再流焊缺陷的成因及解决办法

随着电子元器件体积的不断缩小,印制电路板上组装密度越来越高,对焊接质量提出了更高的要求。现对几种常见的焊接缺陷进行分析,并提出相应的解决办法。

1.焊料球的产生及解决办法

一般在矩形片式元件两个焊端之间的侧面或细间距引脚之间常常出现焊料球。在贴装元件过程中,焊膏是预涂在PCB 板的焊盘上的。再流焊时焊膏熔化成液态,如果与焊盘和元器件引脚(焊端)等有良好的润湿,则液态焊料不会收缩并填满焊缝。否则,润湿很差,液态焊料会因收缩而使焊缝填充不充分,部分液态焊料会从焊缝流出,在结合点外部形成焊料球。

焊料球是再流焊接中经常碰到的焊接缺陷,焊料球的产生意味着产品出厂后存在着短路的可能性,因此必须避免。国际上对焊料球存在的认可标准是:印刷电路组件在600 mm2范围内焊料球不能超过5 个。产生焊料球的原因可能为:

(1)模板的开孔过大或变形严重。过大的开孔或变形的开孔会使模板上的开孔与PCB上相对应的焊盘不能恰好重合或造成漏印焊膏的外形轮廓不清晰,从而使涂敷的焊膏部分置于焊盘之外,再流焊后必然会产生焊料球。

解决办法:缩小模板的开孔尺寸,严格控制模板化学腐蚀工艺,或直接改用激光切割法制作模板。

(2)非接触式印刷或印刷压力过大。非接触式印刷使模板与PCB 板之间留有一定空隙,如果刮刀压力控制不好,容易使模板下面的焊膏挤到PCB 表面的非焊盘区,再流焊后必然会产生焊料球。

解决办法:无特殊要求时宜采用接触式印刷或减小印刷压力。

(3)贴片时放置压力过大。过大的放置压力可以把焊膏挤压到焊盘之外,如果焊膏涂敷得较厚,过大的放置压力更容易把焊膏挤压到焊盘之外,再流焊后必然会产生焊料球。

解决办法:控制焊膏厚度,同时减小贴片头的放置压力。

(4)助焊剂未能发挥作用。助焊剂的作用是清除焊盘和焊料颗粒表面的氧化膜,从而改善液态焊料与焊盘、元器件引脚(焊端)之间的润湿性。如果在涂敷焊膏之后,放置时间过长,助焊剂容易挥发,就失去了助焊剂的去氧作用,液态焊料润湿性变差,再流焊时必然会产生焊料球。

解决办法:选用工作寿命超过4 h 的焊膏或尽量缩短放置时间。

(5)再流温度曲线设置不当。

首先,如果预热不充分,没有达到足够的温度或时间,助焊剂不仅活性较低,而且挥发很少,不仅不能去除焊盘和焊料颗粒表面的氧化膜,而且不能从焊膏粉末中上升到焊料表面,改善液态焊料的润湿性,也易产生焊料球。解决办法:预热温度在120～150 ℃保持1.5 min 左右。

其次,再流焊预热阶段温度上升速度过快,使焊膏内部的水分、溶剂未完全挥发出来,到达再流焊温区时,引起水分、溶剂的沸腾飞溅,形成焊料球。解决措施:将预热阶段的温度上升速度控制在1～4 ℃/s。

此外,再流焊接时温度的设置太低,液态焊料的润湿性受到影响,易产生焊料球。随着温度的不断升高,液态焊料的润湿性得到明显改善,减少了焊料球的产生。但再流焊温度太高,会损伤元器件、印制电路板和焊盘。解决办法:选择合适的焊接温度,使焊料具有必要的润湿性。

(6)焊膏中含有水分。如果从冰箱中取出焊膏,直接开盖使用,因温差较大而产生水汽凝结,在再流焊接时,极易引起水分的沸腾飞溅,形成焊料球。

解决办法:焊膏从冰箱取出后,应放置4 h 以上,待焊膏温度达到环境温度后,再开盖使用。

(7)印刷焊膏的印制电路板清洗不干净,焊膏残留于印制电路板表面及通孔中。

印刷焊膏的印制电路板清洗不干净,通孔中焊膏残留于印制电路板表面,这也是形成焊料球的原因。

解决办法:加强操作人员在生产过程中的质量意识,严格遵照工艺要求和操作规程进行生产。

2.“立碑”现象的产生及解决措施

在表面贴装工艺的再流焊接中,贴装的元件会因翘立而产生脱焊的缺陷,人们形象地称之为“立碑”现象,也有人称之为“曼哈顿”现象。

产生“立碑”现象主要是由于元件两端焊盘上的焊膏在再流区熔化时,不是同时熔化,导致元件两个焊端产生的表面张力不平衡,张力较大的一端拉着元件沿其底部旋转,产生“立碑”现象。造成张力不平衡的因素有以下几种。

