SMT用焊錫膏知識介紹及其使用過程中常見問題之原因分析.doc

SMT用焊錫膏知識介紹及其使用過程中常見問題之原因分析 作者: jackerxia 發(fā)表日期: 2006-06-07 15:58 復制鏈接 描述： 圖一圖片： SMT用焊錫膏知識介紹及其使用過程中常見問題之原因分析 夏杰一、焊錫膏的主要成份及特性 大致講來，焊錫膏的成份可分成兩個大的部分，即助焊劑和焊料粉（FLUX &SOLDER POWDER）。（一）、助焊劑的主要成份及其作用： A、活化劑(ACTIVATION)：該成份主要起到去除PCB銅膜焊盤表層及零件焊接部位的氧化物質的作用，同時具有降低錫、鉛表面張力的功效； B、觸變劑(THIXOTROPIC) ：該成份主要是調節(jié)焊錫膏的粘度以及印刷性能，起到在印刷中防止出現拖尾、粘連等現象的作用； C、樹脂（RESINS）：該成份主要起到加大錫膏粘附性，而且有保護和防止焊后PCB再度氧化的作用；該項成分對零件固定起到很重要的作用； D、溶劑（SOLVENT）：該成份是焊劑組份的溶劑，在錫膏的攪拌過程中起調節(jié)均勻的作用，對焊錫膏的壽命有一定的影響；（二）、焊料粉： 焊料粉又稱錫粉主要由錫鉛合金組成，一般比例為63/37；另有特殊要求時，也有在錫鉛合金中添加一定量的銀、鉍等金屬的錫粉。概括來講錫粉的相關特性及其品質要求有如下幾點：A、錫粉的顆粒形態(tài)對錫膏的工作性能有很大的影響：A-1、重要的一點是要求錫粉顆粒大小分布均勻，這里要談到錫粉顆粒度分布比例的問題；在國內的焊料粉或焊錫膏生產廠商，大家經常用分布比例來衡量錫粉的均勻度：以2545m的錫粉為例，通常要求35m左右的顆粒分度比例為60%左右，35m 以下及以上部份各占20%左右； A-2、另外也要求錫粉顆粒形狀較為規(guī)則；根據“中華人民共和國電子行業(yè)標準錫鉛膏狀焊料通用規(guī)范（SJ/T 11186-1998）”中相關規(guī)定如下：“合金粉末形狀應是球形的,但允許長軸與短軸的最大比為1.5的近球形狀粉末。如用戶與制造廠達成協議，也可為其他形狀的合金粉末?！痹趯嶋H的工作中，通常要求為錫粉顆粒長、短軸的比例一般在1.2以下。A-3、如果以上A-1及A-2的要求項不能達到上述基本的要求，在焊錫膏的使用過程中，將很有可能會影響錫膏印刷、點注以及焊接的效果。B、各種錫膏中錫粉與助焊劑的比例也不盡相同，選擇錫膏時，應根據所生產產品、生產工藝、焊接元器件的精密程度以及對焊接效果的要求等方面，去選擇不同的錫膏；B-1、根據“中華人民共和國電子行業(yè)標準錫鉛膏狀焊料通用規(guī)范（SJ/T 11186-1998）”中相關規(guī)定，“焊膏中合金粉末百分(質量)含量應為65%-96%,合金粉末百分(質量)含量的實測值與訂貨單預定值偏差不大于1%”；通常在實際的使用中，所選用錫膏其錫粉含量大約在90%左右，即錫粉與助焊劑的比例大致為90：10； B-2、普通的印刷制式工藝多選用錫粉含量在89-91.5%的錫膏；B-3、當使用針頭點注式工藝時，多選用錫粉含量在84-87%的錫膏；B-4、回流焊要求器件管腳焊接牢固、焊點飽滿、光滑并在器件（阻容器件）端頭高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬升，而焊錫膏中金屬合金的含量，對回流焊焊后焊料厚度（即焊點的飽滿程度）有一定的影響；為了證實這種問題的存在，有關專家曾做過相關的實驗，現摘抄其最終實驗結果如下表供參考： 金屬含量（%） 濕焊膏厚度（IN） 回流焊的焊料厚 度（IN）90 0.009 0.004585 0.009 0.003580 0.009 0.002575 0.009 0.0020 從上表看出，隨著金屬含量減少，回流焊后焊料的厚度減少，為了滿足對焊點的焊錫量的要求，通常選用85%92%含量的焊膏。