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回流焊工藝

十六種常見回流焊接缺陷解決方法

發布時間:2020-02-22  新聞來源:

回流焊接是指利用焊锡膏将多个SMT电子元件连接到接触垫上之后,透过控制加温来熔化焊料以达到永久接合,常用回流焊接设备是回流焊机、smt工艺中出问题最多的工艺阶段就是回流焊接,回流焊机生产厂家广晟德总结了十六種常見回流焊接缺陷解決方法供大家分享参考。
回流焊机

一、回流焊點不潤濕/潤濕不良
润湿不良

通常潤濕不良是指焊點焊錫合金沒有很好的鋪展開來,從而無法得到良好的焊點並直接影響到焊點的可靠性。

産生原因:

1.焊盤或引腳表面的鍍層被氧化,氧化層的存在阻擋了焊錫與鍍層之間的接觸;

2.鍍層厚度不夠或是加工不良,很容易在組裝過程中被破壞;

3.焊接溫度不夠。相對SnPb而言,常用無鉛焊錫合金的熔點升高且潤濕性大爲下降,需要更高的焊接溫度來保證焊接質量;

4.預熱溫度偏低或是助焊劑活性不夠,使得助焊劑未能有效去除焊盤以及引腳表面氧化膜;

5.還有就是鍍層與焊錫之間的不匹配業有可能産生潤濕不良現象;
 
6.越來越多的采用0201以及01005元件之後,由于印刷的錫膏量少,在原有的溫度曲線下錫膏中的助焊劑快速的揮發掉從而影響了錫膏的潤濕性能;

7.釺料或助焊劑被汙染。

防止措施:

1.按要求儲存板材以及元器件,不使用已變質的焊接材料;

2.選用鍍層質量達到要求的板材。一般說來需要至少5μm厚的鍍層來保證材料12個月內不過期;

3.焊接前黃銅引腳應該首先鍍一層1~3μm的鍍層,否則黃銅中的Zn將會影響到焊接質量;

4.合理設置工藝參數,適量提高預熱或是焊接溫度,保證足夠的焊接時間;

5.氮氣保護環境中各種焊錫的潤濕行爲都能得到明顯改善;

6.焊接0201以及01005元件時調整原有的工藝參數,減緩預熱曲線爬伸斜率,錫膏印刷方面做出調整。

二、回流焊接後黑焊盤
smt黑焊盘

黑焊盤指焊盤表面化鎳浸金(ENIG)鍍層形態良好,但金層下的鎳層已變質生成只要爲鎳的氧化物的脆性黑色物質,對焊點可靠性構成很大威脅。

産生原因:黑盘主要由Ni的氧化物组成,且黑盘面的P含量远高于正常Ni面,说明黑盘主要发生在槽液使用一段时间之后。

1.化鎳層在進行浸金過程中鎳的氧化速度大于金的沈積速度,所以産生的鎳的氧化物在未完全溶解之前就被金層覆蓋從而産生表面金層形態良好,實際鎳層已發生變質的現象;

2.沈積的金層原子之間比較疏松,金層下面的鎳層得以有繼續氧化的機會。在GalvanicEffect的作用下鎳層會繼續劣化。

目前還沒有切實有效防止措施的相關報道,但可以從以下方面進行改善:

1.減少鎳槽的壽命,生産中嚴格把關,控制P的含量在7%左右。鎳槽使用壽命長了之後其中的P含量會增加,從而會加快鎳的氧化速度;

2.鎳層厚度至少爲4μm,這樣可以使得鎳層相對平坦;金層厚度不要超過0.1μm,過多的金只會使焊點脆化;

3.焊前烘烤板對焊接質量不會起太大促進作用。黑焊盤在焊接之前就已經産生,烘烤過度反而會使鍍層惡化;

4.浸金溶液中加入還原劑,得到半置換半還原的複合金層,但成本會提高2.5倍。

三、回流焊接後焊點連錫橋連
回流焊连锡

焊錫在毗鄰的不同導線或元件之間形成的非正常連接就是通常所說的橋連現象。

産生原因:

1.線路分布太密,引腳太近或不規律;

2.板面或引腳上有殘留物;

3.預熱溫度不夠或是助焊劑活性不夠;

