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電子焊接製程産生“錫珠”的原因分析及防控措施

添加時間: 2019-07-24 08:58:00    > 2019-07-24 08:58:00
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摘要:通過材料選購、工藝控製等,在當前的電子焊接製程中,完全有可能杜絶或將“錫珠”産生的概率降至更低。

 從“縮減製程、節約成本、減少汙染”等角度齣髮,越來越多的電子焊接採用焊後“免清洗”工藝。但是如果焊後闆麵有“錫珠”齣現,則不可能達到“免清洗”的要求,因此“錫珠”的預防與控製在實施“免清洗”過程中就顯得格外重要。“錫珠”的齣現不僅影響闆級産品外觀,更爲嚴重的是由於印製闆上元件密集,在使用過程中牠有可能造成短路等狀況,從而影響産品的可靠性。


       綜閤整箇電子焊接情況,可能齣現“錫珠”的工藝製程包括:“SMT錶麵貼裝”焊接製程、“波峰焊”製程及“手工焊”製程,我們從這三箇方麵來一一探討“錫珠”齣現的原因及預防控製的辦法。因爲“波峰焊”及“手工焊”已推行多年,很多方麵都已經比較成熟,因此,本文用瞭較多的篇幅介紹“SMT錶麵貼裝” 焊接製程中産生“錫珠”原因及防控措施。


一,關於的“錫珠”形態及標準

       一些行業標準對“錫珠”問題進行瞭闡釋。主要有MIL-STD-2000標準中的“不允許有錫珠”,而IPC-A-610C標準中的“每平方英寸少於5箇”。在IPC-A-610C標準中,規定最小絶緣間隙0.13毫米,直徑在此之內的錫珠被認爲是閤格的;而直徑大於或等於0.13毫米的錫珠是不閤格的,製造商必鬚採取糾正措施,避免這種現象的髮生。爲無鉛焊接製訂的最新版IPCA- 610D標準沒有對錫珠現象做更清楚的規定,有關每平方英寸少於5箇錫珠的規定已經被刪除。有關汽車和軍用産品的標準則不允許齣現任何“錫珠”,所用線路闆在焊接後必鬚被清洗,或將錫珠手工去除。


常見的錫珠形態及其尺寸照片見下圖:


二,“SMT錶麵貼裝”製程“錫珠”齣現的原因及預防控製辦法

        在“SMT錶麵貼裝”焊接製程中,迴流焊的“溫度、時間、焊膏的質量、印刷厚度、鋼網(模闆)的製作、裝貼壓力”等因素都有可能造成“錫珠”的産生。因此,找到“錫珠”可能齣現的原因,併加以預防與控製就是達成闆麵無“錫珠”的關鍵之所在。


(一),焊膏本身質量原因可能引起的“錫珠”狀況

1,焊膏中的金屬含量。焊膏中金屬含量的質量比約爲89-91%,體積比約爲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閤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,則齣現“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,金屬粉末熔化後在與焊盤熔閤的過程中錶麵張力就越大,而且在“迴流焊接段”,金屬粉末錶麵氧化物的含量還會增高,這就不利於熔融焊料的完全“潤濕”從而導緻細小錫珠産生。  

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”現象得到緩解。

4,焊膏抗熱坍塌效果。在迴流焊預熱段,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,併有些焊膏流到焊盤以外,當進入焊接區時,焊料開始熔融,因爲內應力的作用,焊膏收縮成焊點併開始浸潤爬陞至焊接端頭,有時因爲焊劑缺失或其他原因導緻焊膏應力不足,有一少部分焊盤外的焊膏沒有收縮迴來,當其完全熔化後就形成瞭“錫珠”。

      由此可見,焊膏的質量及選用也影響著錫珠産生,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衕程度地影響著“錫珠”的形成。


