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)，則不可能達到“免清洗”的要求，因此“錫珠”的預防與控制在實施“免清洗”過程中就顯得格外重要?！板a珠”的出現(xiàn)不僅影響板級產(chǎn)品外觀，更為嚴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，我們從這三個方面來一一探討“錫珠”出現(xiàn)的原因及預防控制的辦法。因為“波峰焊”及“手工焊”已推行多年，很多方面都已經(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，關于的“錫珠”形態(tài)及標準

       一些行業(yè)標準對“錫珠”問題進行了闡釋。主要有MIL-STD-2000標準中的“不允許有錫珠”，而IPC-A-610C標準中的“每平方英寸少于5個”。在IPC-A-610C標準中，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標準沒有對錫珠現(xiàn)象做更清楚的規(guī)定，有關每平方英寸少于5個錫珠的規(guī)定已經(jīng)被刪除。有關汽車和軍用產(chǎn)品的標準則不允許出現(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)的原因及預防控制辦法

        在“SMT表面貼裝”焊接制程中，回流焊的“溫度、時間、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，并加以預防與控制就是達成板面無“錫珠”的關鍵之所在。

（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會結合而不易在氣化時被吹散，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增高，這就不利于熔融焊料的完全“潤濕”從而導致細小錫珠產(chǎn)生。  

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

4，焊膏抗熱坍塌效果。在回流焊預熱段，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，當進入焊接區(qū)時，焊料開始熔融，因為內(nèi)應力的作用，焊膏收縮成焊點并開始浸潤爬升至焊接端頭，有時因為焊劑缺失或其他原因?qū)е潞父鄳Σ蛔?，有一少部分焊盤外的焊膏沒有收縮回來，當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），使用不當形成 “錫珠”的原因分析

1，“錫珠”在通過回流焊爐時產(chǎn)生的。我們大致可以將回流焊過程分為“預熱、保溫、焊接和冷卻”四個階段?！邦A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，減少對元件的熱沖擊。而在這一過程中焊膏內(nèi)部會發(fā)生氣化現(xiàn)象，這時如果焊膏中金屬粉末之間的粘結力小于焊劑氣化產(chǎn)生的力，就會有少量“焊粉”從焊盤上流下或飛出，在“焊接”階段，這部分“焊粉”也會熔化，從而形成“錫珠”。由此可以得出這樣的結論“預熱溫度越高，預熱速度越快，就會加劇焊劑的氣化現(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熱溫度和預熱速度來控制“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致“坍塌”從而形成“錫珠”。在制作鋼網(wǎng)（模板）時，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焊盤接觸面積10％，結果表明這樣會使“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，當元件壓在焊膏上時，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，在貼裝時應選擇適當?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，會使膏體表面產(chǎn)生水分，這些水分在經(jīng)過預熱時會造成焊粉飛出，在焊接段會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，一般要在室溫下回溫4-5小時再開啟瓶蓋。

5，生產(chǎn)或工作環(huán)境也影響“錫珠”的形成，當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)細小的水珠，這些水分和焊膏吸潮的水分一樣，會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行一定的烘干，然后進行印刷及焊接，能夠有效地抑制“錫珠”的形成。

6，焊膏與空氣接觸的時間越短越好，這也是使用焊膏的一個原則。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，否則對焊膏的壽命會有一定的影響，同時會造成焊膏的干燥加快或在下次再使用時吸潮，從而形成“錫珠”。

      由此可見，“錫珠”的出現(xiàn)有很多原因，只從某一個方面進行預防與控制是遠遠不夠的。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”預防與控制

1，焊膏的選用

       在選擇焊膏時，應堅持在現(xiàn)有工藝條件下的試用，這樣，既能驗證供應商焊膏對自身產(chǎn)品、工藝的適用性，也能初步了解該焊膏在實際使用中的具體表現(xiàn)。對焊膏方面的評估，應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參數(shù)都最優(yōu)異，更多的情況下，對于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，在以后的供應商交貨過程中做出品管驗收及品檢的依據(jù)，一方面核對供應商所提供的書面資料，另一方面取少量不同批次的產(chǎn)品進行試用。

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

2，“SMT表面貼裝”工藝控制與改進

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

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

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

（3），在攪拌過程中，應該按照供應商所提供的攪拌方法及攪拌時間進行攪拌；

（4），在印刷過種中，應該注意印刷的力度，及鋼網(wǎng)表面的清潔度，及時擦拭鋼網(wǎng)表面多余的焊膏殘留，防止在這個過程污染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，應嚴格按照已經(jīng)訂好的回流焊曲線進行作業(yè)，不得隨意調(diào)整；同時應該經(jīng)常校驗回流焊曲線與標準曲線的差異并修正；

