如何消除免洗PCB中的锡珠.docx

消除免洗PCB中的锡珠

By Terry Basye, Walt Beltz, Terry Rose, Mary Smoot, Cary Williams, 
Ross B. Berntson, Kelvin Ho and David W. Sbiroli
　　本文介绍，一种U形模板开孔确定的锡膏沉淀可以防止锡珠的形成。
　　焊锡由各种金属合金组成。由印刷电路板(PCB)装配商使用的锡/铅合金(Sn63/Pb37)是锡膏和用于波峰焊接的锡条或锡线的典型粉末。在PCB上不是设计所需的位置所找到的焊锡包括锡尘(solder fine)、锡球(solder ball)和锡珠(solder bead)。锡尘是细小的，尺寸接近原始锡膏粉末。对于-325~+500的网目尺寸，粉末直径是25-45微米，或者大约0.0010-0.0018"。锡尘是由颗粒的聚结而形成的，所以大于原始的粉末尺寸。
　　锡珠(solder beading)是述语，用来区分一种对片状元件独特的锡球(solder balling)(图一)1。锡珠是在锡膏塌落(slump)或在处理期间压出焊盘时发生的。在回流期间，锡膏从主要的沉淀孤立出来，与来自其它焊盘的多余锡膏集结，或者从元件身体的侧面冒出形成大的锡珠，或者留在元件的下面。
图一、锡珠
　　IPC-A-610 C将0.13mm(0.00512")直径的锡球或每600mm2(0.9in2)面积上少于五颗分为第一类可接受的，并作为第二与第三类的工艺标记2。IPC-A-610 C允许“夹陷的”不干扰最小电气间隙的锡球。可是，即使是“夹陷的”锡球都可能在运输、处理或在一个振动应用的最终使用中变成移动的。
　　锡球已经困扰表面贴装工业许多年。对于只表面贴装和混合技术的PCB，锡珠在许多技术应用中都遇到。查明相互影响和除掉锡珠的原因可以改善合格率、提供品质、提高长期的可靠性、和降低返工与修理成本。
锡珠的原因
　　人们已经将锡珠归咎于各种原因，包括模板(stencil)开孔的设计、锡膏的成分、阻焊层的选择、模板清洁度、定位、锡膏的重印、焊盘的过分腐蚀、贴片压力、回流温度曲线、波峰焊锡的飞溅、和波峰焊锡的二次回流。3-5
　　模板开孔的设计
　　模板开孔的形状是在免洗锡膏应用中的一个关键设计参数。形成一个具有良好焊脚的高质量可靠的焊接点要求有足够的锡膏。过多的锡膏沉淀是锡珠的主要原因。
　　为了解决在片状元件上的锡珠问题，已经推荐了各种模板设计形式。最流行的是homeplate开孔设计(图二)。据说这种homeplate设计可以在需要的地方准确地提供锡膏，从片状元件的角上去掉过多的锡膏。可是，homeplate设计带来锡膏的粘附区域不足的问题，造成元件偏位。锡膏提供很小的与零件接触的面积。一个贴装50%偏位的零件与湿润的锡膏接触的面积甚至更少。除此而外，homeplate设计不能消除片状元件下面和相邻位置的锡珠。锡膏还是直接在元件的中间出现，从这里它可能在回流期间转移到不希望的位置。
　　在探讨各种形状的模板开孔期间，在片状元件下面出现过多锡膏的模板设计包括：
· homeplate模板(图二)
· 比矩形片状元件焊盘形状减少85%的模板(图三)
· 对片状元件的T形开孔模板(图四)
图二、Homeplate开孔模板
图三、减少85%的模板
图四、T形开孔模板
　　homeplate模板减少在片状元件上的锡珠数量，但是不能完全消除。减少85%的模板有80%的片状元件出现锡珠。T形模板可去掉50%的锡珠。因此，这三种模板没有哪个可以持续地消除锡珠，同时在装配期间提供足够的粘附力来将元件固定在位。
　　锡膏配方
　　较新一代的锡膏提供较长的模板寿命、提高粘性时间、松脆与持续的印刷清晰度、对各种板和元件金属的良好的可焊性、以及测试探针可测试残留物。可是，如果模板设计与回流曲线没有适当地考虑，需要用来获得这些特性的溶剂与活性剂成分也可能增加锡珠出现机会。
　　阻焊层的选择
　　阻焊涂层可以影响到锡膏。阻焊层类型与锡珠出现频率的关系从过去的经验上看是明显的。阻焊层可以有一种不光滑的或光滑的表面涂层。不光滑的涂层倾向于产生较少的锡珠，因为它提供对残留的立足之地，因而减少残留的扩散。光滑的涂层产生较多的锡珠，因为助焊剂在液态时可能更容易扩散。
　　模板清洁度
　　模板底面的弄脏可能造成锡珠和锡桥。可能的原因包括过高的刮刀(squeegee)压力、不经常与不正确的模板底部擦拭或圆顶状焊盘的密封差，圆顶状焊盘是在使用热风焊锡均涂法(HASL)对板进行表面涂敷时形成的。
　　定位
　　印刷的定位对维持良好的工艺持续性是关键的。锡膏对准不好可能造成锡桥、在焊盘与阻焊之间间隙中的锡尘、和锡珠。对准不好可能消除良好的密封效果和造成锡膏的渗漏。印偏出焊盘的锡膏可能在回流期间不能完全集结。
