SMT回流焊常见缺陷分析及处理
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几种SMT焊接缺陷及其解决措施1.引言表面组装技术在减少电子产品体积重量和可靠性方面的突出优点,迎来了未来战略武器洲际射程机动发射安全可靠技术先进的特点对制造技术的要求。
但是,要制定和选择合适于具体产品的表面组装工艺不是简单的事情`因为SMT技术是涉及到了多项技术复杂的系统工程,其中任何一向因素的改变都会影响电子产品的焊接质量。
元器件焊点的焊接质量直接是直接影响印制电路组件(PWA)乃至整机质量的关键因素,他它受许多因素的影响,如焊膏基板元器件可焊性`丝印贴装精度以及焊接工艺等。
我们在进行SMT工艺研究和生产中,深知合理的表面组装工艺技术在控制和提高SMT生产质量中起到至关重要的作用本文就针对所遇到的几种典型焊接缺陷产生原因进行分析,并提出相应的工艺方法来解决。
2.几种SMT焊接缺陷及其解决措施2-1 波峰焊和回流焊中的锡球锡球的存在表明工艺不完全正确,而且电子产品存在短路的风险,因此需要排除。
国际上对锡球的存在认可标准是:印制电路板组件在600范围内不能出现5个锡球。
产生锡球的原因有多种。
需要找到根源。
2-1-1波峰焊中的锡球波峰焊中常常出现锡球,主要原因有两个方面:第一,由于焊接印制板时,印制板上的通孔附近的水分受热而变蒸汽。
如果孔壁金属镀层较薄或有空隙,水汽就会通过孔隙排除,如果孔内有焊料,当焊料凝固时水汽就会在焊料内产生空隙(针眼),或挤出焊料在印制板正面产生锡珠。
第二,在印制板反面(既接触波峰的一面)产生的锡珠是由于波峰焊接中一些工艺设置不当而造成的,如果助焊剂涂覆量增加或预热温度设置过低,就可能影响原剂内组成成分的蒸发,在印制板进入波峰时,多余的焊剂受高温蒸发,将焊料从锡槽中溅出来,在印制板上产生不规则的焊料球。
针对上述的原因我们采取以下相应的解决措施:第一,通孔内适当厚度的金属层是很关键的,孔壁上的铜度层最小应为25UM,而且无空隙。
第二。
使用喷雾或发泡途覆助焊剂。
发泡方式中,在调节助焊剂空气含量时,应保持尽可能产生最小的气泡,泡沫与PCB接触面相对减小。
SMT回流焊常见缺陷分析及处理
1.焊料流失:在回流焊过程中,由于焊料重量和焊料的熔点不同,会导致焊料在焊接过程中流失,从而影响焊接质量和外观。
2.空锡:在回流焊过程中,可能会出现电子元器件焊锡和焊盘之间未填充的情况,称为空锡缺陷,其严重程度与焊接参数的设置有关。
3.气泡:回流过程中,由于焊料的挥发和金属表面上的气体,可能会在焊点周围形成气泡,从而影响焊点的质量,也会影响焊接的外观。
4.结点:在焊接过程中,由于焊料量太少或焊膏和电子元器件之间金属板的不良接触,会导致焊点部分熔化而形成结点,称为结点缺陷。
5.燃烧:当焊料接触到未驱动的电子元器件或焊料量过多时,会发生燃烧现象,导致烧坏电子元器件。
处理缺陷:
1.焊料流失:在生产过程中,需要控制焊料的重量以及熔点,确保焊料在回流焊过程中能够有足够的覆盖面积,同时避免焊料在焊接过程中流失。
2.空锡:应根据焊接的不同情况适当调整焊接参数。
缺陷一:“立碑”现象(即片式元器件发生“竖立”)立碑现象发生主要原因是元件两端的湿润力不平衡,引发元件两端的力矩也不平衡,导致“立碑”。
回流焊“立碑”现象动态图(来源网络)什么情况会导致回流焊时元件两端湿润力不平衡,导致“立碑”?:因素A:焊盘设计与布局不合理↓①元件的两边焊盘之一与地线相连接或有一侧焊盘面积过大,焊盘两端热容量不均匀;②PCB表面各处的温差过大以致元件焊盘两边吸热不均匀;③大型器件QFP、BGA、散热器周围的小型片式元件焊盘两端会出现温度不均匀。
★解决办法:工程师调整焊盘设计和布局因素B:焊锡膏与焊锡膏印刷存在问题↓①焊锡膏的活性不高或元件的可焊性差,焊锡膏熔化后,表面张力不一样,将引起焊盘湿润力不平衡。
②两焊盘的焊锡膏印刷量不均匀,印刷太厚,元件下压后多余锡膏溢流;②贴片压力太大,下压使锡膏塌陷到油墨上;③焊盘开口外形不好,未做防锡珠处理;④锡膏活性不好,干的太快,或有太多颗粒小的锡粉;⑤印刷偏移,使部分锡膏沾到PCB上;⑥刮刀速度过快,引起塌边不良,回流后导致产生锡球...缺陷三:桥连桥连也是SMT生产中常见的缺陷之一,它会引起元件之间的短路,遇到桥连必须返修。