（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”。在相關實驗中，我們對鋼網(wǎng)進行了改進，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，改后試驗效果較好“錫珠”產(chǎn)生的機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，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：

      按照多次的對比實驗，并結合“圖二”可以看出，通過修改前后三次的效果對比，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“SMT表面貼裝”制程中的“錫珠”防控還是有一定效果的。同時我們對更改后的焊接產(chǎn)品送到“賽寶實驗室”進行檢測（報告編號為“FX03-2081691”），通對該線路板上的0603元件進行推剪力測試，在“R124、R125、R126、C16、C57”五個元件點的剪切力分別為“58.14N、56.53N、51.87N、50.90N、52.35N”，焊接強度能達到我們的要求。

“SMT表面貼裝”制程雖然對“錫珠”的防控較為復雜，但經(jīng)過長期的工作努力及經(jīng)驗積累，相信可以做到無“錫珠”，或有效降低“錫珠”產(chǎn)生的機率。

三，“波峰焊”過程中出現(xiàn)“錫珠”的原因及預防控制辦法

       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，因為助焊劑或板材本身的水份過多或高沸點溶劑沒有充分揮發(fā)，遇到溫度較高的錫液時驟然揮發(fā)，較大的溫差致使液態(tài)焊錫飛濺出去，形成細小錫珠；另一種情況是在線路板離開液態(tài)焊錫的時候，當線路板與錫波分離時，線路板順著管腳延伸的方向會拉出錫柱，在助焊劑的潤濕作用及錫液自身流動性的作用下，多余的焊錫會落回錫缸中，因此而濺起的焊錫有時會落在線路板上，從而形成“錫珠”。

      因此，我們可以看到，在“波峰焊”防控“錫珠”方面，我們應該從兩個大的方面著手，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防控制辦法

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

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

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

（二），工藝方面的原因分析及預防控制辦法

1，預熱溫度偏低，助焊劑中溶劑部分未完全揮發(fā)；

2，走板速度太快未達到預熱效果；

3，鏈條（或PCB板面）傾角過小，錫液與焊接面接觸時中間有氣泡，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刀沒有將多余焊劑吹下；

       這四種不良原因的出現(xiàn)，都和標準化工藝的確定有關，在實際生產(chǎn)過程中，應該嚴格按照已經(jīng)訂好的作業(yè)指導文件進行各項參數(shù)的校正，對已經(jīng)設定好的參數(shù)，不能隨意改動，相關參數(shù)及所涉及技術層面主要有以下幾點：

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

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

（3），關于鏈條（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PCB板走過錫液平面時，應保證PCB零件面與錫液平面只有一個切點；而不能有一個較大的接觸面；當沒有傾角或傾角過小時，易造成錫液與焊接面接觸時中間有氣泡，氣泡爆裂后產(chǎn)生“錫珠”。

（4），在波峰爐使用中，“風刀”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，風刀的傾角應在10度左右；如果“風刀”角度調(diào)整的不合理，會造成PCB表面焊劑過多，或涂布不均勻，不但在過預熱區(qū)時易滴在發(fā)熱管上，影響發(fā)熱管的壽命，而且在浸入錫液時易造成“炸錫”現(xiàn)象，并因此產(chǎn)生“錫珠”。

       在實際生產(chǎn)中，結合自身波峰焊的實際狀況，對相關材料進行選型，同時制訂嚴格《波峰焊操作規(guī)程》，并嚴格按照相關規(guī)程進行生產(chǎn)。經(jīng)過實驗證明，在嚴格落實工藝技術的條件下，完全可以克服因為“波峰焊焊接工藝問題”產(chǎn)生的“錫珠”。

四，“手工焊”過程中“錫珠”的出現(xiàn)原因及預防控制

      在“手工焊”過程中“錫珠”出現(xiàn)的機率并不高，常見的是松香飛濺，偶爾會出現(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行預熱，而是先將焊錫絲燙化，然后再放到被焊位置，因為較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，更重要的是教導操作人員，把握正確的焊接時間及位置，適量的添加焊錫并注意及時、正確地清潔烙鐵頭。在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常對“手工焊”員工進行專門的焊接技術培訓，并嚴格編制《手工焊接工藝要求》，對“手工焊”進行標準化及可控化的工藝要求。通過長時間的觀察，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。   

       結論：針對“錫珠”問題，我們用了半年多的時間，和相關客戶一起，共同做了大量的實驗，并對不同的焊接工藝進行了細致的分析。實踐證明，通過材料選購、工藝控制等，在當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，將針對焊錫膏配方及生產(chǎn)工藝進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、時間等多個方面”。希望從產(chǎn)品技術角度來解決或預防“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成焊后“免清洗”工藝。