在電子元器件的周圍，由諸多因素引起，它是控制器系統(tǒng)生產(chǎn)過程的主要缺陷之一，它的產(chǎn)生 是1個(gè)復(fù)雜的過程，也是最煩人的問題，要完全消除它，是非常困難的，一般來說，錫珠產(chǎn)生的原因是多方面 的、綜合的及外界環(huán)境影響導(dǎo)致的，本文通過對SMT生產(chǎn)過程可能產(chǎn)生錫珠的各種原因的分析，提出相應(yīng)得解 決方法。 

關(guān)鍵詞：錫珠；回流焊；原因；預(yù)防

0  引言 

錫珠直徑在(0.2~0.4) mm之間，也有超過此范圍 的，主要集中在PCB板上元器件的周圍。錫珠的存在， 為產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性埋下了隱患。原因是現(xiàn)代化PCB板 元器件密度高、間距小，錫珠在使用過程可能脫落、 轉(zhuǎn)移，進(jìn)而導(dǎo)致元器件短路，影響產(chǎn)品的質(zhì)量及使用情 況。因此弄清它產(chǎn)生的原因，并對它進(jìn)行有效的控制， 就顯得尤為重要了。

1  錫珠缺陷現(xiàn)象及其判斷標(biāo)準(zhǔn) 

1.1 回流焊中錫珠缺陷現(xiàn)象 

焊膏是由各種金屬合金組成，回流焊接中錫珠通常 是在焊膏塌落(slump)或在處理期間壓出焊盤時(shí)發(fā)生的， 如圖1所示。在再流期間，焊膏從主要的沉淀中孤立出 來，與來自其他焊盤的多余焊膏集結(jié)，或者從元件體的 側(cè)面冒出形成大的錫珠，或者留在元件的下面，如圖2 所示。

1.2 IPC-610C對錫珠缺陷的可接收條件 

1）不合格——1、2、3級要求 

錫珠/飛濺的出現(xiàn)破壞了設(shè)定規(guī)定的最小電氣間 隙；這些錫珠沒有被涂敷層夾陷(指產(chǎn)品在正常的使用 環(huán)境下，錫珠不會(huì)發(fā)生移動(dòng))，也沒有附著在金屬觸 點(diǎn)上。 

2）不合格(跡象)——1、2、3級要求 

錫珠/飛濺分布在焊盤或印制線條周圍0.13 mm范圍 內(nèi)，或者錫珠直徑大于0.13 mm，如圖3所示。

IPC-A-610C將0.13 mm(0.005 12英寸)直徑的釬 料或每600 mm2(0.9平方英寸)面積上，少于5顆分為 第一類可接受的，并作為第二與第三類的工藝標(biāo)記。 IPC-A-610 C允許“夾陷的”不干擾最小電氣間隙的錫 珠?？墒牵词故恰皧A陷”的錫珠都可能在運(yùn)輸、處理 或經(jīng)受振動(dòng)后變成可移動(dòng)的。

2  回流焊接中錫珠的形成原因 

1）解釋回流焊中錫珠飛濺的幾種理論 

回流焊接過程中產(chǎn)生的濺錫珠現(xiàn)象的機(jī)理，目前存 在下列幾種理論解釋： 

①“小爆炸”理論，如表1。

該理論認(rèn)為：再流焊接中焊膏中助焊劑的激烈排氣 可能引起熔化焊點(diǎn)中的小爆炸，釬料顆粒在高溫中的 飛濺就可能發(fā)生。從而促使釬料顆粒在再流腔內(nèi)空中亂 飛，飛濺在PCB上形成錫珠粘附。當(dāng)PCB材料內(nèi)部夾有 潮氣時(shí)，和助焊劑排氣有相同的效果。類似地，PCB板 表面上的外來污染也是引起濺錫的原因。 

②溶劑排放理論 

溶劑排放理論認(rèn)為：焊膏助焊劑中使用的溶劑必須 在再流時(shí)蒸發(fā)。如果使用過高溫度，溶劑會(huì)“閃沸” 成氣體(類似于在熱鍋上滴水)，把固體帶到空中，隨機(jī) 散落到板上，成為助焊劑飛濺。為了證實(shí)或反駁這個(gè) 理論，美國專家羅絲·伯思遜等人使用熱板作樣板進(jìn) 行導(dǎo)熱性試驗(yàn)，并作測試。使用的溫度設(shè)定點(diǎn)分別為 190 ℃、200 ℃和220 ℃。試驗(yàn)結(jié)論是：不含釬料粉末 的膏狀助焊劑在任何情況下都不出現(xiàn)飛濺。含有粉末的 助焊劑(焊膏)在釬料熔化和焊接期間始終都有飛濺。顯 然溶劑排氣理論不能解釋錫珠飛濺現(xiàn)象。 

③結(jié)合理論： 

持此觀點(diǎn)的人認(rèn)為：當(dāng)釬料熔化和結(jié)合時(shí)熔化材料 的表面張力——一種很大的力量——在被夾住的助焊劑 上施加了壓力，當(dāng)壓力足夠大時(shí)，猛烈地排出。這一理 論得到了對BGA內(nèi)釬料空洞研究者的支持，其中描述 了表面張力和助焊劑排氣之間的聯(lián)系(助焊劑排氣率模 型)。因此，有力的噴出是錫珠飛濺最可能的原因。接 下來的實(shí)驗(yàn)室助焊劑飛濺模擬試驗(yàn)說明了結(jié)合的影響。 完全的烘干大大地減少了飛濺現(xiàn)象，如表2所示（表2是 來自金屬結(jié)合的助焊劑飛濺模擬-烘干的研究）。