4.錫膏印刷橋連或是偏移等。

注:一定搭配的焊盤與引腳焊點在一定條件下能承載的釺料(錫膏)量是一定的,處理不當多余的部分都可能造成橋連現象。

1.合理設計焊盤,避免過多采用密集布線;

2.適當提高焊接預熱溫度,同時可以考慮在一定範圍內提高焊接溫度以提高焊錫合金流動性;

3.氮氣環境中橋連現象有所減少。

返修:

産生橋連現象的焊點可以用電烙鐵進行返修處理。

四、回流焊後焊點不共面/脫焊
虚焊

脫焊容易造成橋連、短路、對不准等現象。

産生原因:

1.元件引腳扁平部分的尺寸不符合規定的尺寸;

2.元件引脚共面性差,平面度公差超过±0.002 英寸,扁平封装器件的引线浮动;

3.当 SMD 被夹持时与别的器件发生碰撞而使引脚变形翘曲;

4.焊膏印刷量不足,貼片機貼裝時壓力太小,焊膏厚度與其上的尺寸不匹配。

防止措施:

1.選用合格的元件;

2.避免操作過程中的損傷;

3.焊膏印刷均勻。

五、回流焊接後元件立碑(墓碑)
立碑

墓碑现象指元件一端脱离焊锡,直接造成组装板的失效。 産生原因:墓碑的产生与焊接过程中元件两端受力不均匀有关,组装密集化之后该现象更为突出。

1.錫膏印刷不均勻;

2.元件貼片不精確;

3.溫度不均勻;

4.基板材料的導熱系數不同以及熱容不同;

5.氮氣情況下墓碑現象更爲明顯;

6.元件與導軌平行排列時更容易出現墓碑現象。

防止措施:

1.提高整個過程中的操作精度—印刷精度、貼片精度、溫度均勻性;

2.紙基、玻璃環氧樹脂基、陶瓷基,出現墓碑的概率依次減少;

3.對板面元件分布進行合理設計。

六、回流焊接後線路板有助焊劑殘留
助焊剂残留

板面存在較多的助焊劑殘留的話,既影響了板面的光潔程度,同時對PCB板本身的電氣性也有一定的影響。

産生原因:

1.助焊劑(錫膏)選型錯誤。比如要求采用免清洗助焊劑的場合卻采用松香樹脂型導致殘留較多;

2.助焊劑中松香樹脂含量過多或是品質不好容易造成殘留過多;

3.清洗不夠或是清洗方法不當不能有效清除表面殘留;

4.工藝參數不相匹配,助焊劑未能有效揮發掉。

防止措施:

1.正確選用助焊劑;

2.對需要清洗的板進行恰當的清洗處理。

七、回流焊接後焊點錫瘟

産生原因:13℃或更低的温度条件下Sn会发生同素异形转变,由灰白色的β-Sn(四角形晶体结构)转变为白色脆性的粉末状α-Sn(立方晶体结构),该转变速度在-30℃的时候达到最大值。航空以及军事电子经常在该转变温度范围内作业,其长期可靠性受到了极大的挑战。使用无铅钎料合金同样发现锡瘟现象的存在。

防止措施:

可以通過Sn的合金化來防止甚至是消除錫瘟,比如Sn與Bi、Sb的合金或是與Sn有良好互溶性的Pb。Bi、Sb可以在Sn只溶解0.5%或是更少,但是Pb的溶解量至少要達到5%才能起到作用。傳統的SnPb共晶中Pb的含量在37%,所以以前並沒有發現錫瘟現象。

八、回流焊接後元件側貼/元件反貼
元件侧贴

電阻反貼不可接受,電容反貼雖不可接受,但不會造成太大影響。側貼元件還會影響到下一步的組裝。

産生原因:在元件编带时就反装,电阻反贴意味着元件相对下边缘更少的绝缘长度(仅仅是剥离层和焊膏阻层),贴装前检查喂料器就可以消除。

返修:

不足的焊膏使用專業的釺焊烙鐵可以移處。加一些助焊劑到焊點上,再放置一些斷續的纖維,把釺焊烙鐵尖放到釺焊合金的上表面進行加熱,直到焊膏合金溶化後進入纖維後擡起來。一次不行可以多次。使用焊膏絲重新釺焊元件端部。如果必要的化使用異丙醇、棉花球、或軟抹布清洗,直到焊劑被去除。

