電子焊接制程產(chǎn)生“錫珠”的原因分析及防控措施

       從“縮減制程、節(jié)約成本、減少污染”等角度出發(fā)，越來越多的電子焊接采用焊后“免清洗”工藝。但是如果焊后板面有“錫珠”出現(xiàn)，則不可能達(dá)到“免清洗”的要求，因此“錫珠”的預(yù)防與控制在實(shí)施“免清洗”過程中就顯得格外重要?！板a珠”的出現(xiàn)不僅影響板級(jí)產(chǎn)品外觀，更為嚴(yán)重的是由于印制板上元件密集，在使用過程中它有可能造成短路等狀況，從而影響產(chǎn)品的可靠性。

       綜合整個(gè)電子焊接情況，可能出現(xiàn)“錫珠”的工藝制程包括：“SMT表面貼裝”焊接制程、“波峰焊”制程及“手工焊”制程，我們從這三個(gè)方面來一一探討“錫珠”出現(xiàn)的原因及預(yù)防控制的辦法。因?yàn)椤安ǚ搴浮奔啊笆止ず浮币淹菩卸嗄辏芏喾矫娑家呀?jīng)比較成熟，因此，本文用了較多的篇幅介紹“SMT表面貼裝” 焊接制程中產(chǎn)生“錫珠”原因及防控措施。

一，關(guān)于的“錫珠”形態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)

       一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“錫珠”問題進(jìn)行了闡釋。主要有MIL-STD-2000標(biāo)準(zhǔn)中的“不允許有錫珠”，而IPC-A-610C標(biāo)準(zhǔn)中的“每平方英寸少于5個(gè)”。在IPC-A-610C標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定最小絕緣間隙0.13毫米，直徑在此之內(nèi)的錫珠被認(rèn)為是合格的；而直徑大于或等于0.13毫米的錫珠是不合格的，制造商必須采取糾正措施，避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。為無鉛焊接制訂的最新版IPCA- 610D標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)錫珠現(xiàn)象做更清楚的規(guī)定，有關(guān)每平方英寸少于5個(gè)錫珠的規(guī)定已經(jīng)被刪除。有關(guān)汽車和軍用產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)則不允許出現(xiàn)任何“錫珠”，所用線路板在焊接后必須被清洗，或?qū)㈠a珠手工去除。

常見的錫珠形態(tài)及其尺寸照片見下圖：

二，“SMT表面貼裝”制程“錫珠”出現(xiàn)的原因及預(yù)防控制辦法

        在“SMT表面貼裝”焊接制程中，回流焊的“溫度、時(shí)間、焊膏的質(zhì)量、印刷厚度、鋼網(wǎng)（模板）的制作、裝貼壓力”等因素都有可能造成“錫珠”的產(chǎn)生。因此，找到“錫珠”可能出現(xiàn)的原因，并加以預(yù)防與控制就是達(dá)成板面無“錫珠”的關(guān)鍵之所在。

（一），焊膏本身質(zhì)量原因可能引起的“錫珠”狀況

1，焊膏中的金屬含量。焊膏中金屬含量的質(zhì)量比約為89-91％，體積比約為50％左右。通常金屬含量越多，焊膏中的金屬粉末排列越緊密，錫粉的顆料之間有更多機(jī)會(huì)結(jié)合而不易在氣化時(shí)被吹散，因此不易形成“錫珠”；如果金屬含量減少，則出現(xiàn)“錫珠”的機(jī)率增高。

2，焊膏中氧化物的含量。焊膏中氧化物含量也影響著焊接效果，氧化物含量越高，金屬粉末熔化后在與焊盤熔合的過程中表面張力就越大，而且在“回流焊接段”，金屬粉末表面氧化物的含量還會(huì)增高，這就不利于熔融焊料的完全“潤(rùn)濕”從而導(dǎo)致細(xì)小錫珠產(chǎn)生。  

3，焊膏中金屬粉末的粒度。焊膏中的金屬粉末是極細(xì)小的近圓型球體，常用的焊粉球徑約在25-45μm之間，較細(xì)的粉末中氧化物含量較低，因而會(huì)使“錫珠”現(xiàn)象得到緩解。

4，焊膏抗熱坍塌效果。在回流焊預(yù)熱段，如果焊膏抗熱坍塌效果不好，在焊接溫度前（焊料開始熔融前）已印刷成型的焊膏開始坍塌，并有些焊膏流到焊盤以外，當(dāng)進(jìn)入焊接區(qū)時(shí)，焊料開始熔融，因?yàn)閮?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)因?yàn)楹竸┤笔Щ蚱渌驅(qū)е潞父鄳?yīng)力不足，有一少部分焊盤外的焊膏沒有收縮回來，當(dāng)其完全熔化后就形成了“錫珠”。