C、錫粉的“低氧化度”也是非常重要的一個品質要求，這也是錫粉在生產或保管過程中應該注意的一個問題；如果不注意這個問題，用氧化度較高的錫粉做出的焊錫膏，將在焊接過程中嚴重影響焊接的品質。二、錫膏的分類方式及選擇標準一般情況下，首先選擇焊錫膏大類，再根據合金組成、顆粒度、粘度等指標來選擇。（一）、分類方式：A、普通松香清洗型分RA（ROSIN ACTIVATED ）及RMA（ROSIN MILDLY ACTIVATED）：此種類型錫膏在焊接過程中表現出較好“上錫速度”并能保證良好的“焊接效果”；在焊接工作完成后，PCB表面松香殘留相對較多，可用適當清洗劑清洗，清洗后板面光潔無殘留，保證了清洗后的板面具有良好的絕緣阻抗，并能通過各種電氣性能的技術檢測；B、免清洗型焊錫膏NC（NO CLEAN）：此種錫膏焊接完成后，PCB板面較為光潔、殘留少，可通過各種電氣性能技術檢測，不需要再次清洗，在保證焊接品質的同時縮短了生產流程，加快了生產進度；C、水溶性錫膏WMA（WATER SOLUBLE PASTES）：早期生產的錫膏因技術上的原因，PCB板面殘留普遍過多，電氣性能不夠理想，嚴重影響了產品品質；當時多用CFC清洗劑來清洗，因CFC對環(huán)保不利，許多國家已禁用；為了適應市場的需求，應運產生了水溶性焊錫膏，此種錫膏焊接工作完成后它的殘留物可用水清洗干凈，既降低了客戶的生產成本，又符合環(huán)保的要求。（二）、選擇標準：1、合金組份：一般情況下，選擇Sn63/Pb37焊料合金組份即可滿足焊接要求；對于有銀（Ag）或鈀（Pd）鍍層器件的焊接，一般選擇合金組份為Sn62/Pb36/Ag2的焊錫膏；對于有不耐熱沖擊器件的pcb焊接選擇含Bi的焊粉。2、錫膏的粘度（VISCOSITY）：在SMT的工作流程中，因為從印刷（或點注）完錫膏并貼上元件，到送入回流焊加熱制程，中間有一個移動、放置或搬運PCB的過程；在這個過程中為了保證已印刷好（或點好）的焊膏不變形、已貼在PCB焊膏上的元件不移位，所以要求錫膏在PCB進入回流焊加熱之前，應有良好的粘性及保持時間。A、對于錫膏的粘性程度指標（即粘度）常用“PaS”為單位來表示；其中200-600PaS的錫膏比較適合用于針式點注制式或自動化程度較高的生產工藝設備；印刷工藝要求錫膏的粘度相對較高，所以用于印刷工藝的錫膏其粘度一般在600-1200 PaS左右，適用于手工或機械印刷；B、高粘度的錫膏具有焊點成樁型效果好等特點，較適于細間距印刷；而低粘度的錫膏在印刷時具有較快下落、工具免洗刷、省時等特點；C、錫膏粘度的另一特點是：其粘度會隨著對錫膏的攪拌而改變，在攪拌時其粘度會有所降低；當停止攪拌時略微靜置后，其粘度會回復原狀；這一點對于如何選擇不同粘度的錫膏有著極為重要的作用。 另外，錫膏的粘度和溫度有很大的關系，在通常狀況下，其粘度將會隨著溫度的升高而逐漸降低。3、目數（MESH）：在國內焊錫膏生產廠商多用錫粉的“顆粒度”來對不同錫膏進行分類，而很多國外廠商或進口焊錫膏多用“目數（MESH）”的概念來進行不同錫膏的分類。