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1、回流焊过程中焊料球的成因及对策摘要：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。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，造成电气噪声，甚至短路，并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。本文将主要讨论焊料成球的原因，及其对组装的影响，并提出解决办法。通孔波峰焊接和回流焊接是电子组装互连的两种主要基本方式。其中SMT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
2、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。因此，通过了解产生各种缺陷的基本原理，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。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
3、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。本文将主要 讨论焊料成球的原因，及其对组装的影响；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。焊料球的位置及其成因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，以小颗粒状出现。其产生的主要原因是在金属焊点的形成过程中，熔融的金属合 金的飞溅所致。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。飞溅过程中，部分小 滴焊料会随焊剂一起
4、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，以及加热不当等，都会使焊料球产生的可能 性大大增加。被焊接的表面或者锡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、化学反应等过程不一致，继而焊剂的热行为也受到很大 的影响，最终导致焊料球的形成。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熔融焊料的表面张力，在气泡破裂的时候，带走更多的颗 粒。但是如果气泡留在
5、焊料内，又容易形成空洞。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。又如不当的锡膏回温过程（从冰箱中拿出锡膏，过早地打开瓶盖，导致 水蒸气凝聚），也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，同样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。回流焊过程中的不同阶段，会导致不同的问 题。升温阶段是非常重要的，应该很小心地设计和调整，以免焊料球的产生
6、。同时，升温阶段对于其他缺 陷如桥连、立碑、空洞、焊料抽芯等的控制也至关重要。冷却阶段也不能忽视，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。测试试验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，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
7、策。采用60600.6mm的陶瓷基板用作印刷基板，因为其成分是AI2O3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。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+25C)，而SnAg3Cu0.5的情况则为242 C。锡膏会在
8、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。结果与分析结果表明，传统锡铅锡膏的焊料球要少于无铅锡膏。在锡铅锡膏样品中的平均焊料球的数目为510 个，而在无铅锡膏样品中则为1015个。在锡铅锡膏样品中焊料球的直径大约在3050微米范围内，而在 无铅锡膏样品中为4050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。回流过程中温度曲线的斜率会影响焊料球的形成。较大的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
9、形开始收缩为止，其升温斜率经过测量，大致为1015oC每秒。较高的斜率在这个阶段会引起锡膏内气体的快速逸出，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逸出，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
10、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 定要确认其焊料球性能，以防止因此而导致的失
11、效，返修等问题，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。iH IJ最坏情況图2焊料测试的不利情况（a）无铅镉曾样品卩）镉铅锡音样品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，留在阻焊膜（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，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
12、的回收，以及消极的助焊作用 而且残渣的性能很差。ffi-3焊料球测试的较坏结果（使用本地焊曹）这里要提起注意的是，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 生成情况。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。温度曲线设置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
13、的可靠性。典型的回流曲线分 为预热区、升温浸润区、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 是错误结果的问题。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，会产生很多麻烦。在预热的时候，我们推荐23分钟内预热到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很大，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，
14、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的发生。在升温区，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 能缓慢挥发，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。结论 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 510 个，而无铅锡膏为1015 个，两种类型的测试典型结果令 人满意。