BGA桥连示意图(来源网络)造成桥连的原因主要有:因素A:焊锡膏的质量问题↓①焊锡膏中金属含量偏高,特别是印刷时间过久,易出现金属含量增高,导致IC引脚桥连;②焊锡膏粘度低,预热后漫流到焊盘外;③焊锡膏塔落度差,预热后漫流到焊盘外;★解决办法:需要工厂调整焊锡膏配比或改用质量好的焊锡膏因素B:印刷系统↓①印刷机重复精度差,对位不齐(钢网对位不准、PCB对位不准),导致焊锡膏印刷到焊盘外,尤其是细间距QFP焊盘;②钢网窗口尺寸与厚度设计失准以及PCB焊盘设计Sn-pb合金镀层不均匀,导致焊锡膏偏多;★解决方法:需要工厂调整印刷机,改善PCB焊盘涂覆层;因素C:贴放压力过大↓焊锡膏受压后满流是生产中多见的原因,另外贴片精度不够会使元件出现移位、IC引脚变形等;因素D:再流焊炉升温速度过快,焊锡膏中溶剂来不及挥发★解决办法:需要工厂调整贴片机Z轴高度及再流焊炉升温速度缺陷四:芯吸现象芯吸现象,也称吸料现象、抽芯现象,是SMT常见的焊接缺陷之一,多见于气相回流焊中。
SMT回流焊接缺陷与解决方法>>>>焊锡膏的影响因素再流焊的品质受诸多因素的影响,最重要的因素是再流焊炉的温度曲线及焊锡膏的成分参数现在常用的高性能再流焊炉,已能比较方便地精确控制、调整温度曲线.相比之下,在高密度与小型化的趋势中,焊锡膏的印刷就成了再流焊质量的关键.焊锡膏合金粉末的颗粒形状与窄间距器件的焊接质量有关焊锡膏的粘度与成分也必须选用适当.另外,焊锡膏一般冷藏储存,取用时待恢复到室温后,才能开盖,要特别注意避免因温差使焊锡膏混入水汽,需要时用搅拌机搅匀焊锡膏.>>>>焊接设备的影响有时,再流焊设备的传送带震动过大也是影响焊接质量的因素之一.>>>>再流焊工艺的影响在排除了焊锡膏印刷工艺与贴片工艺的品质异常之后再流焊工艺本身也会导致以下品质异常:①、冷焊通常是再流焊温度偏低或再流区的时间不足②、锡珠预热区温度爬升速度过快(一般要求,温度上升的斜率小于3度每秒).③、连锡电路板或元器件受潮,含水分过多易引起锡爆产生连锡.④、裂纹一般是降温区温度下降过快(一般有铅焊接的温度下降斜率小于4度每秒).立碑现象再流焊中,片式兀器件吊出现立起的现象产生的原因:立碑现象发生的根本原因是元件两边的润湿力不平衡因而元件两端的力矩也不平衡,从而导致立碑现象的发生.下列情况均会导致再流焊时元件两边的湿润力不平衡1.1、焊盘设计与布局不合理如果焊盘设计与布局有以下缺陷,将会引起元件两边的湿润力不平衡.1.1.1、元件的两边焊盘之一与地线相连接或有一侧焊盘面积过大焊盘两端热容量不均匀;1.1.2、P CB表面各处的温差过大以致元件焊盘两边吸热不均匀;1.1.3、大型器件QFP、BGA、散热器周围的小型片式元件焊盘两端会出现温度不均匀.解决办法:改变焊盘设计与布局.1・2、焊锡膏与焊锡膏印刷存在问题.焊锡膏的活性不高或元件的可焊性差焊锡膏熔化后,表面张力不一样,将引起焊盘湿润力不平衡.两焊盘的焊锡膏印刷量不均匀,多的一边会因焊锡膏吸热量增多,融化时间滞后,以致湿润力不平衡.解决办法:选用活性较高的焊锡膏,改善焊锡膏印刷参数特别是模板的窗口尺寸.1.3、贴片移位Z轴方向受力不均匀,会导致元件浸入到焊锡膏中的深度不均匀,熔化时会因时间差而导致两边的湿润力不平衡.如果元件贴片移位会直接导致立碑解决办法:调节贴片机工艺参数.1.4、炉温曲线不正确,如果再流焊炉炉体过短和温区太少就会造成对PCB加热的工作曲线不正确,以致板面上湿差过大从而造成湿润力不平衡.解决办法:根据每种不同产品调节好适当的温度曲线1.5、氮气再流焊中的氧浓度.采取氮气保护再流焊会增加焊料的湿润力,但越来越多的例证说明,在氧气含量过低的情况下发生立碑的现象反而增多;通常认为氧含量控制在(100〜500) x 10的负6次方左右最为适宜.>>>>锡珠锡珠是再流焊中常见的缺陷之一,它不仅影响外观而且会引起桥接.锡珠可分为两类,一类出现在片式元器件一侧,常为一个独立的大球状;另一类出现在IC引脚四周,呈分散的小珠状.产生锡珠的原因很多,现分析如下:2.1、温度曲线不正晦再流焊曲线可以分为4个区段,分别是预热、保温、再流和冷却预热、保温的目的是为了使PCB表面温度在60〜90s内升到1500G并保温约90s,这不仅可以降低PCB及元件的热冲击,更主要是确保焊锡膏的溶剂能部分挥发避免再流焊时因溶剂太多引起飞溅,造成焊锡膏冲出焊盘而形成锡珠解决办法:注意升温速率,并采取适中的预热,使之有一个很好的平台使溶剂大部分挥发.2.2、焊锡膏的质量2.2.1、焊锡膏中金属含量通常在(90±0.5)%,金属含量过低会导致助焊剂成分过多,因此过多的助焊剂会因预热阶段不易挥发而引起飞珠2.2.2、焊锡膏中水蒸气和氧含量增加也会引起飞珠由于焊锡膏通常冷藏,当从冰箱中取出时, 如果没有确保恢复时间,将会导致水蒸气进入;此外焊锡膏瓶的盖子每次使用后要盖紧若没有及时盖严,也会导致水蒸气的进入.