2）可能引起濺錫珠的因素 

根據(jù)結(jié)合理論建立的結(jié)合模型分析，具體影響飛濺 現(xiàn)象的潛在因素，如表1所示（表1可能引起濺錫珠的 因素）。

總之，任何方法，如果使焊膏粉球可能沉積在PCB 上，并在回流過程時(shí)仍存在，都可以產(chǎn)生錫珠。包括：① 在絲印期間沒有擦拭模板底面(模板臟)；②誤印后不適當(dāng) 的清潔方法；③絲印期間不小心的處理；④基板材料和污 染物中過多的潮氣；⑤極快的溫升斜率(超過4 ℃/s)。

3  回流焊接中的預(yù)防方法 

1）最小化 

優(yōu)化助焊劑載體的化學(xué)成分和再流焊接溫度曲線， 將濺錫減到最低。通過評估清楚地表明了活性劑、溶 劑、合金和再流焊接溫度曲線對濺錫珠程度有重要影 響。這些參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整可以將濺錫珠現(xiàn)象減到最小。 

2）確選擇助焊劑材料 

聚合助焊劑有希望最終提供1個(gè)可能最小化的濺錫 珠的解決方案，因?yàn)闈撛诘娘w濺材料在溫度激化的聚 合過程中被包圍。因此，沒有液體助焊劑留下來產(chǎn)生 飛濺。 

3）回流溫度曲線的選擇 

回流溫度曲線和材料類型兩者都必須調(diào)整以使飛濺 最小。圖4示出了一條沒有平坦保溫區(qū)的線性上升溫度 曲線，試驗(yàn)結(jié)果是所有材料都存在一些濺錫現(xiàn)象?；?飛濺機(jī)理的假設(shè)，這個(gè)線性曲線沒有充分烘干助焊劑。 圖5所示的基本曲線包括1個(gè)160 ℃的高溫保溫(烘干) 區(qū)，以蒸發(fā)所有的溶劑。這種溶劑的揮發(fā)增加了剩余助 焊劑的粘性，減少了進(jìn)入再流區(qū)后的揮發(fā)成份，因此減 少了飛濺。但是，這樣烘干帶來的潛在問題是釬料的熔 濕性變差和易產(chǎn)生空洞。使用惰性氣體(氮?dú)?可以幫助 改善熔濕和減少空洞，但對飛濺卻無效果。

4）正確地設(shè)計(jì)模板開口形狀 

前面已討論到模板開孔的形狀是在免洗焊膏應(yīng)用中 的1個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。是形成具有高可靠性的高質(zhì)量焊 點(diǎn)所要求的足夠的焊膏量的基礎(chǔ)。為了解決在片狀元件 上的濺錫珠的問題，在探討各種模板開孔的形狀中，最 流行的是homeplate開孔設(shè)計(jì)(圖6)。據(jù)說這種homeplate 設(shè)計(jì)可以在需要的地方準(zhǔn)確地提供焊膏，從片狀元件的 角上去掉過多的焊膏?？墒牵琱omeplate設(shè)計(jì)會(huì)帶來焊膏 的粘附區(qū)域不足的問題，焊膏提供很小的與零件接觸的 面積，因而易造成元件偏位。除此之外，homeplate設(shè)計(jì) 不能消除片狀元件下面和相鄰位置的錫珠。在片狀元件 下面出現(xiàn)過多種焊膏的模板設(shè)計(jì)方案，包括： 

① homeplate模板(圖6)； 

②比矩形片狀元件焊盤形狀減少85%的模板(圖7)； 

③對片狀元件的T形開孔模板(圖8)。

圖6所示的模板能減少在片狀元件上的錫珠的數(shù) 量，但是不能完全消除。圖7所示的模板有80%的片狀 元件出現(xiàn)錫珠。而圖8所示的模板可去掉50%的錫珠。 因此，這三種模板沒有哪個(gè)能有效地消除錫珠，同時(shí)在 裝配期間提供足夠的粘附力來將元件固定在位。圖9示 出了85%的U形模板。在U形模板上，片狀元件下面的 中間部分是沒有焊膏的。模板材料是0.16 mm厚度的不銹鋼，采用化學(xué)腐蝕工藝。這種設(shè)計(jì)已經(jīng)證明可以提供 連續(xù)的焊膏沉淀。

試驗(yàn)證實(shí)了對片狀元件使用U形開孔模板能較好地 消除錫珠。這種U型模板在其所需要的位置上可以提供 準(zhǔn)確的焊膏，而沒有可能造成錫珠從片狀元件體下面擠 出的地方提供過剩的焊膏。U形開孔模板只在其需要的 地方出現(xiàn)焊膏，且分布在片狀元件體的邊緣，不直接在 元件體中間的下面。這樣一來，如果片狀元件貼放偏離 位置，焊膏沉淀足夠在整個(gè)過程和再流焊接中維持住 零件。

4  結(jié)論 

優(yōu)質(zhì)的焊膏結(jié)合正確的溫度曲線，可以達(dá)到實(shí)際消 除焊錫和助焊劑的飛濺，相對于易揮發(fā)溶劑含量高和 熔濕速度慢的焊膏可以達(dá)到最好的效果。提供給表面貼 裝元件的焊膏數(shù)量與位置的改善，直接影響錫珠與錫塵 的出現(xiàn)與否。通過在適當(dāng)?shù)奈恢锰峁┻m量的焊膏，最終 產(chǎn)品質(zhì)量就可以大大提高。對片狀元件來說使用U形開 孔，可以大大地減少錫珠的發(fā)生。對QFP焊盤的減小， 消除了相鄰焊盤之間的錫塵。結(jié)合適當(dāng)?shù)暮副P尺寸與形 狀，就可為PCB的裝配生產(chǎn)形成一種優(yōu)化的高質(zhì)量的生 產(chǎn)工藝。

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