(二),使用不當形成 “錫珠”的原因分析

1,“錫珠”在通過迴流焊爐時産生的。我們大緻可以將迴流焊過程分爲“預熱、保溫、焊接和冷卻”四箇階段。“預熱段”是爲瞭使印 製闆和錶貼元件緩慢陞溫到120-150℃之間,這樣可以除去焊錫膏中易揮髮的溶劑,減少對元件的熱衝擊。而在這一過程中焊膏內部會髮生氣化現象,這時如果焊膏中金屬粉末之間的粘結力小於焊劑氣化産生的力,就會有少量“焊粉”從焊盤上流下或飛齣,在“焊接”階段,這部分“焊粉”也會熔化,從而形成“錫珠”。由此可以得齣這樣的結論“預熱溫度越高,預熱速度越快,就會加劇焊劑的氣化現象從而引起坍塌或飛濺,形成錫珠”。因此,我們可以採取較適中的預熱溫度和預熱速度來控製“錫珠”的形成。

2,焊膏在印製闆上的印刷厚度及印刷量。焊膏的印刷厚度是生産中一箇主要蔘數,印刷厚度通常在0.15-0.20mm之間,過厚或過多就容易導緻“坍塌”從而形成“錫珠”。在製作鋼網(模闆)時,焊盤的大小決定著模闆開孔的大小,通常,我們爲瞭避免焊膏印刷過量,將印刷孔的尺寸控製在約小於相應焊盤接觸麵積10%,結果錶明這樣會使“錫珠”現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麵或有少量錫粉飛齣去,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的貼裝壓力。

4,焊膏通常需要冷藏,在使用前一定要使其恢複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,會使膏體錶麵産生水分,這些水分在經過預熱時會造成焊粉飛齣,在焊接段會讓熱熔的焊料飛濺從而形成“錫珠”。

我國一般地區夏天的空氣濕度較大,把焊膏從冷藏取齣時,一般要在室溫下迴溫4-5小時再開啟瓶蓋。

5,生産或工作環境也影響“錫珠”的形成,當印製闆在潮濕的庫房存放過久,在裝印製闆的包裝袋中髮現細小的水珠,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,在貼裝前將印製闆或元器件進行一定的烘榦,然後進行印刷及焊接,能夠有效地抑製“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箇原則。取齣一部分焊膏後,立卽蓋好蓋子,特彆是裡麵的蓋子一定要曏下壓緊,將蓋子與焊膏之間空氣擠齣,否則對焊膏的壽命會有一定的影響,衕時會造成焊膏的榦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”的齣現有很多原因,隻從某一箇方麵進行預防與控製是遠遠不夠的。我們需要在生産過程中研究如何防製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”的産生。


(三),“SMT錶麵貼裝”過程的“錫珠”預防與控製

1,焊膏的選用

       在選擇焊膏時,應堅持在現有工藝條件下的試用,這樣,旣能驗證供應商焊膏對自身産品、工藝的適用性,也能初步瞭解該焊膏在實際使用中的具體錶現。對焊膏方麵的評估,應註意各種常見的蔘數,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蔘數都最優異,更多的情況下,對於SMT的工藝製程及産品特性來講,適閤的就是最好的。因此,選擇適閤自身工藝及産品的焊膏,併將所有蔘數定下來,在以後的供應商交貨過程中做齣品管驗收及品檢的依據,一方麵核對供應商所提供的書麵資料,另一方麵取少量不衕批次的産品進行試用。


       優質供應商,會在配閤過程中提齣相應的工藝建議,併根據客戶具體要求進行焊膏産品的陞級及缺陷改進;因此,相對穩定的、誠信度高的供應商,對客戶在焊膏質量方麵預防及控製“錫珠”能提供很大的幫助。  


2,“SMT錶麵貼裝”工藝控製與改進

       在所有的工藝控製過程中,從焊膏的保存及取齣使用、迴溫、攪拌都有嚴格的文件規定,主要有以下幾箇方麵的重點:

(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於0-10℃的冷藏條件下;

(2),焊膏取齣後、使用前,應該進行常溫下的迴溫,在焊膏未完全迴溫前,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,應該註意印刷的力度,及鋼網錶麵的清潔度,及時擦拭鋼網錶麵多餘的焊膏殘留,防止在這箇過程汙染PCB闆麵從而造成焊接過程中的錫珠産生。

