回流焊接過程中焊料成球的原因

回流焊接過程中焊料成球的原因通孔波峰焊接和表面貼裝（錫膏回流焊接）是電子組裝互連的兩種主要基本方式。其中表面貼裝技術(shù)具備高可靠性、高產(chǎn)量以及低成本的特點，在近20年內(nèi)受到廣泛的歡迎和得到飛速的發(fā)展。但是，不恰當(dāng)?shù)幕亓髑€設(shè)置，不合理的材料選擇，以及較差的焊接環(huán)境等因素可能導(dǎo)致很多的焊接缺陷，最終可能導(dǎo)致長期的可靠性問題。常見的主要焊接缺陷包括：較差的潤濕性（缺焊，冷焊，空焊），焊料球、錫珠、立碑、元器件開裂、過度的金屬間化合物生長，焊點空洞等等1。因此，通過了解各種缺陷的基本原因，從而進行合理的材料工藝組合和優(yōu)化，可以提高組裝焊接的質(zhì)量和確保其長期可靠性。隨著高密度和細間距封裝技術(shù)的發(fā)展，以及無鉛焊接的高溫工藝和材料的更替，使得焊料球成為一個關(guān)鍵的問題。所以，本文將主要討論焊料成球的原因，及其對組裝的影響。焊料球是指焊接過程中，焊料由于飛濺等原因在電路板的不必要位置形成分散的小球。這種小球會在電路板的兩個相鄰部件（例如導(dǎo)線，焊盤，引腳等）之間產(chǎn)生電流泄漏，電氣噪聲，甚至短路，帶來長期的可靠性隱患。另外，在對它們進行處理過程中，也可能會影響相鄰的部件的性能。本文旨在為控制焊料球的形成提供一定的解決方案，從而提高電子組裝的可靠性。焊料球常見于元器件引腳周圍以及在引腳和焊盤的間隙等地方，有些也出現(xiàn)在離焊點彳艮遠的位置。它們一般成群地，離散地，以小顆粒出現(xiàn)。其主要原因是在金屬焊點的形成過程中，熔融的金屬合金的飛濺而導(dǎo)致的。在回流焊接過程中，熔融助焊劑的蒸發(fā)速度過快會容易引發(fā)融熔錫合金的飛濺2。飛濺過程中，部分小滴焊料會隨焊劑一起噴射，被從主體焊料中分離出來，最終留在焊點周圍。因此，焊劑載體中較高的溶劑比例，或者由于為適應(yīng)無鉛高溫工藝使用的高沸點溶劑過量，以及加熱不當(dāng)都會導(dǎo)致焊料球的可能大大增加。被焊接的表面或者細膏中的錫粉氧化程度太高，或者錫粉的缺陷也容易導(dǎo)致焊料球的形成。氧化和表面的物理缺陷使得整體內(nèi)的各個部分的受熱升溫，化學(xué)反應(yīng)等過程不均勻一致，繼而焊劑的熱行為也受到很大的影響，最終引發(fā)焊料球。較低的焊膏黏度更容易引起較多飛濺，這是因為外表液滴和主體親和力小，在助焊劑的幫助下，容易形成細小球狀顆粒而飛出。內(nèi)部氣泡的壓力超過的熔融焊料的表面張力的話，破裂的時候，帶走更多的顆粒。但是如果氣泡留在焊料內(nèi)，又容易導(dǎo)致最終焊點的空洞。周圍的環(huán)境也會影響焊料球。例如外界（工作環(huán)境）較高的濕度，而錫膏溶劑體系中一般含有多元醇醚類物質(zhì)，具備親水性和吸濕性。又如不當(dāng)?shù)腻a膏回復(fù)過程，從冰箱中拿出錫膏，過早地打開瓶蓋，導(dǎo)致水蒸氣凝聚。所有這些，都會導(dǎo)致過多的水分被錫膏吸收，從而在焊接過程中引起錫膏飛濺。操作房間內(nèi)的高溫會使焊膏黏性變低，也會促成焊料球的形成。另外，劇烈的加熱或者冷卻，導(dǎo)致合金和焊劑狀態(tài)變化太快，尤其是對于無鉛的高溫工藝，也會加速焊料球的形成。所以，回流溫度曲線是決定焊料球形成的一個重要參數(shù)?；亓鬟^程中不同階段的，會導(dǎo)致不同的問題。升溫階段是非常重要的，應(yīng)該很小心設(shè)計和調(diào)整，以免焊料球的產(chǎn)生。