關于控制器SM T生產(chǎn)過程錫珠的產(chǎn)生與預防分析研究
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張? 偉，陳中煒? （格力電器（合肥）有限公司，安徽?合肥?230088）
摘? 要：焊接錫珠（SOLDER BALL）現(xiàn)象是表面貼裝（SMT）過程回流焊及控制器焊接過程中波峰焊的主要 缺陷，主要發(fā)生在電子元器件的周圍，由諸多因素引起，它是控制器系統(tǒng)生產(chǎn)過程的主要缺陷之一，它的產(chǎn)生 是1個復雜的過程，也是最煩人的問題，要完全消除它，是非常困難的，一般來說，錫珠產(chǎn)生的原因是多方面 的、綜合的及外界環(huán)境影響導致的，本文通過對SMT生產(chǎn)過程可能產(chǎn)生錫珠的各種原因的分析，提出相應得解 決方法。
0 引言
錫珠直徑在(0.2~0.4) mm之間，也有超過此范圍 的，主要集中在PCB板上元器件的周圍。錫珠的存在， 為產(chǎn)品的質量可靠性埋下了隱患。原因是現(xiàn)代化PCB板 元器件密度高、間距小，錫珠在使用過程可能脫落、 轉移，進而導致元器件短路，影響產(chǎn)品的質量及使用情 況。因此弄清它產(chǎn)生的原因，并對它進行有效的控制， 就顯得尤為重要了。
1 錫珠缺陷現(xiàn)象及其判斷標準
1.1 回流焊中錫珠缺陷現(xiàn)象
焊膏是由各種金屬合金組成，回流焊接中錫珠通常 是在焊膏塌落(slump)或在處理期間壓出焊盤時發(fā)生的， 如圖1所示。在再流期間，焊膏從主要的沉淀中孤立出 來，與來自其他焊盤的多余焊膏集結，或者從元件體的 側面冒出形成大的錫珠，或者留在元件的下面，如圖2 所示。
1.2 IPC-610C對錫珠缺陷的可接收條件
1）不合格——1、2、3級要求
錫珠/飛濺的出現(xiàn)破壞了設定規(guī)定的最小電氣間 隙；這些錫珠沒有被涂敷層夾陷(指產(chǎn)品在正常的使用 環(huán)境下，錫珠不會發(fā)生移動)，也沒有附著在金屬觸 點上。
2）不合格(跡象)——1、2、3級要求
錫珠/飛濺分布在焊盤或印制線條周圍0.13 mm范圍 內，或者錫珠直徑大于0.13 mm，如圖3所示。
IPC-A-610C將0.13 mm(0.005 12英寸)直徑的釬 料或每600 mm2(0.9平方英寸)面積上，少于5顆分為 第一類可接受的，并作為第二與第三類的工藝標記。 IPC-A-610 C允許“夾陷的”不干擾最小電氣間隙的錫 珠?？墒?，即使是“夾陷”的錫珠都可能在運輸、處理 或經(jīng)受振動后變成可移動的。
2 回流焊接中錫珠的形成原因
1）解釋回流焊中錫珠飛濺的幾種理論
回流焊接過程中產(chǎn)生的濺錫珠現(xiàn)象的機理，目前存 在下列幾種理論解釋：
①“小爆炸”理論，如表1。
該理論認為：再流焊接中焊膏中助焊劑的激烈排氣 可能引起熔化焊點中的小爆炸，釬料顆粒在高溫中的 飛濺就可能發(fā)生。從而促使釬料顆粒在再流腔內空中亂 飛，飛濺在PCB上形成錫珠粘附。當PCB材料內部夾有 潮氣時，和助焊劑排氣有相同的效果。類似地，PCB板 表面上的外來污染也是引起濺錫的原因。
②溶劑排放理論
溶劑排放理論認為：焊膏助焊劑中使用的溶劑必須 在再流時蒸發(fā)。如果使用過高溫度，溶劑會“閃沸” 成氣體(類似于在熱鍋上滴水)，把固體帶到空中，隨機 散落到板上，成為助焊劑飛濺。為了證實或反駁這個 理論，美國專家羅絲·伯思遜等人使用熱板作樣板進 行導熱性試驗，并作測試。使用的溫度設定點分別為 190 ℃、200 ℃和220 ℃。試驗結論是：不含釬料粉末 的膏狀助焊劑在任何情況下都不出現(xiàn)飛濺。含有粉末的 助焊劑(焊膏)在釬料熔化和焊接期間始終都有飛濺。顯 然溶劑排氣理論不能解釋錫珠飛濺現(xiàn)象。
③結合理論：
持此觀點的人認為：當釬料熔化和結合時熔化材料 的表面張力——一種很大的力量——在被夾住的助焊劑 上施加了壓力，當壓力足夠大時，猛烈地排出。這一理 論得到了對BGA內釬料空洞研究者的支持，其中描述 了表面張力和助焊劑排氣之間的聯(lián)系(助焊劑排氣率模 型)。因此，有力的噴出是錫珠飛濺最可能的原因。接 下來的實驗室助焊劑飛濺模擬試驗說明了結合的影響。 完全的烘干大大地減少了飛濺現(xiàn)象，如表2所示（表2是 來自金屬結合的助焊劑飛濺模擬-烘干的研究）。
