怎样消除pcb中的锡珠

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1、消除 PCB 中的錫珠 本文介紹，一種 U 形模板開孔確定的錫膏沈澱可以防止錫珠的形成。焊錫由各種金屬合金組成。由印刷電路板(PCB)裝配商使用的錫/鉛合金 (Sn63/Pb37)是錫膏和用於波峰焊接的錫條或錫線的典型粉末。在 PCB 上不是設 計所需的位置所找到的焊錫包括錫塵(solder fine)、錫球(solder ball)和錫珠(solder bead)。錫塵是細小的，尺寸接近原始錫膏粉末。對於-325+500 的網目尺寸，粉 末直徑是 25-45 微米，或者大約 0.0010-0.0018“。錫塵是由顆粒的聚結而形成的， 所以大於原始的粉末尺寸。錫珠(solder beading

2、)是述語，用來區分一種對片狀元件獨特的錫球(solder balling)(圖一)。錫珠是在錫膏塌落(slump)或在處理期間壓出焊盤時發生的。在回 流期間，錫膏從主要的沈澱孤立出來，與來自其他焊盤的多餘錫膏集結，或者 從元件身體的側面冒出形成大的錫珠，或者留在元件的下面。圖一、錫珠IPC-A-610 C 將 0.13mm(0.00512“)直徑的錫球或每 600mm2(0.9in2)面積上少於 五顆分爲第一類可接受的，並作爲第二與第三類的工藝標記2。IPC-A-610 C 允許“夾陷的”不干擾最小電氣間隙的錫球。可是，即使是“夾陷的”錫球都可 能在運輸、處理或在一個振動應用的最終使用中變成移

3、動的。錫球已經困擾表面貼裝工業許多年。對於只表面貼裝和混合技術的 PCB， 錫珠在許多技術應用中都遇到。查明相互影響和除掉錫珠的原因可以改善合格 率、提供品質、提高長期的可靠性、和降低返工與修理成本。錫珠的原因錫珠的原因人們已經將錫珠歸咎於各種原因，包括模板(stencil)開孔的設計、錫膏的成 分、阻焊層的選擇、模板清潔度、定位、錫膏的重印、焊盤的過分腐蝕、貼片 壓力、回流溫度曲線、波峰焊錫的飛濺、和波峰焊錫的二次回流。3-5模板開孔的設計模板開孔的設計模板開孔的形狀是在免洗錫膏應用中的一個關鍵設計參數。形成一個具有 良好焊腳的高質量可靠的焊接點要求有足夠的錫膏。過多的錫膏沈澱是錫珠的 主要

4、原因。爲了解決在片狀元件上的錫珠問題，已經推薦了各種模板設計形式。最流 行的是 homeplate 開孔設計(圖二)。據說這種 homeplate 設計可以在需要的地方準 確地提供錫膏，從片狀元件的角上去掉過多的錫膏。可是，homeplate 設計帶來 錫膏的粘附區域不足的問題，造成元件偏位。錫膏提供很小的與零件接觸的面 積。一個貼裝 50%偏位元的零件與濕潤的錫膏接觸的面積甚至更少。除此而外， homeplate 設計不能消除片狀元件下面和相鄰位置的錫珠。錫膏還是直接在元件 的中間出現，從這裏它可能在回流期間轉移到不希望的位置。在探討各種形狀的模板開孔期間，在片狀元件下面出現過多錫膏的模板設

5、 計包括：homeplate 模板(圖二) 比矩形片狀元件焊盤形狀減少 85%的模板(圖三) 對片狀元件的 T 形開孔模板(圖四) 圖二、Homeplate 開孔模板 圖三、減少 85%的模板圖四、T 形開孔模板homeplate 模板減少在片狀元件上的錫珠數量，但是不能完全消除。減少 85%的 模板有 80%的片狀元件出現錫珠。T 形模板可去掉 50%的錫珠。因此，這三種 模板沒有哪個可以持續地消除錫珠，同時在裝配期間提供足夠的粘附力來將元 件固定在位。錫膏配方錫膏配方較新一代的錫膏提供較長的模板壽命、提高粘性時間、松脆與持續的印刷 清晰度、對各種板和元件金屬的良好的可焊性、以及測試探針可測

6、試殘留物。 可是，如果模板設計與回流曲線沒有適當地考慮，需要用來獲得這些特性的溶 劑與活性劑成分也可能增加錫珠出現機會。阻焊層的選擇阻焊層的選擇阻焊塗層可以影響到錫膏。阻焊層類型與錫珠出現頻率的關係從過去的經 驗上看是明顯的。阻焊層可以有一種不光滑的或光滑的表面塗層。不光滑的塗 層傾向於産生較少的錫珠，因爲它提供對殘留的立足之地，因而減少殘留的擴 散。光滑的塗層産生較多的錫珠，因爲助焊劑在液態時可能更容易擴散。模板清潔度模板清潔度模板底面的弄髒可能造成錫珠和錫橋。可能的原因包括過高的刮刀 (squeegee)壓力、不經常與不正確的模板底部擦拭或圓頂狀焊盤的密封差，圓頂 狀焊盤是在使用熱風焊錫均