      由此可見，焊膏的質(zhì)量及選用也影響著錫珠產(chǎn)生，焊膏中金屬及其氧化物的含量，金屬粉末的粒度、焊膏抗熱坍塌效果等都在不同程度地影響著“錫珠”的形成。

（二），使用不當(dāng)形成 “錫珠”的原因分析

1，“錫珠”在通過回流焊爐時(shí)產(chǎn)生的。我們大致可以將回流焊過程分為“預(yù)熱、保溫、焊接和冷卻”四個(gè)階段。“預(yù)熱段”是為了使印 制板和表貼元件緩慢升溫到120-150℃之間，這樣可以除去焊錫膏中易揮發(fā)的溶劑，減少對(duì)元件的熱沖擊。而在這一過程中焊膏內(nèi)部會(huì)發(fā)生氣化現(xiàn)象，這時(shí)如果焊膏中金屬粉末之間的粘結(jié)力小于焊劑氣化產(chǎn)生的力，就會(huì)有少量“焊粉”從焊盤上流下或飛出，在“焊接”階段，這部分“焊粉”也會(huì)熔化，從而形成“錫珠”。由此可以得出這樣的結(jié)論“預(yù)熱溫度越高，預(yù)熱速度越快，就會(huì)加劇焊劑的氣化現(xiàn)象從而引起坍塌或飛濺，形成錫珠”。因此，我們可以采取較適中的預(yù)熱溫度和預(yù)熱速度來控制“錫珠”的形成。

2，焊膏在印制板上的印刷厚度及印刷量。焊膏的印刷厚度是生產(chǎn)中一個(gè)主要參數(shù)，印刷厚度通常在0.15-0.20mm之間，過厚或過多就容易導(dǎo)致“坍塌”從而形成“錫珠”。在制作鋼網(wǎng)（模板）時(shí)，焊盤的大小決定著模板開孔的大小，通常，我們?yōu)榱吮苊夂父嘤∷⑦^量，將印刷孔的尺寸控制在約小于相應(yīng)焊盤接觸面積10％，結(jié)果表明這樣會(huì)使“錫珠”現(xiàn)象有一定程度的減輕。

3，如果在貼片過程中貼裝壓力過大，當(dāng)元件壓在焊膏上時(shí)，就可能有一部分焊膏被擠在元件下面或有少量錫粉飛出去，在焊接段這部分焊粉熔化從而形成“錫珠”；因此，在貼裝時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)馁N裝壓力。

4，焊膏通常需要冷藏，在使用前一定要使其恢復(fù)至室溫方可打開包裝使用，如果焊膏溫度過低就被打開包裝，會(huì)使膏體表面產(chǎn)生水分，這些水分在經(jīng)過預(yù)熱時(shí)會(huì)造成焊粉飛出，在焊接段會(huì)讓熱熔的焊料飛濺從而形成“錫珠”。

我國一般地區(qū)夏天的空氣濕度較大，把焊膏從冷藏取出時(shí)，一般要在室溫下回溫4-5小時(shí)再開啟瓶蓋。

5，生產(chǎn)或工作環(huán)境也影響“錫珠”的形成，當(dāng)印制板在潮濕的庫房存放過久，在裝印制板的包裝袋中發(fā)現(xiàn)細(xì)小的水珠，這些水分和焊膏吸潮的水分一樣，會(huì)影響焊接效果從而形成“錫珠”。因此，如果有條件，在貼裝前將印制板或元器件進(jìn)行一定的烘干，然后進(jìn)行印刷及焊接，能夠有效地抑制“錫珠”的形成。

6，焊膏與空氣接觸的時(shí)間越短越好，這也是使用焊膏的一個(gè)原則。取出一部分焊膏后，立即蓋好蓋子，特別是里面的蓋子一定要向下壓緊，將蓋子與焊膏之間空氣擠出，否則對(duì)焊膏的壽命會(huì)有一定的影響，同時(shí)會(huì)造成焊膏的干燥加快或在下次再使用時(shí)吸潮，從而形成“錫珠”。

      由此可見，“錫珠”的出現(xiàn)有很多原因，只從某一個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防與控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們需要在生產(chǎn)過程中研究如何防制各種不利因素及潛在隱患，從而使焊接達(dá)到最好的效果，避免“錫珠”的產(chǎn)生。