2）可能引起濺錫珠的因素
根據(jù)結合理論建立的結合模型分析，具體影響飛濺 現(xiàn)象的潛在因素，如表1所示（表1可能引起濺錫珠的 因素）。
總之，任何方法，如果使焊膏粉球可能沉積在PCB 上，并在回流過程時仍存在，都可以產(chǎn)生錫珠。包括：① 在絲印期間沒有擦拭模板底面(模板臟)；②誤印后不適當 的清潔方法；③絲印期間不小心的處理；④基板材料和污 染物中過多的潮氣；⑤極快的溫升斜率(超過4 ℃/s)。
3 回流焊接中的預防方法
1）最小化
優(yōu)化助焊劑載體的化學成分和再流焊接溫度曲線， 將濺錫減到最低。通過評估清楚地表明了活性劑、溶 劑、合金和再流焊接溫度曲線對濺錫珠程度有重要影 響。這些參數(shù)的適當調整可以將濺錫珠現(xiàn)象減到最小。
2）確選擇助焊劑材料
聚合助焊劑有希望最終提供1個可能最小化的濺錫 珠的解決方案，因為潛在的飛濺材料在溫度激化的聚 合過程中被包圍。因此，沒有液體助焊劑留下來產(chǎn)生 飛濺。
3）回流溫度曲線的選擇
回流溫度曲線和材料類型兩者都必須調整以使飛濺 最小。圖4示出了一條沒有平坦保溫區(qū)的線性上升溫度 曲線，試驗結果是所有材料都存在一些濺錫現(xiàn)象。基于 飛濺機理的假設，這個線性曲線沒有充分烘干助焊劑。 圖5所示的基本曲線包括1個160 ℃的高溫保溫(烘干) 區(qū)，以蒸發(fā)所有的溶劑。這種溶劑的揮發(fā)增加了剩余助 焊劑的粘性，減少了進入再流區(qū)后的揮發(fā)成份，因此減 少了飛濺。但是，這樣烘干帶來的潛在問題是釬料的熔 濕性變差和易產(chǎn)生空洞。使用惰性氣體(氮氣)可以幫助 改善熔濕和減少空洞，但對飛濺卻無效果。
4）正確地設計模板開口形狀
前面已討論到模板開孔的形狀是在免洗焊膏應用中 的1個關鍵設計參數(shù)。是形成具有高可靠性的高質量焊 點所要求的足夠的焊膏量的基礎。為了解決在片狀元件 上的濺錫珠的問題，在探討各種模板開孔的形狀中，最 流行的是homeplate開孔設計(圖6)。據(jù)說這種homeplate 設計可以在需要的地方準確地提供焊膏，從片狀元件的 角上去掉過多的焊膏。可是，homeplate設計會帶來焊膏 的粘附區(qū)域不足的問題，焊膏提供很小的與零件接觸的 面積，因而易造成元件偏位。除此之外，homeplate設計 不能消除片狀元件下面和相鄰位置的錫珠。在片狀元件 下面出現(xiàn)過多種焊膏的模板設計方案，包括：
① homeplate模板(圖6)；
②比矩形片狀元件焊盤形狀減少85%的模板(圖7)；
③對片狀元件的T形開孔模板(圖8)。
圖6所示的模板能減少在片狀元件上的錫珠的數(shù) 量，但是不能完全消除。圖7所示的模板有80%的片狀 元件出現(xiàn)錫珠。而圖8所示的模板可去掉50%的錫珠。 因此，這三種模板沒有哪個能有效地消除錫珠，同時在 裝配期間提供足夠的粘附力來將元件固定在位。圖9示 出了85%的U形模板。在U形模板上，片狀元件下面的 中間部分是沒有焊膏的。模板材料是0.16 mm厚度的不銹鋼，采用化學腐蝕工藝。這種設計已經(jīng)證明可以提供 連續(xù)的焊膏沉淀。
試驗證實了對片狀元件使用U形開孔模板能較好地 消除錫珠。這種U型模板在其所需要的位置上可以提供 準確的焊膏，而沒有可能造成錫珠從片狀元件體下面擠 出的地方提供過剩的焊膏。U形開孔模板只在其需要的 地方出現(xiàn)焊膏，且分布在片狀元件體的邊緣，不直接在 元件體中間的下面。這樣一來，如果片狀元件貼放偏離 位置，焊膏沉淀足夠在整個過程和再流焊接中維持住 零件。
4 結論
優(yōu)質的焊膏結合正確的溫度曲線，可以達到實際消 除焊錫和助焊劑的飛濺，相對于易揮發(fā)溶劑含量高和 熔濕速度慢的焊膏可以達到最好的效果。提供給表面貼 裝元件的焊膏數(shù)量與位置的改善，直接影響錫珠與錫塵 的出現(xiàn)與否。通過在適當?shù)奈恢锰峁┻m量的焊膏，最終 產(chǎn)品質量就可以大大提高。對片狀元件來說使用U形開 孔，可以大大地減少錫珠的發(fā)生。對QFP焊盤的減小， 消除了相鄰焊盤之間的錫塵。結合適當?shù)暮副P尺寸與形 狀，就可為PCB的裝配生產(chǎn)形成一種優(yōu)化的高質量的生 產(chǎn)工藝。
參考文獻：
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