放在模板上印制的焊锡膏在完工后.剩余的部分应另行处理若再放回原来瓶中,会引起瓶中焊锡膏变质,也会产生锡珠.解决办法:选择优质的焊锡膏,注意焊锡膏的保管与使用要求.2.3、印刷与贴片2.3.1、在焊锡膏的印刷工艺中,由于模板与焊盘对中会发生偏移,若偏移过大则会导致焊锡膏浸流到焊盘外,加热后容易出现锡珠.此外印刷工作环境不好也会导致锡珠的生成理想的印刷环境温度为25±3℃,相对湿度为50%〜65%.解决办法仔细调整模板的装夹,防止松动现象改善印刷工作环境.2.3.2、贴片过程中Z轴的压力也是引起锡珠的一项重要原因,却往往不引起人们的注意.部分贴片机Z轴头是依据元件的厚度来定位的,如Z轴高度调节不当,会引起元件贴到PCB上的一瞬间将焊锡膏挤压到焊盘外的现象这部分焊锡膏会在焊接时形成锡珠.这种情况下产生的锡珠尺寸稍大.解决办法:重新调节贴片机的Z轴高度.2.3.3、模板的厚度与开口尺寸.模板厚度与开口尺寸过大会导致焊锡膏用量增大也会引起焊锡膏漫流到焊盘外,特别是用化学腐蚀方法制造的摸板.解决办法:选用适当厚度的模板和开口尺寸的设计一般模板开口面积为焊盘尺寸的90%.>>>>芯吸现象芯吸现象又称抽芯现象是常见焊接缺陷之一,多见于气相再流焊.芯吸现象使焊料脱离焊盘而沿引脚上行到引脚与芯片本体之间,通常会形成严重的虚焊现象.产生的原因只要是由于元件引脚的导热率大故升温迅速,以致焊料优先湿润引脚,焊料与引脚之间的湿润力远大于焊料与焊盘之间的湿润力,此外引脚的上翘更会加剧芯吸现象的发生解决办法:3.1、对于气相再流焊应将SMA首先充分预热后再放入气相炉中;3.2、应认真检查PCB焊盘的可焊性,可焊性不好的PCB不能用于生产;3.3、充分重视元件的共面性对共面性不好的器件也不能用于生产.在红外再流焊中,PCB基材与焊料中的有机助焊剂是红外线良好的吸收介质而引脚却能部分反射红外线,故相比而言焊料优先熔化,焊料与焊盘的湿润力就会大于焊料与引脚之间的湿润力,故焊料不会沿引脚上升,从而发生芯吸现象的概率就小得多.>>>>桥连桥连是SMT生产中常见的缺陷之一,它会引起元件之间的短路,遇到桥连必须返修.引起桥连的原因很多主要有:4.1、焊锡膏的质量问题.4.1.1、焊锡膏中金属含量偏高,特别是印刷时间过久,易出现金属含量增高,导致IC引脚桥连; 4.1.2、焊锡膏粘度低,预热后漫流到焊盘外;4.1.3、焊锡膏塔落度差,预热后漫流到焊盘外;解决办法:调整焊锡膏配比或改用质量好的焊锡膏4.2、印刷系统4.2.1、印刷机重复精度差对位不齐(钢板对位不好、PCB对位不好),.致使焊锡膏印刷到焊盘外,尤其是细间距QFP焊盘;4.2.2、模板窗口尺寸与厚度设计不对以及PCB焊盘设计Sn-pb合金镀层不均匀,导致焊锡膏偏多. 解决方法:调整印刷机,改善PCB焊盘涂覆层;4.3、贴放压力过大焊锡膏受压后满流是生产中多见的原园另外贴片精度不够会使元件出现移位、IC 引脚变形等.4.4、再流焊炉升温速度过快焊锡膏中溶剂来不及挥发.解决办法:调整贴片机Z轴高度及再流焊炉升温速度.>>>>波峰焊质量缺陷及解决办法5.1、拉尖是指在焊点端部出现多余的针状焊锡,这是波峰焊工艺中特有的缺陷.产生原因:PCB传送速度不当,预热温度低,锡锅温度低,PCB传送倾角小,波峰不良,焊剂失效, 元件引线可焊性差.解决办法:调整传送速度到合适为止调整预热温度和锡锅温度,调整PCB传送角度,优选喷嘴, 调整波峰形状,调换新的焊剂并解决引线可焊性问题.5.2、虚焊产生原因:元器件引线可焊性差,预热温度低,焊料问题,助焊剂活性低,焊盘孔太大,引制板氧化,板面有污染,传送速度过快,锡锅温度低.解决办法:解决引线可焊性,调整预热温度,化验焊锡的锡和杂质含量调整焊剂密度,设计时减少焊盘孔,清除PCB氧化物,清洗板面,调整传送速度,调整锡锅温度.5.3、锡薄产生的原因:元器件引线可焊性差,焊盘太大(需要大焊盘除外),焊盘孔太大,焊接角度太大,传送速度过快,锡锅温度高,焊剂涂敷不均,焊料含锡量不足.