(5),迴流焊過程中,應嚴格按照已經訂好的迴流焊麴線進行作業,不得隨意調整;衕時應該經常校驗迴流焊麴線與標準麴線的差異併修正;

(6),在“SMT錶麵貼裝”工藝中,鋼網(模闆)的“開口方式”以及“開口率”很可能導緻焊膏在“印刷特性”及“焊接特性”方麵的一些缺陷從而引起“錫珠”。在相關實驗中,我們對鋼網進行瞭改進,將原來易産生“錫珠”的片式元件1:1鋼網開口,改爲1:0.75的楔形,改後試驗效果較好“錫珠”産生的機率明顯下降直至基本杜絶。

      通過修改鋼網的開口方式和批量的印刷試驗,可以很明顯地看到,改後鋼網的開口方法可以有效防控“錫珠”的産生。修改後“防錫珠”鋼網的印刷效果及焊接效果見圖二:

   按照多次的對比實驗,併結閤“圖二”可以看齣,通過修改前後三次的效果對比,第二次修改後的鋼網,沒有見到明顯的錫珠,而錫膏的焊錫量也沒有偏少。由此説明通過鋼網的開口改變,對“SMT錶麵貼裝”製程中的“錫珠”防控還是有一定效果的。衕時我們對更改後的焊接産品送到“賽寶實驗室”進行檢測(報告編號爲“FX03-2081691”),通對該線路闆上的0603元件進行推剪力測試,在“R124、R125、R126、C16、C57”五箇元件點的剪切力分彆爲“58.14N、56.53N、51.87N、50.90N、52.35N”,焊接強度能達到我們的要求。

“SMT錶麵貼裝”製程雖然對“錫珠”的防控較爲複雜,但經過長期的工作努力及經驗積纍,相信可以做到無“錫珠”,或有效降低“錫珠”産生的機率。


三,“波峰焊”過程中齣現“錫珠”的原因及預防控製辦法

       在“波峰焊”工藝過程中,“錫珠”的産生有兩種狀況:一種是在闆子剛接觸到錫液時,因爲助焊劑或闆材本身的水份過多或高沸點溶劑沒有充分揮髮,遇到溫度較高的錫液時驟然揮髮,較大的溫差緻使液態焊錫飛濺齣去,形成細小錫珠;另一種情況是在線路闆離開液態焊錫的時候,當線路闆與錫波分離時,線路闆順著管腳延伸的方曏會拉齣錫柱,在助焊劑的潤濕作用及錫液自身流動性的作用下,多餘的焊錫會落迴錫缸中,因此而濺起的焊錫有時會落在線路闆上,從而形成“錫珠”。

      因此,我們可以看到,在“波峰焊”防控“錫珠”方麵,我們應該從兩箇大的方麵著手,一方麵是助焊劑等原材料的選擇,另一方麵是波峰焊的工藝控製。


(一),助焊劑方麵的原因分析及預防控製辦法

1、助焊劑中的水份含量較大或超標,在經過預熱時未能充分揮髮;

2、助焊劑中有高沸點物質或不易揮髮物,經預熱時不能充分揮髮;

這兩種原因是助焊劑本身“質量”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闆速度等來解決”。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,併記録試用時的標準工藝,在沒有“錫珠”齣現的情況下,審核供應商所提供的其他説明資料,在以後的收貨及驗收過程中,應核對供應商最初的説明資料。


(二),工藝方麵的原因分析及預防控製辦法

1,預熱溫度偏低,助焊劑中溶劑部分未完全揮髮;

2,走闆速度太快未達到預熱效果;

3,鍊條(或PCB闆麵)傾角過小,錫液與焊接麵接觸時中間有氣泡,氣泡爆裂後産生錫珠;

4,助焊劑塗佈的量太大,多餘助焊劑未能完全流走或風刀沒有將多餘焊劑吹下;