（三），“SMT表面貼裝”過程的“錫珠”預(yù)防與控制

1，焊膏的選用

       在選擇焊膏時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持在現(xiàn)有工藝條件下的試用，這樣，既能驗(yàn)證供應(yīng)商焊膏對(duì)自身產(chǎn)品、工藝的適用性，也能初步了解該焊膏在實(shí)際使用中的具體表現(xiàn)。對(duì)焊膏方面的評(píng)估，應(yīng)注意各種常見的參數(shù)，比如“焊油與焊粉的比例、錫球的顆粒度”等。

      正確選擇的焊膏不一定是各項(xiàng)參數(shù)都最優(yōu)異，更多的情況下，對(duì)于SMT的工藝制程及產(chǎn)品特性來講，適合的就是最好的。因此，選擇適合自身工藝及產(chǎn)品的焊膏，并將所有參數(shù)定下來，在以后的供應(yīng)商交貨過程中做出品管驗(yàn)收及品檢的依據(jù)，一方面核對(duì)供應(yīng)商所提供的書面資料，另一方面取少量不同批次的產(chǎn)品進(jìn)行試用。

       優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商，會(huì)在配合過程中提出相應(yīng)的工藝建議，并根據(jù)客戶具體要求進(jìn)行焊膏產(chǎn)品的升級(jí)及缺陷改進(jìn)；因此，相對(duì)穩(wěn)定的、誠信度高的供應(yīng)商，對(duì)客戶在焊膏質(zhì)量方面預(yù)防及控制“錫珠”能提供很大的幫助。  

2，“SMT表面貼裝”工藝控制與改進(jìn)

       在所有的工藝控制過程中，從焊膏的保存及取出使用、回溫、攪拌都有嚴(yán)格的文件規(guī)定，主要有以下幾個(gè)方面的重點(diǎn)：

（1），嚴(yán)格按照供應(yīng)商提供的存貯條件及溫度進(jìn)行存貯，一般情況下焊膏應(yīng)存貯于0-10℃的冷藏條件下；

（2），焊膏取出后、使用前，應(yīng)該進(jìn)行常溫下的回溫，在焊膏未完全回溫前，不得開啟；

（3），在攪拌過程中，應(yīng)該按照供應(yīng)商所提供的攪拌方法及攪拌時(shí)間進(jìn)行攪拌；

（4），在印刷過種中，應(yīng)該注意印刷的力度，及鋼網(wǎng)表面的清潔度，及時(shí)擦拭鋼網(wǎng)表面多余的焊膏殘留，防止在這個(gè)過程污染PCB板面從而造成焊接過程中的錫珠產(chǎn)生。

（5），回流焊過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照已經(jīng)訂好的回流焊曲線進(jìn)行作業(yè)，不得隨意調(diào)整；同時(shí)應(yīng)該經(jīng)常校驗(yàn)回流焊曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的差異并修正；

（6），在“SMT表面貼裝”工藝中，鋼網(wǎng)（模板）的“開口方式”以及“開口率”很可能導(dǎo)致焊膏在“印刷特性”及“焊接特性”方面的一些缺陷從而引起“錫珠”。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)鋼網(wǎng)進(jìn)行了改進(jìn)，將原來易產(chǎn)生“錫珠”的片式元件1：1鋼網(wǎng)開口，改為1：0.75的楔形，改后試驗(yàn)效果較好“錫珠”產(chǎn)生的機(jī)率明顯下降直至基本杜絕。

      通過修改鋼網(wǎng)的開口方式和批量的印刷試驗(yàn)，可以很明顯地看到，改后鋼網(wǎng)的開口方法可以有效防控“錫珠”的產(chǎn)生。修改后“防錫珠”鋼網(wǎng)的印刷效果及焊接效果見圖二：

      按照多次的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合“圖二”可以看出，通過修改前后三次的效果對(duì)比，第二次修改后的鋼網(wǎng)，沒有見到明顯的錫珠，而錫膏的焊錫量也沒有偏少。由此說明通過鋼網(wǎng)的開口改變，對(duì)“SMT表面貼裝”制程中的“錫珠”防控還是有一定效果的。同時(shí)我們對(duì)更改后的焊接產(chǎn)品送到“賽寶實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)行檢測(cè)（報(bào)告編號(hào)為“FX03-2081691”），通對(duì)該線路板上的0603元件進(jìn)行推剪力測(cè)試，在“R124、R125、R126、C16、C57”五個(gè)元件點(diǎn)的剪切力分別為“58.14N、56.53N、51.87N、50.90N、52.35N”，焊接強(qiáng)度能達(dá)到我們的要求。

