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）

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，還會造成電路板短路的現(xiàn)象。文章通過對電子焊接制程產(chǎn)生的“錫珠”標準形態(tài)進行分析，詳述SMT焊接和“波峰焊”過程中產(chǎn)生“錫珠”原因及預防控制辦法。

電子焊接；錫珠；SMT焊接；電路

在集成電路板當中，如果焊接后的面板上有“錫珠”，那么不僅僅會影響產(chǎn)品的外觀，更為嚴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。綜合整個電子焊接制程當中，可能在表面貼裝技術（Surface Mount Technology，SMT）、波峰焊及手工焊當中出現(xiàn)，所以為對“錫珠”進行預防和控制，那么就需要從這幾個焊接工藝和焊接材料入手。

1 電子焊接產(chǎn)生的“錫珠”的標準形態(tài)

隨著國內經(jīng)濟和科技的發(fā)展，民眾追求更高品質的生活，不管是生活中不可或缺的電子產(chǎn)品，還是電氣系統(tǒng)等設備裝置，都采用機械焊接方式讓機械的功能更強大，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”或者是手工焊當中，不可避免地產(chǎn)生“錫珠”，“錫珠”的大小和質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，國家及各行業(yè)制定關于“錫珠”大小、形態(tài)的標準，以MIL-STD-2000為例，在此標準當中規(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，且兩個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，質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。針對無鉛焊接制程產(chǎn)生的錫珠標準則更為細致，在標準當中規(guī)定，如果元件用于汽車或者軍用產(chǎn)品等領域，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，或者運用相應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、時間、焊膏的質量、刷錫的厚度及鋼網(wǎng)的制作還有裝貼時對面板表面產(chǎn)生的壓力”等等，這些都會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，并對其加以預防和控制，就會避免產(chǎn)生大量的錫珠。

2.1 焊錫膏自身質量原因引起的“錫珠”狀況

在焊膏的使用當中，金屬、氧化物、金屬粉末的粒度及錫膏抗熱坍塌效果都會產(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，錫粉會因為顆粒之間擁有更多結合的機會，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)錫珠的機率增高；同時焊膏需要氧化物，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，從而導致細小錫珠產(chǎn)生；錫膏中除了金屬粉的含量會影響到錫珠的產(chǎn)生外，其顆粒的大小也會影響到錫珠的產(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，會使得錫珠現(xiàn)象得到緩解；在回流焊階段，需要將焊盤預熱，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，此時會出現(xiàn)焊膏外流的狀況，在焊接區(qū)內就可熔化焊料，受到內應力的作用，焊膏收縮成焊點并開始浸潤爬升至焊接端頭，有時會因為焊劑缺失或者劑量不足的原因導致焊膏應力不足，流向焊盤外的錫膏沒有收縮，當沒有收縮的錫膏完全融化就會形成錫珠。

2.2 焊接制程工藝不當造成的“錫珠”

在焊接工藝當中出現(xiàn)“錫珠”的地方主要集中在回流焊部分，因為這部分的焊接需要分為預熱、保溫、焊接和冷卻4個階段，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。但是在此期間會因為錫膏內部氣化將金屬粉的凝結力降低，有部分焊粉會從焊盤上流出促使錫珠形成。所以在預熱階段，溫度高、預熱速度快則會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致坍塌，誘發(fā)錫珠形成。在SMT的表面貼片焊接當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，能夠在一定程度上減輕錫珠的形成概率；在裝貼當中如果壓力過大會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，焊接期間還要對工作環(huán)境進行清理，避免空氣中附帶氣化錫或者空氣中含有細小的水珠，由此形成錫珠；焊接時還要避免焊膏和空氣長期接觸，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，需具有良好的質量、熔融和導電能力。其次就是在焊接工藝上進行控制和改進。由于SMT屬于半自動化的焊接，對錫膏的保存、使用、回溫、攪拌都需要人工，所以需要注意以下幾點，其一是需要嚴格按照使用說明和焊接要求選擇適宜的溫度進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)境下進行回溫，直至溫度與室溫相同才可開啟；其次是在攪拌當中需要按照規(guī)定的工序和時間進行攪拌，在印刷當中需要注意模板的印刷力度和鋼網(wǎng)表面的清潔度，印刷過后及時清除多余錫膏，方式PCB（集成電路）板面在焊接當中產(chǎn)生錫珠；最后在回流焊接當中也應該按照指定好的方式進行作業(yè)，不得隨意調整，在一輪焊接過后針對不足之處及時地調整和修正，對于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，針對產(chǎn)生錫珠的不同原因進行適當改進，當鋼網(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)生錫珠的機率；這種改進并非一次就可以完成，需要經(jīng)過3次或以上，當然也有兩次就可杜絕錫珠形成的情況，這需要根據(jù)SMT實際的焊接過程而定。

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中由于助焊劑和面板材料本身所含水分過多或者高沸點溶劑沒有充分揮發(fā)，當兩者驟然接觸到高溫物體，存在的溫差會導致液體焊錫飛出形成錫珠；另外一種狀況是在焊接當中面板與液態(tài)焊錫波分離，面板會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，所以錫柱會受到其潤濕和錫液流動性的作用，焊錫會自動落回錫缸從而濺起錫珠，所以在波峰焊接當中需要從助焊劑的選擇和工藝上對形成錫珠進行控制。

3.1 助焊劑引起的狀況及防控方式

因為大部分的錫膏當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，在選用過程當中，需要按照以下標準選擇，其一是選用的助焊劑當中的水份含量不能較大，含大量水份的助焊劑會導致在焊接的預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中有高沸點或者焊接當中不易揮發(fā)的物質，這樣也會導致預熱不能充分揮發(fā)形成錫珠。以上兩種基本是由助焊劑的質量引起的，如果在焊接當中遇到以上情況，則可以通過提高預熱溫度或者放慢走板的速度等方式來解決，當然大部分情況下還需要在選擇的時候按照焊接工藝及相應的標準規(guī)格選擇，檢驗助焊劑質量是否合格。

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：首先是焊接工具和焊盤的預熱溫度較低，導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）過快導致的預熱效果不好；其次是在傳動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隨之炸裂飛濺出錫珠；最后一種是在焊接當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刀吹走產(chǎn)生錫珠。上述3種情況都與標準焊接工藝有關，所以在焊接當中需要按照設定參數(shù)操作，不得隨意改動。解決辦法如下：在預熱階段，務必讓溫度保持在90℃～110℃之間，這個溫度是面板焊盤實際受熱溫度，并且將走板的速度范圍設定為1.1 m/min～1.4 m/ min，這個值僅為參考值，具體還需根據(jù)實際情況而定，如果要加快走板速度，那么就應當將預熱的溫度相應提高；面板運行鏈條和面板與焊接面的傾角需要與錫液形成30°～45°的角，這樣才能在走板當中保證面板上的小元件與錫液之間形成多個切點，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。波峰焊當中還要關注的是風刀的力度，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。風刀的傾角一般為10°左右，過大或過小都會導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

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

4 結語

由此可知，在電子焊接制程當中，需要從焊接材料、焊接方式、焊接工藝等多方面改進，預防控制錫珠的產(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：電子變壓器設計，工藝技術。