同時，升溫階段對于其他缺陷，如橋連、焊接性、樹碑現(xiàn)象、空洞、焊料抽芯等缺陷也至關(guān)重要，令卻階段在也不能忽視。較低的冷卻溫度速率一其溫度高于金屬合金的熔點，會導(dǎo)致金屬間化合物的生長，而較快的冷卻則會產(chǎn)生內(nèi)在壓力和元器件的破裂。最后，錫膏中如果含其他低沸點物質(zhì)以及雜質(zhì)等，也可能會引發(fā)大量的氣泡，也有助于焊料球的形成。為了更好的理解回流過程中焊料球的形成，根據(jù)IPC-TM-6502.4.433,我們對錫膏進行了焊料球的測試。同時表征了實際回流過程中錫膏的基本性能特點。通過觀察焊料球的尺寸和焊點周圍焊料球的數(shù)量、殘渣的顏色、助焊劑的活性以及焊料球的亮度，有助于進一步分析和了解這種缺陷的成因和對策。采用60'60'0.6mm的陶瓷基板用作印刷基板，因為其成分是Al2O3陶瓷，所以看作是不潤濕的基板。采用均勻加熱的熱板對印刷的樣品進行加熱，同時利用精密控制的熱電偶來探測基板表面溫度。此實驗中使用了傳統(tǒng)錫鉛和無鉛的商業(yè)錫膏。無鉛的合金成分包括SnAg3Cu0.5,Sn-9Zn,Sn-8Zn-3Bi；而有鉛的則是Sn37Pb。將使用模板，在陶瓷板上E印刷多個直徑6.5mm,厚度0.2mm的錫膏。然后將陶瓷板放在加熱板上進行加熱，加熱板溫度設(shè)定在合金熔點的25度以上，也就是說，對于Sn37Pb，發(fā)熱溫度為208度(183+25)，而SnAg3Cu0.5的情況則為242度。錫膏會在陶瓷板放到發(fā)熱板上開始后的20-40秒內(nèi)融化，由于表面張力，回縮成一個主體圓球，此時取下陶瓷板，樣品令卻凝固。在熒光立體顯微鏡顯下進行觀測主體球周圍的小球分布，數(shù)量和尺寸等特征。結(jié)果表明，傳統(tǒng)錫鉛錫膏的焊料球性能要好于無鉛錫膏，無鉛錫膏會產(chǎn)生更多的焊料球。在錫鉛錫膏樣品中的平均焊料球的數(shù)目為5~10,而在無鉛錫膏樣品中則為10~15。在錫鉛錫膏樣品中焊料球的直徑大約在30~50微米范圍內(nèi)，而在無鉛錫膏樣品中為40~50微米。兩種類型的錫膏測試后，主體球周圍的殘渣都是光滑的，但是其顏色顯微黃色。流過程中溫度曲線的傾斜率會影響焊料球的形成。較大的傾斜率通常會導(dǎo)致焊料球狀況的惡化。從放置樣品到熱板上開始到印刷的錫膏圖形開始收縮為止，其升溫斜率經(jīng)過測量，大致為10~15oC每秒。較高的傾斜率在這個階段會引起錫膏內(nèi)氣體的快速逃逸，某些粉末過早失去溶劑載體而發(fā)干，難以和主體一起回縮，尤其是邊緣部分，最終留在原始位置，形成焊料球。錫膏收縮開始后，到完全成一個主體球的時間也應(yīng)該適當(dāng)。如果太快，氣泡飛濺劇烈，加速焊料球的形成；同時一部分氣泡沒有時間逃逸，最終殘留在主體內(nèi)，最終形成空洞。如果太慢，則表明氧化程度高，或者活性低，潤濕性不好。圖1為焊料球的一些試驗結(jié)果圖片。圖1(a)和圖1(b)為無鉛錫膏樣品的典型結(jié)果圖。其焊點清晰，焊料球數(shù)量較少，尺寸較小，屬于可接受的范圍。圖1(d)和0)顯示的是錫鉛錫膏的結(jié)果，較無鉛錫膏而言，它的結(jié)果更好，具備更少數(shù)量，和更小直徑的焊料球。在實際的電路板SMT焊接過程中，錫膏中助焊劑載體起到了化學(xué)清洗氧化物，降低焊料表面張力而促進潤濕鋪展，以及防止被焊表面的再次氧化等作用。典型的助焊劑載體由樹脂松香、活性劑、溶劑，觸變劑，其他添加劑等等組成。