解决办法:解决引线可焊性,设计时减少焊盘及焊盘孔,减少焊接角度,调整传送速度,调整锡锅温度,检查预涂焊剂装置,化验焊料含量.5.4、漏焊产生原因:引线可焊性差,焊料波峰不稳,助焊剂失效或喷涂不均,PCB局部可焊性差, 传送链抖动,预涂焊剂和助焊剂不相溶,工艺流程不合理.解决办法:解决引线可焊性,检查波峰装置,更换焊剂,检查预涂焊剂装置,解决PCB可焊性(清洗或退货),检查调整传动装置,统一使用焊剂,调整工艺流程.5.5、焊接后印制板I阻焊膜起泡SMA在焊接后会在个别焊点周围出现浅绿色的小泡严重时还会出现指甲盖大小的泡状物,不仅影响外观质量严重时还会影响性能,这种缺陷也是再流焊工艺中时常出现的问题但以波峰焊时为多. 产生原因:阻焊膜起泡的根本原因在于阻焊模与PCB基材之间存在气体或水蒸气,这些微量的气体或水蒸气会在不同工艺过程中夹带到其中,当遇到焊接高温时,气体膨胀而导致阻焊膜与PCB基材的分层,焊接时,焊盘温度相对较高,故气泡首先出现在焊盘周围.下列原因之一均会导致PCB夹带水气:5.5.1、PCB在加工过程中经常需要清洗、干燥后再做下道工序如腐刻后应干燥后再贴阻焊膜,若此时干燥温度不够,就会夹带水汽进入下道工序,在焊接时遇高温而出现气泡.5.5.2、PCB加工前存放环境不好,湿度过高,焊接时又没有及时干燥处理.5.5.3、在波峰焊工艺中,现在经常使用含水的助焊剂,若PCB预热温度不够,助焊剂中的水汽会沿通孔的孔壁进入到PCB基材的内部,其焊盘周围首先进入水汽,遇到焊接高温后就会产生气泡.5.5.4、严格控制各个生产环节,购进的PCB应检验后入库,通常PCB在260℃温度下10s内不应出现起泡现象.5.5.5、PCB应存放在通风干燥环境中,存放期不超过6个月;5.5.6、PCB在焊接前应放在烘箱中在(120±5)℃温度下预烘4小时.5.5.7、波峰焊中预热温度应严格控制,进入波峰焊前应达到100 ~ 140℃,如果使用含水的助焊剂,其预热温度应达到110 ~ 145℃,确保水汽能挥发完.>>>>SMA焊接后PCB基板上起泡SMA焊接后出现指甲大小的泡状物,主要原因也是PCB基材内部夹带了水汽,特别是多层板的加工.因为多层板由多层环氧树脂半固化片预成型再热压后而成若环氧树脂半固化片存放期过短,树脂含量不够,预烘干去除水汽去除不干净,则热压成型后很容易夹带水汽.也会因半固片本身含胶量不够,层与层之间的结合力不够而留下气泡.此外,PCB购进后,因存放期过长, 存放环境潮湿,贴片生产前没有及时预烘受潮的PCB贴片后也易出现起泡现象.解决办法:PCB购进后应验收后方能入库;PCB贴片前应在(120±5)℃温度下预烘4小时.>>>>IC引脚焊接后开路或虚焊产生原因:7.1、共面性差,特别是FQFP器件,由于保管不当而造成引脚变形,如果贴片机没有检查共面性的功能,有时不易被发现.7.2、引脚可焊性不好,IC存放时间长,引脚发黄,可焊性不好是引起虚焊的主要原因.7.3、焊锡膏质量差,金属含量低,可焊性差,通常用于FQFP器件焊接的焊锡膏,金属含量应不7.4、预热温度过高,易引起IC引脚氧化,使可焊性变差.7.5、印刷模板窗口尺寸小,以致焊锡膏量不够.解决办法:7.6、注意器件的保管,不要随便拿取元件或打开包装.7.7、生产中应检查元器件的可焊性,特别注意IC存放期不应过长(自制造日期起一年内),保管时应不受高温、高湿.]7.8、仔细检查模板窗口尺寸,不应太大也不应太小,并且注意与PCB焊盘尺寸相配套.。
SMT回流焊常见缺陷分析及处理不润湿(Nonwetting)/润湿不良(Poor Wetting)通常润湿不良是指焊点焊锡合金没有很好的铺展开来,从而无法得到良好的焊点并直接影响到焊点的可靠性。
产生原因:1.焊盘或引脚表面的镀层被氧化,氧化层的存在阻挡了焊锡与镀层之间的接触;2.镀层厚度不够或是加工不良,很容易在组装过程中被破坏;3.焊接温度不够。
相对SnPb而言,常用无铅焊锡合金的熔点升高且润湿性大为下降,需要更高的焊接温度来保证焊接质量;4.预热温度偏低或是助焊剂活性不够,使得助焊剂未能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜;5.还有就是镀层与焊锡之间的不匹配业有可能产生润湿不良现象;6.越来越多的采用0201以及01005元件之后,由于印刷的锡膏量少,在原有的温度曲线下锡膏中的助焊剂快速的挥发掉从而影响了锡膏的润湿性能;7.钎料或助焊剂被污染。