目數（MESH）基本概念是指篩網每一平方英寸面積上的網孔數；在實際錫粉生產過程中，大多用幾層不同網眼的篩網來收集錫粉，因每層篩網的網眼大小不同，所以透過每層網眼的錫粉其顆粒度也不盡相同，最后收集到的錫粉顆粒，其顆粒度也是一個區(qū)域值；A、從以上概念來看，錫膏目數指標越大，該錫膏中錫粉的顆粒直徑就越?。欢斈繑翟叫r，就表示錫膏中錫粉的顆粒越大；參考下表對照：目數（MESH） 200 250 325 500 625顆粒度（m） 75 63 45 25 20B、如果錫膏的使用廠商按錫膏的目數指標選擇錫膏時，應根據PCB上距離最小的焊點之間的間距來確定：如果有較大間距時，可選擇目數較小的錫膏，反之即當各焊點間的間距較小時，就應當選擇目數較大的錫膏；一般選擇顆粒度直徑約為模板開口的1/5以內。三，使用錫膏應注意的問題(一)、焊錫膏的保存要求：焊膏的保存應該以密封形態(tài)存放在恒溫、恒濕的冷柜內，保存溫度為010，如溫度過高，焊膏中的合金粉未和焊劑起化學反應后，使粘度、活性降低影響其性能；如溫度過低，焊劑中的樹脂會產生結晶現象，使焊膏形態(tài)變壞。在保管過程中，更重要的一點是應注意保持“恒溫”這樣一個問題，如果在較短的時間內，使錫膏不斷地從各種環(huán)境下反復出現不同的溫度變化，同樣會使焊錫膏中焊劑性能產生變化，從而影響焊錫膏的焊接品質。（二）、使用前的要求：焊膏從冷柜（或冰箱）中取出時，應在其密封狀態(tài)下，待其回到室溫后再開封，約為2-3小時；如果剛從冷柜中取出就開封,存在的溫差會使焊膏結露、凝成水份，這樣會導致在回流焊時產生焊錫珠；但也不可用加熱的方法使焊錫膏回到室溫，急速的升溫會使焊膏中焊劑的性能變壞，從而影響焊接效果。這也是錫膏使用廠商在使用過程中應該注意的一個問題。（三）、使用時的注意事項：1、刮刀壓力：保證印出焊點邊緣清晰、表面平整、厚度適宜；2、刮刀速度：保證焊膏相對于刮刀子為滾動而非滑動，一般情況下，10-20mm/s為宜；3、印刷方式：以接觸式印刷為宜；另外，在使用時要對焊膏充分攪拌，再按印刷設定量加到印刷網板上，采用點注工藝的，還須調整好點注量。在長時間的印刷情況下，因焊膏中溶劑的揮發(fā)，會影響到印刷時錫膏的脫模性能，因此對存放焊錫膏的容器不可重復使用（只可一次性使用），印刷后網板上所剩的焊錫膏，應用其它清潔容器裝存保管，下次再用時，應先檢查所剩錫膏中有無結塊或凝固狀況，如果過分干燥，應添加供應商提供的錫膏稀釋劑調稀后再用。操作人員作業(yè)時，要注意避免焊膏與皮膚直接接觸。另外，印刷完成的基板，應當天完成焊接。（四）、工作環(huán)境要求：焊錫膏工作場所最佳狀況為：溫度2025，相對濕度5070%，潔凈、無塵、防靜電。四、回流曲線的調節(jié) 理想狀態(tài)回流焊工藝曲線圖(見圖一) 回流焊的目的：使表貼電子元器件（SMD）與PCB正確而可靠地焊接在一起； 工藝原理：當焊料、元件與PCB的溫度達到焊料熔點溫度以上時，焊料熔化，填充元件與PCB間的間隙，然后隨著冷卻、焊料凝固，形成焊接接頭；工藝流程：1、第一升溫區(qū)(預熱區(qū))升溫的目的：是將焊錫膏、PCB及元器件的溫度從室溫提升到預定的預熱溫度；預熱溫度是一低于焊料熔點的溫度。升溫段的一個重要參數是“升溫速率”，一般情況下其值應在1-2.00C/S；由于PCB及元器件吸熱速率不同，各元器件升溫速率也會有所不同，從而導致PCB板面上的溫度分布出現梯度。因為此段所有點的溫度均在焊料熔點以下，所以“溫度梯度”的存在并無大礙。第一升溫區(qū)結束時，溫度約為1000C-1100C；時間約為30-90秒，以60秒左右為宜。