7、塗法(HASL)對板進行表面塗敷時形成的。定位定位印刷的定位對維持良好的工藝持續性是關鍵的。錫膏對準不好可能造成錫 橋、在焊盤與阻焊之間間隙中的錫塵、和錫珠。對準不好可能消除良好的密封 效果和造成錫膏的滲漏。印偏出焊盤的錫膏可能在回流期間不能完全集結。錫膏的疊印與焊盤的過分腐蝕錫膏的疊印與焊盤的過分腐蝕製造比設計大的模板開孔和焊盤的過分腐蝕是疊印的兩個潛在原因。過多 的錫膏沈澱在焊盤上是錫珠的主要原因。對於密間距(fine-pitch)元件，存在錫塵的危險。在助焊劑液化和在焊盤之間 流動時，對於非焊錫阻焊界頂的焊盤，錫塵可以到達焊盤與阻焊之間的間隙內。 這些錫塵可能留在井道內，在回流期間不被吸

8、回到焊接點上。雖然有免洗助焊 劑包圍住，不能移動，但是錫塵不應該出現在相鄰焊盤之間，特別是對於 QFP(quad flat pack)。在密間距引腳之間的阻焊數量有錫塵的出現有關。減少或消除兩個 QFP 焊 盤之間的阻焊區域可能增加錫塵問題。在最近的一個試驗中，在一個 20-mil 間距的元件上 10 個焊盤之間找到 47 顆錫塵。爲了解決這個問題，開孔的尺寸減小，以提供密封和錫膏在焊盤上乾 淨地釋放。減少如下所描述的錫膏開孔消除了錫塵的原因。元件貼裝壓力元件貼裝壓力錫膏的任何塌落或過高的貼裝壓力都將造成一些錫膏沈澱跑出焊盤，大大 地增加回流期間錫珠的形成機會。在元件貼裝期間使用適當的壓力將元

9、件直接 放到錫膏中，但不會將錫膏擠到一個不希望的位置。回流溫度曲線回流溫度曲線從錫膏製造商那裏的回流溫度曲線一般提供一個較寬的操作範圍。在這個 可接受的範圍內，幾個不同的特性影響助焊劑和焊接點形成的效果。一個慢的線性預熱允許錫膏中的溶劑逐漸蒸發，減少諸如熱塌落和飛濺發 生的機會。可接受的升溫率一般低於每秒 2C。已經發現每秒 1.3C 的速率是最 有效的。這個速率允許助焊劑緩慢激化，在完成其目的之前不被蒸發掉。回流以上的時間影響與銅基材料形成的金屬間化合物的數量。可接受的回 流以上時間爲 45-90 秒鐘。峰值溫度可以影響産品的長期壽命。溫度越低，元件上的應力越小。一般， 除非特殊零件要求，2

10、30C 是最高溫度。波峰焊錫飛濺波峰焊錫飛濺波峰焊接工藝也可能造成 PCB 的元件面上的錫珠。如果助焊劑預熱不適當， 在 PCB 進入波峰之前有水留在板上的話，飛濺就可能發生。隨機的錫球可能附 著在 PCB 和元件上。波峰高度可能造成過多的焊錫在通孔或旁路孔內起泡和飛 濺。錫球可能在錫鍋工藝中發生。波峰焊錫的二次回流波峰焊錫的二次回流板通過波峰焊接工藝的速度可能太慢，造成元件面上的第二次回流。慢速 可能會讓焊錫移動，造成 QFP 引腳鬆動。QFP 引腳鬆動在外表看上去是好焊點， 但在後面的測試中變成開路。有壓力接觸的開路可能允許電路通過測試，而不 表現爲開路。製造商推薦的通過預熱和波峰的最高頂

11、面溫度必須維持。焊接試驗焊接試驗一種試驗設計(DOE, design of experiment)用來測量在錫膏、模板開孔設計和 回流溫度曲線的預熱部分之間的相互作用，以決定錫珠的原因。使用共晶 Sn63/Pb37 合金的錫膏包括：錫膏一：水溶性錫膏 錫膏二：免洗、探針可測試錫膏 錫膏三：合成松香免洗錫膏 錫膏通過在線絲印機來印刷，使用視覺檢查錫膏沈澱的均勻性。刮刀速度 每分鐘 1.5 英寸，用來刮印一英寸厚的錫膏條。使用了兩種不同的模板形狀：矩形的 85%焊盤尺寸(圖三)和 U 形的 85%焊 盤覆蓋(圖五)。在 U 形的模板上，片狀元件下面的中間部分是沒有錫膏的。模 板材料是 0.006“

