SMT常見品質(zhì)問題解決方法

1 引言

    SMT貼片加工在減小電子產(chǎn)品體積重量和提高可靠性方面的突出優(yōu)點，迎合了未來戰(zhàn)略武器洲際射程、機動發(fā)射、安全可靠、技術(shù)先進的特點對制造技術(shù)的要求。但是，要制定和選擇適合于具體產(chǎn)品的表面組裝工藝不是簡單的事情，因為SMT技術(shù)是涉及了多項技術(shù)的復雜的系統(tǒng)工程，其中任何一項因素的改變均會影響電子產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

    元器件焊點的焊接質(zhì)量是直接影響印制電路組件（PWA）乃至整機質(zhì)量的關鍵因素。它受許多參數(shù)的影響，如焊膏、基板、元器件可焊性、絲印、貼裝精度以及焊接工藝等。我們在進行SMT工藝研究和生產(chǎn)中，深知合理的表面組裝工藝技術(shù)在控制和提高SMT生產(chǎn)質(zhì)量中起到至關重要的作作。本文就針對所遇到的幾種典型焊接缺陷產(chǎn)生機理進行分析，并提出相應的工藝方法來解決。

2 幾種典型焊接缺陷及解決措施

    2.1 波峰焊和回流焊中的錫球

    錫球的存在表明工藝不完全正確，而且電子產(chǎn)品存在短路的危險，因此需要排除。國際上對錫球存在認可標準是：印制電路組件在600范圍內(nèi)不能出現(xiàn)超過5個錫球。產(chǎn)生錫球的原因有多種，需要找到問題根源。

    2.1.1  波峰焊中的錫球

    波峰焊中常常出現(xiàn)錫球，主要原因有兩方面：第一，由于焊接印制板時，印制板上的通孔附近的水分受熱而變成蒸汽。如果孔壁金屬鍍層較薄或有空隙，水汽就會通過孔壁排除，如果孔內(nèi)有焊料，當焊料凝固時水汽就會在焊料內(nèi)產(chǎn)生空隙（針眼），或擠出焊料在印制板正面產(chǎn)生錫球。第二，在印制板反面（即接觸波峰的一面）產(chǎn)生的錫球是由于波峰焊接中一些工藝參數(shù)設置不當而造成的。如果助焊劑涂覆量增加或預熱溫度設置過低，就可能影響焊劑內(nèi)組成成分的蒸發(fā)，在印制板進入波峰時，多余的焊劑受高溫蒸發(fā)，將焊料從錫槽中濺出來，在印制板面上產(chǎn)生不規(guī)則的焊料球。

    針對上述兩面原因，我們采取以下相應的解決措施：第一，通孔內(nèi)適當厚度的金屬鍍層是很關鍵的，孔壁上的銅鍍層最小應為25um,而且無空隙。第二，使用噴霧或發(fā)泡式涂覆助焊劑。發(fā)泡方式中，在調(diào)節(jié)助焊劑的空氣含量時，應保持盡可能產(chǎn)生最小的氣泡，泡沫與PCB接觸面相對減小。第三，波峰焊機預熱區(qū)溫度的設置應使線路板頂面的溫度達到至少100°C。適當?shù)念A熱溫度不僅可消除焊料球，而且避免線路板受到熱沖擊而變形。

    2.1.2  回流焊中的錫球

    2.1.2.1 回流焊中錫球形成的機理

    回流焊接中出的錫球，常常藏于矩形片式元件兩端之間的側(cè)面或細距引腳之間。在元件貼裝過程中，焊膏被置于片式元件的引腳與焊盤之間，隨著印制板穿過回流焊爐，焊膏熔化變成液體，如果與焊盤和器件引腳等潤濕不良，液態(tài)焊錫會因收縮而使焊縫填充不充分，所有焊料顆粒不能聚合成一個焊點。部分液態(tài)焊錫會從焊縫流出，形成錫球。因此，焊錫與焊盤和器件引腳潤濕性差是導致錫球形成的根本原因。