2、保溫區(qū)(又稱干燥滲透區(qū))“保溫”的目的是讓焊錫膏中的助焊劑有充足的時間來清理焊點、去除焊點的氧化膜，同時使PCB及元器件有充足的時間達到溫度均衡，消除“溫度梯度”；此階段時間應設定在60-120秒；保溫段結束時，溫度為140-1500C。3、第二升溫區(qū)溫度從1500C左右上升到1830C，這一溫區(qū)是活化劑的活化期，PCB板溫度均勻一致的區(qū)域，一般時間接30-45秒，時間不宜長，否則影響焊接效果。4、焊接區(qū) 在焊接區(qū)焊料熔化并達到PCB與元件腳良好釬合的目的。在焊接區(qū)溫度開始迅速上升，元器件仍會以不同速率吸熱，再一次產生溫差，所以要控制好溫度，消除這一溫差。一般來講，此段最高溫度應高于焊料熔點（1830C）30-400C以上，時間在30-60秒左右，但在2250C以上的時間應控制在10秒以內，2150C以上的時間應控制在20秒以內；如果此段溫度過高則會損壞元器件，溫度過低則會造成部分焊點潤濕及焊接不良。為避免及克服上述缺陷，目前選用強制熱風回流焊效果較好。5、冷卻區(qū) 目的：使焊料凝固，形成焊接接頭，并最大可能地消除焊點的內應力；降溫速率應小于40C/秒，降溫至750C時即可。 總之，回流溫度曲線建立的原則是焊接區(qū)以前溫度上升速率要盡可能地小，進入焊接區(qū)后半段后，升溫速率要迅速提高，焊接區(qū)最高溫度的時間控制要短，使PCB、SMD少受熱沖擊，生產前必須花較長的時間調整好溫度曲線，同時應依據產品特性及批量來選擇用幾個溫區(qū)的回流焊設備。五、SMT用焊錫膏在使用過程中的常見問題及其原因分析 在焊錫膏的使用過程中，從錫膏的印刷、SMD的貼裝到回流焊，我們經常會遇到各種各樣的問題，這些問題經常困擾著焊錫膏的使用者，如何去分析并解決這些問題，也成了我們錫膏生產廠商的一個課題；所以錫膏生產廠商不斷地加強行銷人員的專業(yè)素質及業(yè)務水平是很有必要的，在產品交付用戶后，協助用戶來妥善地、及時地處理這些問題，也能夠體現出供應商的服務力度。在這里，我僅簡單地介紹幾種常見的問題及原因分析，也是以往的工作中在服務客戶時經常遇到的問題，僅供閱讀者及用戶參考： （一）、雙面貼片焊接時，元器件的脫落雙面焊接在SMT表面貼裝工藝中越來越常見，一般情況下，使用者會先對第一面進行印刷、貼裝元件和焊接，然后再對另一面進行加工處理，在這種工藝中，元件脫落的問題，不是很常見；而有些客戶為了節(jié)省工序、節(jié)約成本，省去了對第一面的先焊接，而是同時進行兩面的焊接，結果在焊接時元件脫落就成為一個新的問題。這種現象是由于錫膏熔化后焊料對元件的垂直固定力不足，主要原因有：1、 元件太重；2、 元件的焊腳可焊性差；3、 焊錫膏的潤濕性及可焊性差；其中第一個原因的解決我們總是放在最后，而是先著手改進第二和第三個原因，如果改進了第二和第三個原因，此種現象仍然存在的話，我們會建議客戶在焊接這些脫落的元件時，應先采用紅膠固定，然后再進行回流和波峰焊接，問題基本可以解決。