回流焊接过程中焊料成球的原因[转贴]

天气: 晴朗心情: 高兴通孔波峰焊接和表面贴装（锡膏回流焊接）是电子组装互连的两种主要基本方式。其中表面贴装技术具备高可靠性、高产量以及低成本的特点，在近 20 年内受到广泛的欢迎和得到飞速的发展。但是，不恰当的回流曲线设置，不合理的材料选择，以及较差的焊接环境等因素可能导致很多的焊接缺陷，最终可能导致长期的可靠性问题。常见的主要焊接缺陷包括：较差的润湿性（缺焊，冷焊，空焊），焊料球、锡珠、立碑、元器件开裂、过度的金属间化合物生长，焊点空洞等等 [1] 。因此，通过了解各种缺陷的基本原因，从而进行合理的材料工艺组合和优化，可以提高组装焊接的质量和确保其长期可靠性。 　　随着高密度和细间距封装技术的发展，以及无铅焊接的高温工艺和材料的更替，使得焊料球成为一个关键的问题。所以，本文将主要讨论焊料成球的原因，及其对组装的影响。焊料球是指焊接过程中，焊料由于飞溅等原因在电路板的不必要位置形成分散的小球。这种小球会在电路板的两个相邻部件（例如导线，焊盘，引脚等）之间产生电流泄漏，电气噪声，甚至短路，带来长期的可靠性隐患。另外，在对它们进行处理过程中，也可能会影响相邻的部件的性能。本文旨在为控制焊料球的形成提供一定的解决方案，从而提高电子组装的可靠性。 　　焊料球常见于元器件引脚周围以及在引脚和焊盘的间隙等地方，有些也出现在离焊点很远的位置。它们一般成群地，离散地，以小颗粒出现。其主要原因是在金属焊点的形成过程中，熔融的金属合金的飞溅而导致的。 　　在回流焊接过程中，熔融助焊剂的蒸发速度过快会容易引发融熔锡合金的飞溅 [2] 。飞溅过程中，部分小滴焊料会随焊剂一起喷射， 被从主体焊料中分离出来，最终留在焊点周围。因此，焊剂载体中较高的溶剂比例，或者由于为适应无铅高温工艺使用的高沸点溶剂过量，以及加热不当都会导致焊料球的可能大大增加。 　　被焊接的表面或者细膏中的锡粉氧化程度太高，或者锡粉的缺陷也容易导致焊料球的形成。氧化和表面的物理缺陷使得整体内的各个部分的受热升温，化学反应等过程不均匀一致，继而焊剂的热行为也受到很大的影响，最终引发焊料球。 　　较低的焊膏黏度更容易引起较多飞溅，这是因为外表液滴和主体亲和力小，在助焊剂的帮助下，容易形成细小球状颗粒而飞出。内部气泡的压力超过的熔融焊料的表面张力的话，破裂的时候，带走更多的颗粒。但是如果气泡留在焊料内，又容易导致最终焊点的空洞。 　　周围的环境也会影响焊料球。例如外界（工作环境）较高的湿度，而锡膏溶剂体系中一般含有多元醇醚类物质，具备亲水性和吸湿性。又如不当的锡膏回复过程，从冰箱中拿出锡膏，过早地打开瓶盖，导致水蒸气凝聚。所有这些，都会导致过多的水分被锡膏吸收，从而在焊接过程中引起锡膏飞溅。操作房间内的高温会使焊膏黏性变低，也会促成焊料球的形成。 　　另外，剧烈的加热或者冷却，导致合金和焊剂状态变化太快，尤其是对于无铅的高温工艺，也会加速焊料球的形成。所以，回流温度曲线是决定焊料球形成的一个重要参数。回流过程中不同阶段的，会导致不同的问题。升温阶段是非常重要的，应该很小心设计和调整，以免焊料球的产生。同时，升温阶段对于其他缺陷，如桥连、焊接性、树碑现象、空洞、焊料抽芯等缺陷也至关重要。冷却阶段在也不能忽视。较低的冷却温度速率 — 其温度高于金属合金的熔点，会导致金属间化合物的生长，而较快的冷却则会产生内在压力和元器件的破裂。 　　最后，锡膏中如果含其他低沸点物质以及杂质等，也可能会引发大量的气泡，也有助于焊料球的形成。 　　为了更好的理解回流过程中焊料球的形成，根据 IPC-TM-650 2.4.43 [3] ，我们对锡膏进行了焊料球的测试。同时表征了实际回流过程中锡膏的基本性能特点。通过观察焊料球的尺寸和焊点周围焊料球的数量、残渣的颜色、助焊剂的活性以及焊料球的亮度，有助于进一步分析和了解这种缺陷的成因和对策。 　　采用 60′60′ 0.6mm 的陶瓷基板用作印刷基板，因为其成分是 Al 2 O 3 陶瓷 , 所以看作是不润湿的基板。采用均匀加热的热板对印刷的样品进行加热，同时利用精密控制的热电偶来探测基板表面温度。此实验中使用了传统锡铅和无铅的商业锡膏。