       這四種不良原因的齣現,都和標準化工藝的確定有關,在實際生産過程中,應該嚴格按照已經訂好的作業指導文件進行各項蔘數的校正,對已經設定好的蔘數,不能隨意改動,相關蔘數及所涉及技術層麵主要有以下幾點:


(1),關於預熱:一般設定在90℃-110℃,這裡所講“溫度”是指預熱後PCB闆焊接麵的實際受熱溫度,而不是“錶顯”溫度;如果預熱溫度達不到要求,則焊後易産生錫珠。


(2),關於走闆速度:一般情況下,建議客戶把走闆速度定在1.1-1.4米/分鐘,但這不是絶對值;如果要改變走闆速度,通常都應以改變預熱溫度作配閤;比如:要將走闆速度加快,那麽爲瞭保證PCB焊接麵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,走闆速度過快時,焊劑有可能揮髮不完全,從而在焊接時産生“錫珠”。


(3),關於鍊條(或PCB闆麵)的傾角:這一傾角指的是鍊條(或PCB闆麵)與錫液平麵的角度,當PCB闆走過錫液平麵時,應保證PCB零件麵與錫液平麵隻有一箇切點;而不能有一箇較大的接觸麵;當沒有傾角或傾角過小時,易造成錫液與焊接麵接觸時中間有氣泡,氣泡爆裂後産生“錫珠”。


(4),在波峰爐使用中,“風刀”的主要作用是吹去PCB闆麵多餘的助焊劑,併使助焊劑在PCB零件麵均勻塗佈;一般情況下,風刀的傾角應在10度左右;如果“風刀”角度調整的不閤理,會造成PCB錶麵焊劑過多,或塗佈不均勻,不但在過預熱區時易滴在髮熱管上,影響髮熱管的壽命,而且在浸入錫液時易造成“炸錫”現象,併因此産生“錫珠”。


       在實際生産中,結閤自身波峰焊的實際狀況,對相關材料進行選型,衕時製訂嚴格《波峰焊操作規程》,併嚴格按照相關規程進行生産。經過實驗證明,在嚴格落實工藝技術的條件下,完全可以剋服因爲“波峰焊焊接工藝問題”産生的“錫珠”。 


四,“手工焊”過程中“錫珠”的齣現原因及預防控製

      在“手工焊”過程中“錫珠”齣現的機率併不高,常見的是鬆香飛濺,偶爾會齣現“錫珠”的飛濺或者在焊盤的錶麵殘存有錫渣等;相比較鬆香的飛濺來講,“錫珠”或錫渣的存在對産品安全性更具潛在危害。


      齣現錫渣、“錫珠”的主要原因可能是:焊劑在熱源未移開前已完全蒸髮,故焊錫流動性極差,沾附烙鐵頭隨烙鐵之抽齣而形成尖、柱或短焊情形,或不小心導緻焊錫液自烙鐵頭濺離,冷卻後沾附於闆麵或元件上。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,然後再放到被焊位置,因爲較大的溫差而造成瞭焊錫的飛濺,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,適量的添加焊錫併註意及時、正確地清潔烙鐵頭。在實際生産中,經常對“手工焊”員工進行專門的焊接技術培訓,併嚴格編製《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”過程中,能夠有效地避免“錫珠”的産生。    


    

       結論:針對“錫珠”問題,我們用瞭半年多的時間,和相關客戶一起,共衕做瞭大量的實驗,併對不衕的焊接工藝進行瞭細緻的分析。實踐證明,通過材料選購、工藝控製等,在當前的電子焊接製程中,完全有可能杜絶或將“錫珠”産生的概率降至更低。


      展望未來,將針對焊錫膏配方及生産工藝進行一繫列的深入再研究,包括“焊錫膏中的溶劑、鬆香樹脂、活化劑、觸變劑、錶麵活性劑及其他多種類型添加劑之選用、配伍、配比等,以及焊膏生産工藝所涉溫度、時間等多箇方麵”。希翼從産品技術角度來解決或預防“錫珠”的産生,以保證在焊接製程中杜絶或更少地齣現“錫珠”,從而配閤更多客戶達成焊後“免清洗”工藝。



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