防止措施:1.按要求储存板材以及元器件,不使用已变质的焊接材料;2.选用镀层质量达到要求的板材。
一般说来需要至少5μm 厚的镀层来保证材料12个月内不过期;3.焊接前黄铜引脚应该首先镀一层1~3μm的镀层,否则黄铜中的Zn将会影响到焊接质量;4.合理设置工艺参数,适量提高预热或是焊接温度,保证足够的焊接时间;5.氮气保护环境中各种焊锡的润湿行为都能得到明显改善;6.焊接0201以及01005元件时调整原有的工艺参数,减缓预热曲线爬伸斜率,锡膏印刷方面做出调整。
黑焊盘(Black Pad)黑焊盘:指焊盘表面化镍浸金(ENIG)镀层形态良好,但金层下的镍层已变质生成只要为镍的氧化物的脆性黑色物质,对焊点可靠性构成很大威胁。
产生原因: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.化镍层在进行浸金过程中镍的氧化速度大于金的沉积速度,所以产生的镍的氧化物在未完全溶解之前就被金层覆盖从而产生表面金层形态良好,实际镍层已发生变质的现象;2.沉积的金层原子之间比较疏松,金层下面的镍层得以有继续氧化的机会。
SMT回流焊常见缺陷及处理方法常见缺陷及处理方法焊接缺陷可以分为主要缺陷,次要缺陷和表面缺陷。
凡使SMA功能失效的缺陷称为主要缺陷;次要缺陷是指焊点之间润湿尚好,不会引起SMA功能丧失,但有影响产品寿命的可能的缺陷;表面缺陷是指不影响产品的功能和寿命。
它受许多参数的影响,如锡膏、贴状精度以及焊接工艺等。
我们在进行SMT工艺研究和生产中,深知合理的表面组装工艺技术在控制和提高SMT产品质量中起着至关重要的作用。
一,回流焊中的锡珠1,回流焊中锡珠形成的机理回流焊中出现的锡珠(或称焊料球),常常藏与矩形片式元件两端之间的侧面或细间距引脚之间。
在元件贴状过程中,焊膏被置于片式元件的引脚与焊盘之间,随着印制板穿过回流焊炉,焊膏熔化变成液体,如果与焊盘和器件引脚等润湿不良,液态焊料颗粒不能聚合成一个焊点。
部分液态焊料会从焊缝流出,形成锡珠。
因此,焊料与焊盘和器件引脚的润湿性差是导致锡珠形成的根本原因。
锡膏在印刷工艺中,由于模版与焊盘对中偏移,若偏移过大则会导致锡膏漫流到焊盘外,加热后容易出现锡珠。
贴片过程中Z轴的压力是引起锡珠的一项重要原因,往往不被人们注意,部分贴装机由于Z轴头是根据元件的厚度来定位,故会引起元件贴到PCB上一瞬间将锡蕾挤压到焊盘外的现象,这部分的锡明显会引起锡珠。
这种情况下产生的锡珠尺寸稍大,通常只要重新调节Z轴高度就能防止锡珠的产生。
2,原因分析与控制方法造成焊料润湿性差的原因很多,以下主要分析与相关工艺有关的原因及解决措施:(1)回流温度曲线设置不当。
焊膏的回流与温度和时间有关,如果未到达足够的温度或时间,焊膏就不会回流。
预热区温度上升速度过快,时间过短,使锡膏内部的水分和溶剂未完全挥发出来,到达回流焊温区时,引起水分、溶剂沸腾溅出锡珠。
实践证明,将预热区温度的上升速度控制在1~4℃/S是较理想的。
(2)如果总在同一位置上出现锡珠,就有必要检查金属模板设计结构。
模板开口尺寸腐蚀精度达不到要求,焊盘尺寸偏大,以及表面材质较软(如铜模板),会造成印刷焊膏的外轮廓不清晰互相连接,这种情况多出现在对细间距器件的焊盘印刷时,回流后必然造成引脚间大量锡珠的产生。
SMT焊接常见缺陷及解决办法摘要本文对采用SMT生产的印制电路组件中出现的几种常见焊接缺陷现象进行了分析,并总结了一些有效的解决措施。
ﻫ在SMT生产过程中,我们都希望基板从贴装工序开始,到焊接工序结束,质量处于零缺陷状态,但实际上这很难达到。
由于SMT生产工序较多,不能保证每道工序不出现一点点差错,因此在SMT生产过程中我们会碰到一些焊接缺陷。
这些焊接缺陷通常是由多种原因所造成的,对于每种缺陷,我们应分析其产生的根本原因,这样在消除这些缺陷时才能做到有的放矢。
本文将以一些常见焊接缺陷为例,介绍其产生的原因及排除方法。
桥接ﻫﻫ桥接经常出现在引脚较密的IC上或间距较小的片状元件间,这种缺陷在我们的检验标准中属于重大不良,会严重影响产品的电气性能,所以必须要加以根除。
ﻫ产生桥接的主要原因是由于焊膏过量或焊膏印刷后的错位、塌边。
ﻫﻫ焊膏过量焊膏过量是由于不恰当的模板厚度及开孔尺寸造成的。
通常情况下,我们选择使用0.15mm厚度的模板。