1)预热不充分

当预热区温度设置较低、预热时间设置较短时,元件两端焊膏不能同时熔化的概率就大大增加,从而导致元件两个焊端的表面张力不平衡,产生“立碑”现象。

解决办法:正确设置预热区工艺参数,预热温度一般设为120～150 ℃,时间为90 s左右。

2)焊盘尺寸设计不合理(www.xing528.com)

若片式元件的一对焊盘不对称,会引起漏印的焊膏量不一致,小焊盘对温度响应快,其上的焊膏易熔化,大焊盘则相反。所以当小焊盘上的焊膏熔化后,在表面张力的作用下,将元件拉直竖起,产生“立碑”现象。

解决办法:严格按标准规范进行焊盘设计,确保焊盘图形的形状与尺寸完全一致。此外,设计焊盘时,在保证焊点强度的前提下,焊盘尺寸应尽可能小,这是因为焊盘尺寸减小后,焊膏的涂敷量相应减少,焊膏熔化时的表面张力也随之减小,“立碑”现象就会大幅度下降。

3)焊膏涂敷得较厚

焊膏较厚时,两个焊盘上的焊膏不是同时熔化的概率就大大增加,从而导致元件两个焊端表面张力不平衡,产生“立碑”现象。相反,焊膏变薄时,两个焊盘上的焊膏同时熔化的概率就大大增加,“立碑”现象就会大幅减少。

解决办法:焊膏厚度是由模板厚度决定的,因此应选用模板厚度薄的模板。

4)贴装精度不够

一般情况下,贴装时产生的元件偏移,在再流焊接时由于焊膏熔化产生表面张力,拉动元件而自动定位,我们称之为“自定位”。但如果偏移严重,拉动反而会使元件竖起,产生“立碑”现象。这是因为与元件接触较多的焊料端得到更多的热量,从而先熔化,由于表面张力的作用,产生“立碑”现象,另外元件两端与焊膏的黏度不同,也是产生“立碑”现象的原因之一。

解决办法:调整贴片机的贴片精度,避免产生较大的贴片偏差。

5)元件重量较轻

较轻的元件“立碑”现象发生率较高,这是因为元件两端不均衡的表面张力可以很容易地拉动元件。

解决办法:选取元件时,如有可能,优先选择尺寸、重量较大的元件。

6)元件排列方向设计有缺陷

如果在再流焊接时,使片式元件的一个焊端先通过再流焊区域,焊膏先熔化,而另一焊端未达到熔化温度,所以先熔化的焊端,在表面张力的作用下,将元件拉直竖起,产生“立碑”现象。

解决办法:确保片式元件两焊端同时进入再流焊区域,使两端焊盘上的焊膏同时熔化。

3.桥接的产生及解决办法

桥接经常出现在细间距元器件引脚间或间距较小的片式元件间,桥接的产生会严重影响产品的性能。通常产生桥接的主要原因有以下几种。

(1)焊膏过量。由于模板厚度及开孔尺寸偏大,造成焊膏过量,再流焊后必然会形成桥接。解决办法:选用模板厚度较薄的模板,缩小模板的开孔尺寸。

(2)焊膏的黏度较低,印刷后容易坍塌,再流焊后必然会产生桥接。解决办法:选择黏度较高的焊膏。

(3)模板孔壁粗糙不平,不利于焊膏脱膜,印刷出的焊膏也容易坍塌,从而产生桥接。解决办法:采用激光切割的模板。

(4)过大的刮刀压力,使印刷出的焊膏发生坍塌,从而产生桥接。解决办法:降低刮刀压力。

(5)印刷错位,也会导致产生桥接。解决办法:采用光学定位,基准点设在印刷板对角线处。

(6)贴片时过大的放置压力,使印刷出的焊膏发生坍塌,从而产生桥接。解决办法:减小贴片头的放置压力。

(7)再流焊接时,如果温度上升速度过快,焊膏内部的溶剂就会挥发出来,引起溶剂的沸腾飞溅,溅出焊料颗粒,形成桥接。解决办法:设置适当的焊接温度曲线。

4.润湿不良的产生及解决办法

润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区(铜箔)或SMD 的外部电极,经浸润后不生成相互间的反应层,而造成漏焊或少焊故障。

其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂,或是被焊接件表面生成金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物、锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0.005%以上时,由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低,也可发生润湿不良。因此解决方法是:在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施;选择合适的焊料,并设定合理的焊接温度曲线。