九、回流焊接後線路板面錫球(錫珠)
锡珠

板上粘附的直徑大于0.13mm或是距離導線0.13mm以內的球狀錫顆粒都被統稱爲錫球。錫球違反了最小電氣間隙原理會影響到組裝板的電氣可靠性。

注:IPC規定600mm2內多于5個錫球則被視爲缺陷。

産生原因:锡球的产生与焊点的排气过程紧密相连。焊点中的气氛如果未及时逸出的话可能造成填充空洞现象,如果逸出速度太快的话就会带出焊锡合金粘附到阻焊膜上产生锡球,焊点表面已凝固而内部还处于液态阶段逸出的气体可能产生针孔。

1.板材中含有過多的水分;

2.阻焊膜未經過良好的處理。阻焊膜的吸附是産生錫球的一個必要條件;

3.助焊劑使用量太大;

4.預熱溫度不夠,助焊劑未能有效揮發;

5.印刷中的粘附板上的锡膏颗粒容易造成锡球现象。 防止措施:

1.)合理設計焊盤;

2.)通孔銅層至少25μm以避免止板內所含水汽的影響;

3.)采用合適的助焊劑塗敷方式,減少助焊劑中混入的氣體量;

4.)適當提高預熱溫度;

5.)對板進行焊前烘烤處理;

6.)采用合適的阻焊膜。相對來說平整的阻焊膜表面更容易産生錫球現象。

十、回流焊接後IC元件芯吸
IC芯吸

現象:焊料從焊點位置爬上引腳,而沒能實現引腳與焊盤之間的良好結合。

産生原因:

1.元器件的引腳的比熱容小,在相同的加熱條件下,引腳的升溫速率大于PCB焊盤的速率;

2.印刷電路板焊盤可焊性差;

3.過孔設計不合理,影響了焊點熱容的損失;

4.焊盤鍍層可焊性太差或過期;

解決方法:

1.使用较慢的加热速率,降低 PCB焊盘和引脚之间的温差;

2.選用合適的焊盤鍍層;

3.PCB板過孔的設計不能影響到焊點的熱容損失。 

十一、回流焊接後焊點空洞
回流焊点空洞

焊點內部填充空洞的出現與助焊劑的蒸發不完全有關。焊接過程中助焊劑使用量控制不當的很容易出現填充空洞現象。少量的空洞的出現對焊點不會造成太大影響,但大量出現就會影響到焊點可靠性。

産生原因:

1.錫膏中助焊劑比例偏大,難以在焊點凝固之前完全逸出;

2.預熱溫度偏低,助焊劑中的溶劑難以完全揮發,停留在焊點內部就會造成填充空洞現象;

3.焊接時間過短,氣體逸出的時間不夠的話同樣會産生填充空洞;

4.無鉛焊錫合金凝固時一般存在有4%的體積收縮,如果最後凝固區域位于焊點內部的話同樣會産生空洞;

5.操作過程中沾染的有機物同樣會産生空洞現象;

預防措施:

1.調整工藝參數,控制好預熱溫度以及焊接條件;

2.錫膏中助焊劑的比例適當;

3.避免操作過程中的汙染情況發生。

十二、回流焊接後BGA空洞
BGA焊点空洞

産生原因:

1.錫膏中助焊劑作用的結果;

2.表面張力作用的結果;

3.溫度曲線設置不當,BGA焊球由于位于元件下方,因此常常與其他區域存在有一定溫差,需要合理設置溫度曲線;

4.板材中含有的水分在焊接過程中進入到焊球當中;

5.如果有鉛元件搭配無鉛錫膏的話,錫鉛合金提前熔化並覆蓋住無鉛合金,使得無鉛合金中的助焊劑難以逸出從而産生填充空洞。

防止措施:

1.合理設置溫度曲線;

2.避免無鉛材料與有鉛材料的混用;

3.不使用過期板材。

十三、回流焊接後元件偏移
元件偏移

一般說來,元件偏移量大于可焊端寬度的50%被認爲是不可接受的,通常要求偏移量小于25%。

産生原因:

1.貼片機精度不夠;