而开孔尺寸由最小引脚或片状元件间距决定。
ﻫ印刷错位ﻫ在印刷引脚间距或片状元件间距小于0.65mm的印制板时,应采用光学定位,基准点设在印制板对角线处。
若不采用光学定位,将会因为定位误差产生印刷错位,从而产生桥接。
ﻫ焊膏塌边1.印刷塌边ﻫ造成焊膏塌边的现象有以下三种ﻫﻫ焊膏印刷时发生的塌边。
这与焊膏特性,模板、印刷参数设定有很大关系:焊膏的粘度较低,保形性不好,印刷后容易塌边、桥接;模板孔壁若粗糙不平,印出的焊膏也容易发生塌边、桥接;过大的刮刀压力会对焊膏产生比较大的冲击力,焊膏外形被破坏,发生塌边的概率也大大增加。
ﻫ对策:选择粘度较高的焊膏;采用激光切割模板;降低刮刀压力。
ﻫ2.贴装时的塌边当贴片机在贴装SOP、QFP类集成电路时,其贴装压力要设定恰当.压力过大会使焊膏外形变化而发生塌边。
3.焊接加热对策:调整贴装压力并设定包含元件本身厚度在内的贴装吸嘴的下降位置。
ﻫﻫ时的塌边在焊接加热时也会发生塌边。
SMT回流焊常见缺陷分析及处理SMT回流焊是一种常用的电子焊接工艺,主要用于贴片式元器件的焊接。
在进行SMT回流焊过程中,常会出现一些焊接缺陷,如未焊牢、焊接剥离、焊盘破裂等问题。
本文将针对常见的SMT回流焊缺陷进行分析,并提出相应的解决方案。
1.未焊牢未焊牢是指焊料没有成功熔化或没有完全覆盖焊接区域,导致焊点与焊盘或焊脚之间没有良好的连接。
未焊牢的原因主要有:1.1渣滓或脏污:焊盘上存在未清除的污染物,影响了焊料与焊盘的接触,导致焊接不牢固。
解决方案:加强清洁工作,确保焊盘表面无污染物。
定期清洗焊盘,使用清洁剂去除焊接区域的油污和氧化物。
1.2温度不足:焊接过程中,焊接区域温度没有达到焊料的熔点,无法完全熔化焊料。
解决方案:调整回流焊炉的温度曲线,确保焊接区域温度达到焊料的熔点。
也可增加焊料的熔点,以提高焊接强度。
1.3焊料不足:焊料的数量不足,无法完全覆盖焊接区域。
解决方案:增加焊料的用量,确保焊料充分润湿焊盘,覆盖焊脚,提高焊接质量。
2.焊接剥离焊接剥离是指焊料与焊盘或焊脚之间的连接不牢固,容易出现脱离或剥离的现象。
焊接剥离的原因主要有:2.1焊料湿度不合适:焊料在焊接前未经过适当的烘干处理,含有过多的水分。
解决方案:将焊料置于适宜的环境中,控制湿度,确保焊料在焊接前达到合适的湿度。
2.2焊盘表面氧化:焊盘在焊接前可能会出现氧化现象,影响焊料与焊盘的接触。
解决方案:在焊接前对焊盘进行适当的处理,清除焊盘表面的氧化物。
使用氧化抑制剂可以有效地减少焊盘氧化。
2.3温度不均匀:焊接过程中,焊接区域温度分布不均匀,导致焊料与焊盘之间的连接不牢固。
解决方案:调整回流焊炉的温度曲线,确保焊接区域温度均匀分布,避免焊接剥离的问题。
3.焊盘破裂焊盘破裂是指焊料与焊盘之间的连接受力不均,导致焊盘出现裂缝或脱落的现象。
焊盘破裂的原因主要有:3.1高温冷却:焊接后,焊接区域在没有完全冷却之前就受到强制冷却,导致焊料与焊盘之间的连接受力不均。
SMT回流焊常见缺陷分析及处理不润湿(Nonwetting)/润湿不良(Poor Wetting)通常润湿不良是指焊点焊锡合金没有很好的铺展开来,从而无法得到良好的焊点并直接影响到焊点的可靠性。
产生原因:1.焊盘或引脚表面的镀层被氧化,氧化层的存在阻挡了焊锡与镀层之间的接触;2.镀层厚度不够或是加工不良,很容易在组装过程中被破坏;3.焊接温度不够。
相对SnPb而言,常用无铅焊锡合金的熔点升高且润湿性大为下降,需要更高的焊接温度来保证焊接质量;4.预热温度偏低或是助焊剂活性不够,使得助焊剂未能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜;5.还有就是镀层与焊锡之间的不匹配业有可能产生润湿不良现象;6.越来越多的采用0201以及01005元件之后,由于印刷的锡膏量少,在原有的温度曲线下锡膏中的助焊剂快速的挥发掉从而影响了锡膏的润湿性能;7.钎料或助焊剂被污染。
防止措施:1.按要求储存板材以及元器件,不使用已变质的焊接材料;2.选用镀层质量达到要求的板材。
一般说来需要至少5μm厚的镀层来保证材料12个月内不过期;3.焊接前黄铜引脚应该首先镀一层1~3μm的镀层,否则黄铜中的Zn将会影响到焊接质量;4.合理设置工艺参数,适量提高预热或是焊接温度,保证足够的焊接时间;5.氮气保护环境中各种焊锡的润湿行为都能得到明显改善;6.焊接0201以及01005元件时调整原有的工艺参数,减缓预热曲线爬伸斜率,锡膏印刷方面做出调整。