　　锡膏的叠印与焊盘的过分腐蚀
　　制造比设计大的模板开孔和焊盘的过分腐蚀是叠印的两个潜在原因。过多的锡膏沉淀在焊盘上是锡珠的主要原因。
　　对于密间距(fine-pitch)元件，存在锡尘的危险。在助焊剂液化和在焊盘之间流动时，对于非焊锡阻焊界顶的焊盘，锡尘可以到达焊盘与阻焊之间的间隙内。这些锡尘可能留在井道内，在回流期间不被吸回到焊接点上。虽然有免洗助焊剂包围住，不能移动，但是锡尘不应该出现在相邻焊盘之间，特别是对于QFP(quad flat pack)。
　　在密间距引脚之间的阻焊数量有锡尘的出现有关。减少或消除两个QFP焊盘之间的阻焊区域可能增加锡尘问题。
　　在最近的一个试验中，在一个20-mil间距的元件上10个焊盘之间找到47颗锡尘。为了解决这个问题，开孔的尺寸减小，以提供密封和锡膏在焊盘上干净地释放。减少如下所描述的锡膏开孔消除了锡尘的原因。
　　元件贴装压力
　　锡膏的任何塌落或过高的贴装压力都将造成一些锡膏沉淀跑出焊盘，大大地增加回流期间锡珠的形成机会。在元件贴装期间使用适当的压力将元件直接放到锡膏中，但不会将锡膏挤到一个不希望的位置。
　　回流温度曲线
　　从锡膏制造商那里的回流温度曲线一般提供一个较宽的操作范围。在这个可接受的范围内，几个不同的特性影响助焊剂和焊接点形成的效果。
　　一个慢的线性预热允许锡膏中的溶剂逐渐蒸发，减少诸如热塌落和飞溅发生的机会。可接受的升温率一般低于每秒2°C。已经发现每秒1.3°C的速率是最有效的。这个速率允许助焊剂缓慢激化，在完成其目的之前不被蒸发掉。
　　回流以上的时间影响与铜基材料形成的金属间化合物的数量。可接受的回流以上时间为45-90秒钟。
　　峰值温度可以影响产品的长期寿命。温度越低，元件上的应力越小。一般，除非特殊零件要求，230°C是最高温度。
　　波峰焊锡飞溅
　　波峰焊接工艺也可能造成PCB的元件面上的锡珠。如果助焊剂预热不适当，在PCB进入波峰之前有水留在板上的话，飞溅就可能发生。随机的锡球可能附着在PCB和元件上。波峰高度可能造成过多的焊锡在通孔或旁路孔内起泡和飞溅。锡球可能在锡锅工艺中发生。
　　波峰焊锡的二次回流
　　板通过波峰焊接工艺的速度可能太慢，造成元件面上的第二次回流。慢速可能会让焊锡移动，造成QFP引脚松动。QFP引脚松动在外表看上去是好焊点，但在后面的测试中变成开路。有压力接触的开路可能允许电路通过测试，而不表现为开路。制造商推荐的通过预热和波峰的最高顶面温度必须维持。
焊接试验
　　一种试验设计(DOE, design of experiment)用来测量在锡膏、模板开孔设计和回流温度曲线的预热部分之间的相互作用，以决定锡珠的原因。
　　使用共晶Sn63/Pb37合金的锡膏包括：
· 锡膏一：水溶性锡膏
· 锡膏二：免洗、探针可测试锡膏
· 锡膏三：合成松香免洗锡膏
　　锡膏通过在线丝印机来印刷，使用视觉检查锡膏沉淀的均匀性。刮刀速度每分钟1.5英寸，用来刮印一英寸厚的锡膏条。
　　使用了两种不同的模板形状：矩形的85%焊盘尺寸(图三)和U形的85%焊盘覆盖(图五)。在U形的模板上，片状元件下面的中间部分是没有锡膏的。模板材料是0.006"厚度的不锈钢，化学腐蚀。这种设计已经证明可以提供连续的锡膏沉淀。
图五、U形开孔的模板
　　使用的两种回流温度曲线主要是其预热部分不同。锡膏制造商推荐的温度曲线的特点是很宽的工艺窗口。
　　一条曲线的预热区是很缓慢和低温的，升温率为每秒1.3°C。这条曲线没有平台的预热保温区，而是缓慢地升温到峰值温度。另一条曲线使用一种更传统形状的预热、保温和升温到峰值温度。使用具有上下加热的强制对流回流焊接炉。压力均匀。
　　用于本试验的PCB是124平方英寸、高密度贴装和贴装后重量为381克。由FR-4材料制成，具有光滑的阻焊表面涂层。单在PCB的底面就使用了超过400个片状元件。
　　使用模板将锡膏印刷到PCB的元件焊盘上。使用自动贴装设备，PCB装配得到回流焊接。然后在元件面印刷锡膏，贴装和回流焊接。
　　在这些操作之后，通孔元件用手工插件到PCB上。然后将板放在一个选择性焊接托盘上，在一个双波氮气覆盖系统内进行波峰焊接。使用超声波喷雾将一种低固、水基免洗助焊剂喷雾在PCB的底面上，底面对流加热用来将它预热。
　　PCB装配就这样连续地制造出来。使用的判断标准是按照IPC-A-610C。
　　该试验是一个自由度的方差分析(ANOVA)。试验设计(DOE)是一个八次运算的基本Plackett-Burman混合电路。响应的变量是锡珠。
主要结果
　　该试验的主要结果在表一中列出。另外，一种图形技术 - scree plotting - 用来分析该试验的结果(图六)。
表一、焊接试验的主要结果
设定
结果
运行
系列
锡膏
曲线
模板