“SMT表面貼裝”制程雖然對(duì)“錫珠”的防控較為復(fù)雜，但經(jīng)過長(zhǎng)期的工作努力及經(jīng)驗(yàn)積累，相信可以做到無“錫珠”，或有效降低“錫珠”產(chǎn)生的機(jī)率。

三，“波峰焊”過程中出現(xiàn)“錫珠”的原因及預(yù)防控制辦法

       在“波峰焊”工藝過程中，“錫珠”的產(chǎn)生有兩種狀況：一種是在板子剛接觸到錫液時(shí)，因?yàn)橹竸┗虬宀谋旧淼乃葸^多或高沸點(diǎn)溶劑沒有充分揮發(fā)，遇到溫度較高的錫液時(shí)驟然揮發(fā)，較大的溫差致使液態(tài)焊錫飛濺出去，形成細(xì)小錫珠；另一種情況是在線路板離開液態(tài)焊錫的時(shí)候，當(dāng)線路板與錫波分離時(shí)，線路板順著管腳延伸的方向會(huì)拉出錫柱，在助焊劑的潤(rùn)濕作用及錫液自身流動(dòng)性的作用下，多余的焊錫會(huì)落回錫缸中，因此而濺起的焊錫有時(shí)會(huì)落在線路板上，從而形成“錫珠”。

      因此，我們可以看到，在“波峰焊”防控“錫珠”方面，我們應(yīng)該從兩個(gè)大的方面著手，一方面是助焊劑等原材料的選擇，另一方面是波峰焊的工藝控制。

（一），助焊劑方面的原因分析及預(yù)防控制辦法

1、助焊劑中的水份含量較大或超標(biāo)，在經(jīng)過預(yù)熱時(shí)未能充分揮發(fā)；

2、助焊劑中有高沸點(diǎn)物質(zhì)或不易揮發(fā)物，經(jīng)預(yù)熱時(shí)不能充分揮發(fā)；

這兩種原因是助焊劑本身“質(zhì)量”問題所引起的，在實(shí)際焊接工藝中，可以通過“提高預(yù)熱溫度或放慢走板速度等來解決”。除此之外，在選用助焊劑前應(yīng)針對(duì)供商所提供樣品進(jìn)行實(shí)際工藝的確認(rèn)，并記錄試用時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)工藝，在沒有“錫珠”出現(xiàn)的情況下，審核供應(yīng)商所提供的其他說明資料，在以后的收貨及驗(yàn)收過程中，應(yīng)核對(duì)供應(yīng)商最初的說明資料。

（二），工藝方面的原因分析及預(yù)防控制辦法

1，預(yù)熱溫度偏低，助焊劑中溶劑部分未完全揮發(fā)；

2，走板速度太快未達(dá)到預(yù)熱效果；

3，鏈條（或PCB板面）傾角過小，錫液與焊接面接觸時(shí)中間有氣泡，氣泡爆裂后產(chǎn)生錫珠；

4，助焊劑涂布的量太大，多余助焊劑未能完全流走或風(fēng)刀沒有將多余焊劑吹下；

       這四種不良原因的出現(xiàn)，都和標(biāo)準(zhǔn)化工藝的確定有關(guān)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)該嚴(yán)格按照已經(jīng)訂好的作業(yè)指導(dǎo)文件進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的校正，對(duì)已經(jīng)設(shè)定好的參數(shù)，不能隨意改動(dòng)，相關(guān)參數(shù)及所涉及技術(shù)層面主要有以下幾點(diǎn)：

（1），關(guān)于預(yù)熱：一般設(shè)定在90℃-110℃，這里所講“溫度”是指預(yù)熱后PCB板焊接面的實(shí)際受熱溫度，而不是“表顯”溫度；如果預(yù)熱溫度達(dá)不到要求，則焊后易產(chǎn)生錫珠。

（2），關(guān)于走板速度：一般情況下，建議客戶把走板速度定在1.1-1.4米/分鐘，但這不是絕對(duì)值；如果要改變走板速度，通常都應(yīng)以改變預(yù)熱溫度作配合；比如：要將走板速度加快，那么為了保證PCB焊接面的預(yù)熱溫度能夠達(dá)到預(yù)定值，就應(yīng)當(dāng)把預(yù)熱溫度適當(dāng)提高；如果預(yù)熱溫度不變，走板速度過快時(shí)，焊劑有可能揮發(fā)不完全，從而在焊接時(shí)產(chǎn)生“錫珠”。