    2.1.2.2 原因分析與控制方法

    造成焊錫潤濕性差的原因很多，以下主要分析與相關工藝有關的原因及解決措施：

    a)回流溫度曲線設置不當。焊膏的回流是溫度與時間的函數(shù)，如果未到達足夠的溫度或時間，焊膏就不會回流。預熱區(qū)溫度上升速度過快，達到平頂溫度的時間過短，使焊膏內(nèi)部的水分、溶劑未完全揮發(fā)出來，到達回流焊溫區(qū)時，引起水分、溶劑沸騰，濺出焊錫球。實踐證明，將預熱區(qū)溫度的上升速度控制在1～4°C/s是較理想的。

    b)如果總在同一位置上出現(xiàn)焊球，就有必要檢查金屬板設計結(jié)構(gòu)。模板開口尺寸腐蝕精度達不到要求，對于焊盤大小偏大，以及表面材質(zhì)較軟（如銅模板），造成漏印焊膏的外形輪廓不清晰，互相橋連，這種情況多出現(xiàn)在對細間距器件的焊盤漏印時，回流焊后必然造成引腳間大量錫珠的產(chǎn)生。因此，應針對焊盤圖形的不同形狀和中心距，選擇適宜的模板材料及模板制作工藝來保證焊膏印刷質(zhì)量。

    c)如果在貼片至回流焊的時間過長，則因焊膏中焊料粒子的氧化，焊劑變質(zhì)、活性降低，會導致焊膏不回流，焊球則會產(chǎn)生。選用工作壽命長一些的焊膏（我們認為至少4小時），則會減輕這種影響。

d)另外，焊膏印錯的印制板清洗不充分，使焊膏殘留于印制板表面及通孔中。回流焊之前，被貼放的元器件重新對準、貼放，使漏印焊膏變形。這些也是造成焊球的原因。因此應加強操作者和工藝人員在生產(chǎn)過程的責任心，嚴格遵照工藝要求和操作規(guī)程行生產(chǎn)，加強工藝過程的質(zhì)量控制。

    ２.２ 立片問題（曼哈頓現(xiàn)象）

    矩形片式元件的一端焊接在焊盤上，而另一端則翹立，這種現(xiàn)象就稱為曼哈頓現(xiàn)象。引起該種現(xiàn)象主要原因是元件兩端受熱不均勻，焊膏熔化有先后所致。在以下情況會造成元件兩端熱不均勻：

    a)有缺陷的元件排列方向設計。我們設想在再流焊爐中有一條橫跨爐子寬度的再流焊限線，一旦焊膏通過它就會立即熔化，如圖１所示。片式矩形元件的一個端頭先通過再流焊限線，焊膏先熔化，完全浸潤元件的金屬表面，具有液態(tài)表面張力；而另一端未達到183°C液相溫度，焊膏未熔化，只有焊劑的粘接力，該力遠小于再流焊焊膏的表面張力，因而，使未熔化端的元件端頭向上直立。因此，保持元件兩端同時進入再流焊限線，使兩端焊盤上的焊膏同時熔化，形成均衡的液態(tài)表面張力，保持元件位置不變。

    b)在進行汽相焊接時印制電路組件預熱不充分。汽相焊是利用惰性液體蒸汽冷凝在元件引腳和PCB焊盤上時，釋放出熱量而熔化焊膏。汽相焊分平衡區(qū)和飽和蒸汽區(qū)，在飽和蒸汽區(qū)焊接溫度高達217°C，在生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，如果被焊組件預熱不充分，經(jīng)受一百多度的溫差變化，汽相焊的汽化力容易將小于1206封裝尺寸的片式元件浮起，從而產(chǎn)生立片現(xiàn)象。我們通過將被焊組件在高低箱內(nèi)以145°C-150°C的溫度預熱1-2分鐘，然后在汽相焊的平衡區(qū)內(nèi)再預熱1分鐘左右，最后緩慢進入飽和蒸汽區(qū)焊接消除了立片現(xiàn)象。

    c)焊盤設計質(zhì)量的影響。若片式元件的一對焊盤大小不同或不對稱，也會引起漏印的焊膏量不一致，小焊盤對溫度響應快，其上的焊膏易熔化，大焊盤則相反，所以，當小焊盤上的焊膏熔化后，在焊膏表面張力作用下，將元件拉直豎起。焊盤的寬度或間隙過大，也都可能出現(xiàn)立片現(xiàn)象。嚴格按標準規(guī)范進行焊盤設計是解決該缺陷的先決條件。

    2.3 細間距引腳橋接問題

導致細間距元器件引腳橋接缺陷的主要因素有：a)漏印的焊膏成型不佳；b)印制板上有缺陷的細間距引線制作；c)不恰當?shù)幕亓骱笢囟惹€設置等。因而，應從模板的制作、絲印工藝、回流焊工藝等關鍵工序的質(zhì)量控制入手，盡可能避免橋接隱患。