黑焊盘(Black Pad)黑焊盘:指焊盘表面化镍浸金(ENIG)镀层形态良好,但金层下的镍层已变质生成只要为镍的氧化物的脆性黑色物质,对焊点可靠性构成很大威胁。
产生原因: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.化镍层在进行浸金过程中镍的氧化速度大于金的沉积速度,所以产生的镍的氧化物在未完全溶解之前就被金层覆盖从而产生表面金层形态良好,实际镍层已发生变质的现象;2.沉积的金层原子之间比较疏松,金层下面的镍层得以有继续氧化的机会。
在GalvanicEffect的作用下镍层会继续劣化。
防止措施:目前还没有切实有效防止措施的相关报道,但可以从以下方面进行改善:1.减少镍槽的寿命,生产中严格把关,控制P的含量在7%左右。
镍槽使用寿命长了之后其中的P含量会增加,从而会加快镍的氧化速度;2.镍层厚度至少为4μm,这样可以使得镍层相对平坦;金层厚度不要超过0.1μm,过多的金只会使焊点脆化;3.焊前烘烤板对焊接质量不会起太大促进作用。
黑焊盘在焊接之前就已经产生,烘烤过度反而会使镀层恶化;4.浸金溶液中加入还原剂,得到半置换半还原的复合金层,但成本会提高2.5倍。
桥连(Bridge)焊锡在毗邻的不同导线或元件之间形成的非正常连接就是通常所说的桥连现象。
产生原因:1.线路分布太密,引脚太近或不规律;2.板面或引脚上有残留物;3.预热温度不够或是助焊剂活性不够;4.锡膏印刷桥连或是偏移等。
注:一定搭配的焊盘与引脚焊点在一定条件下能承载的钎料(锡膏)量是一定的,处理不当多余的部分都可能造成桥连现象。
防止措施:1.合理设计焊盘,避免过多采用密集布线;2.适当提高焊接预热温度,同时可以考虑在一定范围内提高焊接温度以提高焊锡合金流动性;3.氮气环境中桥连现象有所减少。
返修:产生桥连现象的焊点可以用电烙铁进行返修处理。
不共面/脱焊(Noncoplanar)脱焊容易造成桥连、短路、对不准等现象。
产生原因:1.元件引脚扁平部分的尺寸不符合规定的尺寸;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,贴片机贴装时压力太小,焊膏厚度与其上的尺寸不匹配。
防止措施:1.选用合格的元件;2.避免操作过程中的损伤;3.焊膏印刷均匀。
墓碑(Tombstone)墓碑现象指元件一端脱离焊锡,直接造成组装板的失效。
产生原因: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.锡膏印刷不均匀;2.元件贴片不精确;3.温度不均匀;4.基板材料的导热系数不同以及热容不同;5.氮气情况下墓碑现象更为明显;6.元件与导轨平行排列时更容易出现墓碑现象。
防止措施:1.提高整个过程中的操作精度—印刷精度、贴片精度、温度均匀性;2.纸基、玻璃环氧树脂基、陶瓷基,出现墓碑的概率依次减少;3.对板面元件分布进行合理设计。
助焊剂残留(Flux Residues)板面存在较多的助焊剂残留的话,既影响了板面的光洁程度,同时对PCB板本身的电气性也有一定的影响。
产生原因:1.助焊剂(锡膏)选型错误。
比如要求采用免清洗助焊剂的场合却采用松香树脂型导致残留较多;2.助焊剂中松香树脂含量过多或是品质不好容易造成残留过多;3.清洗不够或是清洗方法不当不能有效清除表面残留;4.工艺参数不相匹配,助焊剂未能有效挥发掉。
防止措施:1.正确选用助焊剂;2.对需要清洗的板进行恰当的清洗处理。
锡瘟(Tin Pest)产生原因: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:可以通过Sn的合金化来防止甚至是消除锡瘟,比如Sn与Bi、Sb的合金或是与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的溶解量至少要达到5%才能起到作用。
传统的SnPb共晶中Pb的含量在37%,所以以前并没有发现锡瘟现象。
元件侧贴(Billboard)/元件反贴(Upside Down)电阻反贴不可接受,电容反贴虽不可接受,但不会造成太大影响。
侧贴元件还会影响到下一步的组装。