无铅的合金成分包括 SnAg3Cu0.5 ， Sn-9Zn, Sn-8Zn-3Bi ；而有铅的则是 Sn37Pb 。将使用模板，在陶瓷板上印刷多个直径 6.5mm , 厚度 0.2mm 的锡膏。然后将陶瓷板放在加热板上进行加热，加热板温度设定在合金熔点的 25°C 以上，也就是说，对于 Sn37Pb ，发热温度为 208°C （ 183+25 ），而 SnAg3Cu0.5 的情况则为 242°C 。锡膏会在陶瓷板放到发热板上开始后的 20-40 秒内融化，由于表面张力，回缩成一个主体圆球，此时取下陶瓷板，样品冷却凝固。在荧光立体显微镜显下进行观测主体球周围的小球分布，数量和尺寸等特征。 　　结果表明，传统锡铅锡膏的焊料球性能要好于无铅锡膏，无铅锡膏会产生更多的焊料球。在锡铅锡膏样品中的平均焊料球的数目为 5~10 ，而在无铅锡膏样品中则为 10~15 。在锡铅锡膏样品中焊料球的直径大约在 30~50 微米范围内，而在无铅锡膏样品中为 40~50 微米。两种类型的锡膏测试后，主体球周围的残渣都是光滑的，但是其颜色显微黄色。 　　流过程中温度曲线的倾斜率会影响焊料球的形成。较大的倾斜率通常会导致焊料球状况的恶化。从放置样品到热板上开始到印刷的锡膏图形开始收缩为止，其升温斜率经过测量，大致为 10~15 o C 每秒。较高的倾斜率在这个阶段会引起锡膏内气体的快速逃逸，某些粉末过早失去溶剂载体而发干，难以和主体一起回缩，尤其是边缘部分，最终留在原始位置，形成焊料球。锡膏收缩开始后，到完全成一个主体球的时间也应该适当。如果太快，气泡飞溅剧烈，加速焊料球的形成；同时一部分气泡没有时间逃逸，最终残留在主体内，最终形成空洞。如果太慢，则表明氧化程度高，或者活性低，润湿性不好 。 　　图 1 为焊料球的一些试验结果图片。图 1(a) 和图 1 （ b ）为无铅锡膏样品的典型结果图。其焊点清晰，焊料球数量较少，尺寸较小，属于可接受的范围。图 1 （ d ）和（ d ）显示的是锡铅锡膏的结果，较无铅锡膏而言，它的结果更好，具备更少数量，和更小直径的焊料球。 　　在实际的电路板 SMT 焊接过程中，锡膏中助焊剂载体起到了化学清洗氧化物，降低焊料表面张力而促进润湿铺展，以及防止被焊表面的再次氧化等作用。典型的助焊剂载体由树脂松香、活性剂、溶剂，触变剂，其他添加剂等等组成。如果在焊点形成之前存在过量的氧化物，也就是说焊盘，引脚或者锡膏中锡粉表面氧化程度高，它可能引起较差的润湿性，最终也和焊料球的形成密不可分。而且助焊剂载体的决定着锡膏的黏度，化学反应行为，热挥发性能等等。而这些则是和焊料球性能直接相关的参数。所以，在购买，使用锡膏的时候，一定要确诊其焊料球性能，以防止因此而导致的失效，翻修等问题，以控制成本。图 2 （ a ）和（ b ）为锡膏测试的一些较差结果的图片。其飞溅程度很大，在主体球周围产生更多更大的焊料小球。nmouseover="if(this.width>screen.width0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width0.7; this.style.cursor='hand'; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://www.ichina2008.org/chinasmt/gongyishebei/image/0607170201.JPG');}" alt="" src="http://www.ichina2008.org/chin ... ot%3B onload="if(this.width>screen.width0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width0.7; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" border=0 twffan="done">在细间距印刷的应用中，由于模板滞带，错位印刷，滴漏等原因，使得部分锡膏在印刷的时候就和主体分离，留在焊模（绿油）上 。