12、厚度的不銹鋼，化學腐蝕。這種設計已經證明可以提供連續的 錫膏沈澱。圖五、U 形開孔的模板使用的兩種回流溫度曲線主要是其預熱部分不同。錫膏製造商推薦的溫度 曲線的特點是很寬的工藝視窗。一條曲線的預熱區是很緩慢和低溫的，升溫率爲每秒 1.3C。這條曲線沒有 平臺的預熱保溫區，而是緩慢地升溫到峰值溫度。另一條曲線使用一種更傳統 形狀的預熱、保溫和升溫到峰值溫度。使用具有上下加熱的強制對流回流焊接 爐。壓力均勻。用於本試驗的 PCB 是 124 平方英寸、高密度貼裝和貼裝後重量爲 381 克。 由 FR-4 材料製成，具有光滑的阻焊表面塗層。單在 PCB 的底面就使用了超過 400 個片狀元件。使用模

13、板將錫膏印刷到 PCB 的元件焊盤上。使用自動貼裝設備，PCB 裝配得到回流焊接。然後在元件面印刷錫膏，貼裝和回流焊接。在這些操作之後，通孔元件用手工插件到 PCB 上。然後將板放在一個選擇 性焊接託盤上，在一個雙波氮氣覆蓋系統內進行波峰焊接。使用超聲波噴霧將 一種低固、水基免洗助焊劑噴霧在 PCB 的底面上，底面對流加熱用來將它預熱。PCB 裝配就這樣連續地製造出來。使用的判斷標準是按照 IPC-A-610C。該試驗是一個自由度的方差分析(ANOVA)。試驗設計(DOE)是一個八次運算 的基本 Plackett-Burman 混合電路。回應的變數是錫珠。主要結果主要結果該試驗的主要結果在表一

14、中列出。另外，一種圖形技術 - scree plotting - 用 來分析該試驗的結果(圖六)。表一、焊接試驗的主要結果設定結果運行 系列錫膏 曲線 模板元件面過錫面81-81升溫 U 形、85% 一個無錫無缺陷79-161升溫85%無缺陷錫珠、所有卡617-24 1回流85%錫珠錫珠、所有卡525-32 1回流 U 形、85% 無缺陷無缺陷433-40 2升溫 U 形、85% 無缺陷兩個錫橋341-48 2回流85%錫珠、所有卡 錫珠、所有卡249-56 3升溫85%錫珠、所有卡 錫珠、所有卡157-64 3回流 U 形、85% 無缺陷無缺陷圖六、爲錫珠的 scree 作圖在其他産品上用相

15、同的模板開孔進行了探索性試驗。隨後的試驗證實了對片狀元件使用 U 形開孔咳消除錫珠。這種 U 型在其所需要的位置提供準確的錫 膏，而沒有在可能造成錫珠從片狀元件身體下面擠出的地方提供錫膏。Scree 作圖爲分析方差分析結果提供圖形工具。單詞 scree 描述的是在懸崖 底部的碎石。scree 作圖以幅值下降的順序結合方差分析的平方和，將這些點連 接形成“懸崖”曲線。圖六中在“懸崖”底部的“碎石”代表背景噪音，而 “懸崖”代表資料中出現的重要信號。對錫珠的 scree 作圖表明了所選摩板開孔的關鍵性。其他的因素不提供信號， 不造成錫珠的形成。錫膏中的助焊劑在零件下面交替的焊盤之間結合，細小的 錫

16、塵集結成爲錫珠，從片狀元件下面擠出，附著在元件邊上。U 形開孔的模板只在其需要的地方出現錫膏，在片狀元件身體的邊緣，不 直接在身體的中間下面。這樣一來，如果片狀元件貼放偏離位置，錫膏沈澱足 夠在整個過程和回流焊接中維持住零件。在 QFP 元件上的錫塵通過減少焊盤開孔而消除。對於密間距(0.050“)元件， 錫膏開孔與焊盤的形狀相同，開口爲焊盤長度的 75%，焊盤寬度的 85%，中心 在焊盤上。這種結構減少相鄰焊盤之間的短路發生。提供給表面貼裝元件的錫膏數量與位置的改善直接影響錫珠與錫塵的出現 與不出現。通過在適當的位置提供適量的錫膏，最終産品的品質可以大大提高。 爲片狀元件結合使用 U 形開孔，大大地減少錫珠的發生。對 QFP 焊盤的減小， 消除了相鄰焊盤之間的錫塵。結合適當的焊盤尺寸與形狀可爲 PCB 裝配的生産 形成較高品質的工藝。