产生原因: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:不足的焊膏使用专业的钎焊烙铁可以移处。
加一些助焊剂到焊点上,再放置一些断续的纤维,把钎焊烙铁尖放到钎焊合金的上表面进行加热,直到焊膏合金溶化后进入纤维后抬起来。
一次不行可以多次。
使用焊膏丝重新钎焊元件端部。
如果必要的化使用异丙醇、棉花球、或软抹布清洗,直到焊剂被去除。
锡球(Solder Ball)板上粘附的直径大于0.13mm或是距离导线0.13mm以内的球状锡颗粒都被统称为锡球。
锡球违反了最小电气间隙原理会影响到组装板的电气可靠性。
注:IPC规定600mm2内多于5个锡球则被视为缺陷。
产生原因: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.板材中含有过多的水分;2.阻焊膜未经过良好的处理。
阻焊膜的吸附是产生锡球的一个必要条件;3.助焊剂使用量太大;4.预热温度不够,助焊剂未能有效挥发;5.印刷中的粘附板上的锡膏颗粒容易造成锡球现象。
1.合理设计焊盘;2.通孔铜层至少25μm以避免止板内所含水汽的影响;3.采用合适的助焊剂涂敷方式,减少助焊剂中混入的气体量;4.适当提高预热温度;5.对板进行焊前烘烤处理;6.采用合适的阻焊膜。
相对来说平整的阻焊膜表面更容易产生锡球现象。
芯吸(Wick)现象:焊料从焊点位置爬上引脚,而没能实现引脚与焊盘之间的良好结合。
产生原因:1.元器件的引脚的比热容小,在相同的加热条件下,引脚的升温速率大于PCB焊盘的速率;2.印刷电路板焊盘可焊性差;3.过孔设计不合理,影响了焊点热容的损失;4.焊盘镀层可焊性太差或过期;解决方法:1.使用较慢的加热速率,降低 PCB焊盘和引脚之间的温差;2.选用合适的焊盘镀层;3.PCB板过孔的设计不能影响到焊点的热容损失。
焊点空洞(Void)焊点内部填充空洞的出现与助焊剂的蒸发不完全有关。
焊接过程中助焊剂使用量控制不当的很容易出现填充空洞现象。
少量的空洞的出现对焊点不会造成太大影响,但大量出现就会影响到焊点可靠性。
产生原因:1.锡膏中助焊剂比例偏大,难以在焊点凝固之前完全逸出;2.预热温度偏低,助焊剂中的溶剂难以完全挥发,停留在焊点内部就会造成填充空洞现象;3.焊接时间过短,气体逸出的时间不够的话同样会产生填充空洞;4.无铅焊锡合金凝固时一般存在有4%的体积收缩,如果最后凝固区域位于焊点内部的话同样会产生空洞;5.操作过程中沾染的有机物同样会产生空洞现象;预防措施:1.调整工艺参数,控制好预热温度以及焊接条件;2.锡膏中助焊剂的比例适当;3.避免操作过程中的污染情况发生。
BGA空洞(BGA Void)产生原因:1.锡膏中助焊剂作用的结果;2.表面张力作用的结果;3.温度曲线设置不当,BGA焊球由于位于元件下方,因此常常与其他区域存在有一定温差,需要合理设置温度曲线;4.板材中含有的水分在焊接过程中进入到焊球当中;5.如果有铅元件搭配无铅锡膏的话,锡铅合金提前熔化并覆盖住无铅合金,使得无铅合金中的助焊剂难以逸出从而产生填充空洞。
1.合理设置温度曲线;2.避免无铅材料与有铅材料的混用;3.不使用过期板材。
元件偏移(Component Excursion)一般说来,元件偏移量大于可焊端宽度的50%被认为是不可接受的,通常要求偏移量小于25%。
产生原因:1.贴片机精度不够;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.焊膏塌边引起偏移;6.锡膏超过使用期限,助焊剂变质所致;7.如元件旋转,则由程序旋转角度错误;9.如果同样程度的元件错位在每块板上都发现,那程序需要被修改,如果在每块板上的错位不同,那么很可能是板的加工问题或位置错误;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.风量过大。
防止措施:1.校准定位坐标,注意元件贴装的准确性;2.使用粘度大的焊膏,增加元件贴装压力,增大粘结力;3.选用合适的锡膏,防止焊膏塌陷的出现以及具有合适的助焊剂含量;4.调整马达转速。
元件破裂(Component Crack)产生原因:1.组装之前产生破坏;2.焊接过程中板材与元件之间的热不匹配性造成元件破裂;3.贴片过程处置不当;4.焊接温度过高;5.元件没按要求进行储存,吸收过量的水汽在焊接过程中造成元件破裂;6.冷却速率太大造成元件应力集中。