（二）、焊接后PCB板面有錫珠產生： 這是在SMT焊接工藝中比較常見的一個問題，特別是在使用者使用一個新的供應商產品初期，或是生產工藝不穩(wěn)定時，更易產生這樣的問題，經過使用客戶的配合，并通我們大量的實驗，最終我們分析產生錫珠的原因可能有以下幾個方面：1、PCB板在經過回流焊時預熱不充分；2、回流焊溫度曲線設定不合理，進入焊接區(qū)前的板面溫度與焊接區(qū)溫度有較大差距；3、焊錫膏在從冷庫中取出時未能完全回復室溫；4、錫膏開啟后過長時間暴露在空氣中；5、在貼片時有錫粉飛濺在PCB板面上；6、印刷或搬運過程中，有油漬或水份粘到PCB板上；7、焊錫膏中助焊劑本身調配不合理有不易揮發(fā)溶劑或液體添加劑或活化劑；以上第一及第二項原因，也能夠說明為什么新更換的錫膏易產生此類的問題，其主要原因還是目前所定的溫度曲線與所用的焊錫膏不匹配，這就要求客戶在更換供應商時，一定要向錫膏供應商索取其錫膏所能夠適應的溫度曲線圖；第三、第四及第六個原因有可能為使用者操作不當造成；第五個原因有可能是因為錫膏存放不當或超過保質期造成錫膏失效而引起的錫膏無粘性或粘性過低，在貼片時造成了錫粉的飛濺；第七個原因為錫膏供應商本身的生產技術而造成的。（三）、焊后板面有較多殘留物：焊后PCB板面有較多的殘留物也是客戶經常反映的一個問題，板面較多殘留物的存在，既影響了板面的光潔程度，對PCB本身的電氣性也有一定的影響；造成較多殘留物的主要原因有以下幾個方面：1、在推廣焊錫膏時，不了解客戶的板材狀況及客戶的要求，或其它原因造成的選型錯誤；例如：客戶要求是要用免清洗無殘留焊錫膏，而錫膏生產廠商提供了松香樹脂型焊錫膏，以致客戶反映焊后殘留較多。在這方面焊膏生產廠商在推廣產品時應該注意到。2、焊錫膏中松香樹脂含量過多或其品質不好；這應該是焊錫膏生產廠商的技術問題。（四）、印刷時出現拖尾、粘連、圖象模糊等問題：這個原因是印刷過程中經常會碰到的，經過總結，我們發(fā)現其主要原因有以下幾個方面：1、焊錫膏本身的粘性偏低，不適合印刷工藝；這個問題有可能是焊錫膏的選型不對，也有可能是焊錫膏已過使用期限等，可以協調供應商解決。2、印刷時機器設定不好或操作工操作方法不當造成的。如刮刀的速度和壓力等設置不當很有可能會影響印刷效果，另外，操作工人的熟練程度（包括印刷時的速度、壓力、反復印刷等）對印刷效果也有很大的影響。3、網板與基板的間隙太大；4、錫膏溢流性差；5、錫膏使用前未充分攪拌，造成錫膏混合不均勻；6、在用絲網印刷時，絲網上乳膠掩膜涂布不均勻；7、焊錫膏中的金屬成份偏低，即焊劑成份比例偏高所致；（五）、焊點上錫不飽滿：焊點上錫不飽滿的原因主要有以下幾個方面：1、焊錫膏中助焊劑的活性不夠，未能完全去除PCB焊盤或SMD焊接位的氧化物質；2、焊錫膏中助焊劑的潤濕性能不好；3、PCB焊盤或SMD焊接位有較嚴重氧化現象；4、在過回流焊時預熱時間過長或預熱溫度過高，造成了焊錫膏中助焊劑活性失效；5、如果是有部分焊點上錫不飽滿，有可能是焊錫膏在使用前未能充分攪拌助焊劑和錫粉未能充分融合；6、回流焊焊接區(qū)溫度過低；7、焊點部位焊膏量不夠；（六）、焊點不光亮：在SMT焊接工藝中，一般客戶對焊點都有光亮程度的要求，雖然說這也是平時工作中所存在的一個問題，但它很多時候只是客戶主觀上的一種意識，或者說只有通過比較才能得出焊點亮或不亮的結論，因為焊點的光亮程度是沒有標準可依的；大致來講，造成焊點不光亮的原因有以下幾個：1、如果把不含銀的焊錫膏焊后的產品和含銀焊錫膏焊后的產品相比較肯定會有些差距，這就要求客戶在選擇焊錫膏時應向供應商說明其焊點的要求；2、焊錫膏中錫粉有氧化現象；3、焊錫膏中助焊劑本身有造成消光效果的添加劑；4、焊后有松香或樹脂的殘留存在焊點的表面，這是我們在實際工作中經常會見到的現象，特別是選用松香型焊錫膏時，雖然說松香型焊劑和免清洗焊劑相比會使焊點稍微光亮，但其殘留物的存在往往會影響這種效果，特別是在較大焊點或IC腳部位更為明顯；如果焊后能清洗，相信焊點光澤度應有所改善；5、回流焊時預熱溫度較低，有不易揮發(fā)物殘留存在