（3），關(guān)于鏈條（或PCB板面）的傾角：這一傾角指的是鏈條（或PCB板面）與錫液平面的角度，當(dāng)PCB板走過錫液平面時(shí)，應(yīng)保證PCB零件面與錫液平面只有一個(gè)切點(diǎn)；而不能有一個(gè)較大的接觸面；當(dāng)沒有傾角或傾角過小時(shí)，易造成錫液與焊接面接觸時(shí)中間有氣泡，氣泡爆裂后產(chǎn)生“錫珠”。

（4），在波峰爐使用中，“風(fēng)刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊劑，并使助焊劑在PCB零件面均勻涂布；一般情況下，風(fēng)刀的傾角應(yīng)在10度左右；如果“風(fēng)刀”角度調(diào)整的不合理，會(huì)造成PCB表面焊劑過多，或涂布不均勻，不但在過預(yù)熱區(qū)時(shí)易滴在發(fā)熱管上，影響發(fā)熱管的壽命，而且在浸入錫液時(shí)易造成“炸錫”現(xiàn)象，并因此產(chǎn)生“錫珠”。

       在實(shí)際生產(chǎn)中，結(jié)合自身波峰焊的實(shí)際狀況，對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行選型，同時(shí)制訂嚴(yán)格《波峰焊操作規(guī)程》，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，在嚴(yán)格落實(shí)工藝技術(shù)的條件下，完全可以克服因?yàn)椤安ǚ搴负附庸に噯栴}”產(chǎn)生的“錫珠”。

四，“手工焊”過程中“錫珠”的出現(xiàn)原因及預(yù)防控制

      在“手工焊”過程中“錫珠”出現(xiàn)的機(jī)率并不高，常見的是松香飛濺，偶爾會(huì)出現(xiàn)“錫珠”的飛濺或者在焊盤的表面殘存有錫渣等；相比較松香的飛濺來講，“錫珠”或錫渣的存在對(duì)產(chǎn)品安全性更具潛在危害。

      出現(xiàn)錫渣、“錫珠”的主要原因可能是：焊劑在熱源未移開前已完全蒸發(fā)，故焊錫流動(dòng)性極差，沾附烙鐵頭隨烙鐵之抽出而形成尖、柱或短焊情形，或不小心導(dǎo)致焊錫液自烙鐵頭濺離，冷卻后沾附于板面或元件上。還有一種可能是沒有按照先將烙鐵頭放在被焊接部分進(jìn)行預(yù)熱，而是先將焊錫絲燙化，然后再放到被焊位置，因?yàn)檩^大的溫差而造成了焊錫的飛濺，從而形成“錫珠”。

     無論是上述哪種原因，更重要的是教導(dǎo)操作人員，把握正確的焊接時(shí)間及位置，適量的添加焊錫并注意及時(shí)、正確地清潔烙鐵頭。在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常對(duì)“手工焊”員工進(jìn)行專門的焊接技術(shù)培訓(xùn)，并嚴(yán)格編制《手工焊接工藝要求》，對(duì)“手工焊”進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化及可控化的工藝要求。通過長(zhǎng)時(shí)間的觀察，目前在“手工焊接作業(yè)”過程中，能夠有效地避免“錫珠”的產(chǎn)生。   

       結(jié)論：針對(duì)“錫珠”問題，我們用了半年多的時(shí)間，和相關(guān)客戶一起，共同做了大量的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同的焊接工藝進(jìn)行了細(xì)致的分析。實(shí)踐證明，通過材料選購、工藝控制等，在當(dāng)前的電子焊接制程中，完全有可能杜絕或?qū)ⅰ板a珠”產(chǎn)生的概率降至更低。

      展望未來，將針對(duì)焊錫膏配方及生產(chǎn)工藝進(jìn)行一系列的深入再研究，包括“焊錫膏中的溶劑、松香樹脂、活化劑、觸變劑、表面活性劑及其他多種類型添加劑之選用、配伍、配比等，以及焊膏生產(chǎn)工藝所涉溫度、時(shí)間等多個(gè)方面”。希望從產(chǎn)品技術(shù)角度來解決或預(yù)防“錫珠”的產(chǎn)生，以保證在焊接制程中杜絕或更少地出現(xiàn)“錫珠”，從而配合更多客戶達(dá)成焊后“免清洗”工藝。