如果在焊點形成之前存在過量的氧化物，也就是說焊盤，引腳或者錫膏中錫粉表面氧化程度高，它可能引起較差的潤濕性，最終也和焊料球的形成密不可分。而且助焊劑載體的決定著錫膏的黏度，化學(xué)反應(yīng)行為，熱揮發(fā)性能等等。而這些則是和焊料球性能直接相關(guān)的參數(shù)。所以，在購買，使用錫膏的時候，一定要確診其焊料球性能，以防止因此而導(dǎo)致的失效，翻修等問題，以控制成本。圖2（a）和（b）為錫膏測試的一些較差結(jié)果的圖片。其飛濺程度很大，在主體球周圍產(chǎn)生更多更大的焊料小球。在細間距印刷的應(yīng)用中，由于模板滯帶，錯位印刷，滴漏等原因，使得部分錫膏在印刷的時候就和主體分離，留在焊模（綠油）上。因此在回流過程中，分離的錫膏連接在一起就形成錫珠。所以，助焊劑載體還應(yīng)該使得錫膏具備良好的黏性和流變形（流動和形變的性能），以便印刷4,而不粘刮刀和模板。同時在融化過程中，要使得所有的錫粉盡量收攏到一起。圖3顯示的是一個結(jié)果非常令人不滿意的焊料球的圖片。它表明了較差的回收，以及消極的助焊作用，而且是殘渣的性能很差。溫度曲線也是一個要考慮的問題，它直接影響到錫膏的回流行為和焊接的的可靠性。典型的回流曲線分為預(yù)熱區(qū)、升溫浸蘊區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)。每個階段的溫度都應(yīng)該精密調(diào)整。其中要考慮不同的電路板類型，元器件的數(shù)量，電路板上的不同位置，測溫度熱電偶的精度，工作條件天氣變化等等導(dǎo)致很大誤差甚至是錯誤結(jié)果等問題。如果設(shè)置以及測量控制不當(dāng)，或者測到錯誤的結(jié)果而認為是正確的結(jié)果，會產(chǎn)生很多麻煩。在預(yù)熱的時候，我們推薦2~3分鐘內(nèi)余熱到120-150度（對于無鉛）。對于大板卡，以及較多元器件的組裝，建議時間要長些，升溫要緩慢，因為各種材料吸收和散熱形成差別和大，所以要一個相對較長的時間，使得各個部件，包括錫膏等最終能達到溫度均勻一致。如果太快，使得最后焊接的時候溫度不均勻，各部分的潤濕，反應(yīng)差別較大，不但會造成焊料球問題，還會導(dǎo)致其他的很多問題。在升溫浸蘊區(qū)，我們推薦160-180度（對于無鉛）。時間也要嚴格控制，建議在2分鐘左右，否則會破壞助焊劑載體的化學(xué)反應(yīng)平衡。如果太短，沒有充分清洗表面，焊接表面沒有對整體錫膏的每個部分反應(yīng)和“拉攏”而具備比焊料球形成的優(yōu)先權(quán)，那么部分錫膏就容易分離出去。如果時間太長，錫膏容易塌落，焊劑容易過分揮發(fā)，最終都是焊料球發(fā)生的誘因?；亓骱附訁^(qū)溫度推薦峰值245-255度，時間60-90秒（對于無鉛）。使得焊料能充分反應(yīng)，氣泡也能緩慢發(fā)出，從而減少焊料球的發(fā)生。實際上，相對降低溫度到240度，而增加回流時間，也會取得同樣的良好結(jié)果。這樣的話，也是一個減少對元器件熱傷害的方法。冷卻速率建議不宜大于4度每秒。否則容易在焊點內(nèi)部積累較大的熱應(yīng)力，發(fā)生可靠性問題。這里要提一下的是，除了焊劑載體外，合金類型也有一定的影響。其總體綜合表現(xiàn)決定了焊料球的性能。圖4為我們使用各種不同合金錫膏在焊料球測試中的結(jié)果。通常錫鋅鉍合金能達到較好的結(jié)果，而錫鋅合金錫膏的結(jié)果最不令人滿意。由于容易氧化和潤濕性差，錫鋅合