2.元件的尺寸容差不符合;

3.焊膏粘性不足或元件贴装时压力不足,传输过程中的振动引起SMD 移动;

4.助焊剂含量太高,再流焊时助焊剂沸腾,SMD 在液态钎剂上移动;

5.焊膏塌邊引起偏移;

6.錫膏超過使用期限,助焊劑變質所致;

7.如元件旋轉,則由程序旋轉角度錯誤;

9.如果同樣程度的元件錯位在每塊板上都發現,那程序需要被修改,如果在每塊板上的錯位不同,那麽很可能是板的加工問題或位置錯誤;

10.元件移动或是贴片错位对于 MELF 元件很普通,由于他们的造型特殊,末端提起,元件脱离 PCB表面,脱离黏合剂。由于不同的厂商,末端的不断变化使之成为一个变化的问题;

11.風量過大。

防止措施:

1.校准定位坐標,注意元件貼裝的准確性;

2.使用粘度大的焊膏,增加元件貼裝壓力,增大粘結力;

3.選用合適的錫膏,防止焊膏塌陷的出現以及具有合適的助焊劑含量;

4.調整馬達轉速。

十四、回流焊接後元件破裂
SMT元件破裂

産生原因:

1.組裝之前産生破壞;

2.焊接過程中板材與元件之間的熱不匹配性造成元件破裂;

3.貼片過程處置不當;

4.焊接溫度過高;

5.元件沒按要求進行儲存,吸收過量的水汽在焊接過程中造成元件破裂;

6.冷卻速率太大造成元件應力集中。

防止措施:

1.采用合適的工藝曲線;

2.按要求進行采購、儲存;

3.選用滿足要求的焊接貼片以及焊接設備。

十五、回流焊接後焊點裂紋

回流焊点裂纹


焊點裂紋不同于表面裂紋,焊點裂紋的存在會破壞元件與焊盤之間的有效聯系,嚴重影響電路板的可靠性。

産生原因:

1.操作不當,對焊點造成的機械損傷;

2.焊錫合金受到Pb等元素的汙染,使得焊點出現非常不明顯的非同步凝固,産生了低熔點脆性相以及應力集中現象,這些相很容易成爲裂紋擴展的起源並進而擴展;

3.沒有采取足夠快的冷卻速度,焊盤與焊錫或引腳與焊錫之間産生了過厚的不平整的鋸齒狀脆性金屬間化合物;

4.焊錫與鍍層之間的不匹配等造成焊錫潤濕不良的各種因素最終都有可能導致焊點裂紋的産生;

5.最常見的就是在進行潤循環或是拉伸試驗等測試之後焊點出現的裂紋。

防止措施:

1.減少焊接以及傳輸過程中的機械震動;

2.嚴格按照規範操作,避免組裝過程受到其他元素的汙染,確保整個過程符合無鉛化的要求;

3.采用合適的冷卻速度,以獲得平整以及厚度適中的金屬間化合物;

4.采取措施使得焊錫良好的鋪展開來。

十六、回流焊接後線路板面有錫須
锡须

锡须是镀层表面生长出来的细丝状锡单晶。锡须可能造成短路危险,引发灾难性后果。无铅环境中更容易出现锡须现象。 産生原因:表面镀层的某些晶粒受到周围的正向应力梯度场的作用(该晶粒承受压应力)而导致晶须从该晶粒形成与生长。 应力梯度主要有两个来源:

1.金屬間化合物的形成時産生;

2.鍍層材料與基體材料的熱膨脹系數不匹配,在承受載荷時導致的熱應力。

锡须的形成与生长和再结晶密不可分。在内部位错微应力场和环境温度的作用下,某些晶粒发生再结晶,而再结晶晶粒与周围晶粒在自由能方面的不匹配导致整个系统朝自由能最小方向演化,晶须的形成与生长就是这个最小化过程的自然产物。其中纯Sn镀层更容易出现锡须现象,而brighttin又比matte tin严重。Cu引线比42合金更容易产生锡须现象。

防止措施:

1.鍍層進行退火、熔化、回流等熱處理;
2.采用Ni、Cu等中間鍍層;
3.鍍層進行合金化處理,加入Pd、Bi、Ni、Cu等元素。
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