元件面
过锡面
8
1-8
1
升温
U形、85%
一个无锡
无缺陷
7
9-16
1
升温
85%
无缺陷
锡珠、所有卡
6
17-24
1
回流
85%
锡珠
锡珠、所有卡
5
25-32
1
回流
U形、85%
无缺陷
无缺陷
4
33-40
2
升温
U形、85%
无缺陷
两个锡桥
3
41-48
2
回流
85%
锡珠、所有卡
锡珠、所有卡
2
49-56
3
升温
85%
锡珠、所有卡
锡珠、所有卡
1
57-64
3
回流
U形、85%
无缺陷
无缺陷
图六、为锡珠的scree作图
　　在其它产品上用相同的模板开孔进行了探索性试验。随后的试验证实了对片状元件使用U形开孔咳消除锡珠。这种U型在其所需要的位置提供准确的锡膏，而没有在可能造成锡珠从片状元件身体下面挤出的地方提供锡膏。
　　Scree作图为分析方差分析结果提供图形工具。单词scree描述的是在悬崖底部的碎石。scree作图以幅值下降的顺序结合方差分析的平方和，将这些点连接形成“悬崖”曲线。图六中在“悬崖”底部的“碎石”代表背景噪音，而“悬崖”代表数据中出现的重要信号。
　　对锡珠的scree作图表明了所选摩板开孔的关键性。其它的因素不提供信号，不造成锡珠的形成。锡膏中的助焊剂在零件下面交替的焊盘之间结合，细小的锡尘集结成为锡珠，从片状元件下面挤出，附着在元件边上。
　　U形开孔的模板只在其需要的地方出现锡膏，在片状元件身体的边缘，不直接在身体的中间下面。这样一来，如果片状元件贴放偏离位置，锡膏沉淀足够在整个过程和回流焊接中维持住零件。
　　在QFP元件上的锡尘通过减少焊盘开孔而消除。对于密间距(<0.050")元件，锡膏开孔与焊盘的形状相同，开口为焊盘长度的75%，焊盘宽度的85%，中心在焊盘上。这种结构减少相邻焊盘之间的短路发生。
　　提供给表面贴装元件的锡膏数量与位置的改善直接影响锡珠与锡尘的出现与不出现。通过在适当的位置提供适量的锡膏，最终产品的品质可以大大提高。为片状元件结合使用U形开孔，大大地减少锡珠的发生。对QFP焊盘的减小，消除了相邻焊盘之间的锡尘。结合适当的焊盘尺寸与形状可为PCB装配的生产形成较高品质的工艺。
References
1. IPC. 2000. Surface mount solder joint evaluation. Desk Reference Manual. Northbrook, IL; IPC - Association Connecting Electronics Industries. (Figure 1 reference).
2. IPC. 2000. IPC-A-610C Acceptability of Electronic Assemblies. Northbrook, IL, p. 1-2, pp. 12-88.
3. Unpublished work of the authors.
4. Hance, W., et al. 1991. Solder beading in SMT, cause and cure. Surface Mount International.
5. Lee, N. 1998. Optimizing reflow pro defect mechanisms analysis. IPC Printed Circuit Expo.
6. Wheeler, D. 1990. Understanding Industrial Experimentation. pp. 83, 150, 205, 206, 207.
　　Terry Basye, is a senior process engineer; Walt Beltz is an advisory engineer, printed circuit board design; Terry Rose is a senior production engineer; Mary Smoot is a senior process engineer; and Cary Williams is a senior quality engineer; all with Lexmark International Inc., Ross B. Berntson is manager, technical service; Kelvin Ho is an applications engineer; and David W. Sbiroli is a product specialist, interconnect mterials; all with Indium Corp. of America, Utica, NY; e-mail: dsbiroli@  
(A 08/13/2001)