因此在回流过程中，分离的锡膏连接在一起就形成锡珠。所以，助焊剂载体还应该使得锡膏具备良好的黏性和流变形（流动和形变的性能），以便印刷 [4] ，而不粘刮刀和模板。同时在融化过程中，要使得所有的锡粉尽量收拢到一起。图 3 显示的是一个结果非常令人不满意的焊料球的图片。它表明了较差的回收，以及消极的助焊作用，而且是残渣的性能很差。 　　温度曲线也是一个要考虑的问题，它直接影响到锡膏的回流行为和焊接的的可靠性。典型的回流曲线分为预热区、升温浸蕴区、回流区和冷却区。每个阶段的温度都应该精密调整。其中要考虑不同的电路板类型，元器件的数量，电路板上的不同位置，测温度热电偶的精度，工作条件天气变化等等导致很大误差甚至是错误结果等问题。如果设置以及测量控制不当，或者测到错误的结果而认为是正确的结果，会产生很多麻烦。 　　在预热的时候，我们推荐 2~3 分钟内余热到 120 -150°C （对于无铅）。对于大板卡，以及较多元器件的组装，建议时间要长些，升温要缓慢，因为各种材料吸收和散热形成差别和大，所以要一个相对较长的时间，使得各个部件，包括锡膏等最终能达到温度均匀一致。如果太快，使得最后焊接的时候温度不均匀，各部分的润湿，反应差别较大，不但会造成焊料球问题，还会导致其他的很多问题。 　　在升温浸蕴区，我们推荐 160 -180°C （对于无铅）。时间也要严格控制，建议在 2 分钟左右，否则会破坏助焊剂载体的化学反应平衡。如果太短，没有充分清洗表面，焊接表面没有对整体锡膏的每个部分反应和 “ 拉拢 ” 而具备比焊料球形成的优先权，那么部分锡膏就容易分离出去。如果时间太长，锡膏容易塌落，焊剂容易过分挥发，最终都是焊料球发生的诱因。 　　回流焊接区温度推荐峰值 245 -255°C ，时间 60-90 秒（对于无铅）。使得焊料能充分反应，气泡也能缓慢发出，从而减少焊料球的发生。 实际上，相对降低温度到 240°C , 而增加回流时间，也会取得同样的良好结果。这样的话，也是一个减少对元器件热伤害的方法。 　　冷却速率建议不宜大于 4°C 每秒。否则容易在焊点内部积累较大的热应力，发生可靠性问题。 　　这里要提一下的是，除了焊剂载体外，合金类型也有一定的影响。其总体综合表现决定了焊料球的性能。图 4 为我们使用各种不同合金锡膏在焊料球测试中的结果。通常锡锌铋合金能达到较好的结果，而锡锌合金锡膏的结果最不令人满意。由于容易氧化和润湿性差，锡锌合金锡膏焊料球的数量和直径在无铅焊料中最差，其结果超出了所能接受的范围。图 5 为其在另一个实验中焊料池周围的细小焊料球，这些焊料球的直径很大，在飞溅的小球周围还有一些更细小的小球。 　　通过主要对两种类型（美亚科技有限公司的系列锡铅和无铅产品）锡膏的焊料球的测试对比，得到几个基本结论：锡铅锡膏成球的平均数量为 5~10 个，而无铅锡膏为 10~15 个， 两种类型的测试典型结果令人满意。但是，提高焊接的可靠性和减少成本。 nmouseover="if(this.width>screen.width0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width0.7; this.style.cursor='hand'; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://www.ichina2008.org/chinasmt/gongyishebei/image/0607170202.JPG');}" alt="" src="http://www.ichina2008.org/chin ... ot%3B onload="if(this.width>screen.width0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width0.7; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" border=0 twffan="done">