    2.3.1 模板材料的選擇

SMT工藝質(zhì)量問題70%出至于印刷這到工序，而模板是必不可少的關鍵工裝，直接影響印刷質(zhì)量。通常我們使用的模板材料是銅板和不銹鋼板，不銹鋼板與銅板相比有較小的摩擦系數(shù)和較高的彈性，因此在其它條件一定的情況下，更有利于焊膏脫模和焊膏成型效果好。通過0.5mm引腳中心距QFP208器件組裝試驗統(tǒng)計，因銅模板漏印不合格而造成的疵點數(shù)占器件總焊點數(shù)（208個）的20%左右；在其它條件一定的情況下，利用不銹鋼模板漏印，造成的疵點率平均為3%。因此，對引腳中心距為0.635mm以下的細間距元器件的印刷，提出必須采用不銹鋼板的要求，厚度優(yōu)選0.15mm～0.2mm.。

    2.3.2 絲印過程工藝控制

    焊膏在進行回流焊之前，若出現(xiàn)坍塌，成型的焊膏圖形邊不清晰，在貼放元器件或進入回流焊預熱區(qū)時，由于焊膏中的助焊劑軟化，則會造成引腳橋接。焊膏的坍塌是由于使用了不合適的焊膏材料和不宜的環(huán)境條件，如較高的室溫會造成焊膏坍塌。在絲印工序中，我們通過以下工藝的調(diào)整，小心地控制焊膏的流變特性，減少了坍塌。

    a)絲印細間距引線，通常選用厚度較薄的模板，為避免漏印的焊膏量偏少，所需的焊膏黏度應較低，這樣焊膏流動性好，易漏印，而且模板與PCB脫模時不易帶走焊膏，保證焊膏涂覆量。但同時為了保持焊膏印刷圖形的理想形態(tài)，又需要較高的焊膏黏度。我們解決這一矛盾的方法是選用45-75um的更小粒度和球形顆粒焊膏，如愛法公司的RMA390DH3型焊膏。另外，在絲印時保持適宜的環(huán)境溫度，焊膏黏度與環(huán)境溫度的關系式表示如下 ：

logu=A/T+B ---------------(1)

式中：u —粘度系數(shù)；

A，B—常數(shù)

T—絕對溫度。

    通過上式可看出，溫度越高，粘度越小。因此，為獲得較高的粘度，我們將環(huán)境溫度控制20+3°C。

    b)刮刀的速度和壓力也影響焊膏的流變特性。因為他們決定了焊膏所受的剪切速率和剪切力大小。焊膏黏度與剪切速率的關系如圖2所示。在焊膏類型和環(huán)境溫度較合適的情況下，在刮刀壓力一定的情況下，將印刷速度調(diào)慢，可以保持焊膏黏度基本不變，這樣供給焊膏的時間加長，焊膏量就增多，而且有好的成型。另外，控制脫模速率的減慢和模板與PCB的最小間隙，也會在減少細間距引腳橋接方面起到良好的效果。根據(jù)我們使用的SP200型絲印機，我們認為印刷細間距線較理想的工藝參數(shù)是：印刷速度保持在10mm/s-25mm/s；脫模速率控制在2s左右；模板與PCB的最小間隙小于等于0.2mm。

    2.3.3  回流過程工藝控制

    細間距引線間的間距小、焊盤面積小、漏印的焊膏量較少，在焊接時，如果紅外再流焊的預熱區(qū)溫度較高、時間較長，會將較多的活化劑在達到回流焊峰值溫度區(qū)域前就被耗盡。然而，只有當在峰值區(qū)域內(nèi)有充足的活化劑釋放被氧化的焊粒，使焊?？焖偃刍?，從而濕潤金屬引腳表面，形成良好的焊點。免清洗焊膏，活化程比要清洗的焊膏低，所以如果預熱溫度和預熱時間設置稍不恰當，便會出現(xiàn)焊接細間引線橋接現(xiàn)象。我們通過降低熱溫度和縮短預熱時間控制焊膏中活化劑的揮發(fā)，保證了免清冼焊膏在焊接溫度區(qū)域的流動性和對金屬引線表面的潤濕性，減少了細間距線的橋接缺陷。

3 結(jié)束語

    隨著表面組裝技術(shù)更廣泛、更深入的應用于各個領域，SMT焊接質(zhì)量問題引起人們高度重視，SMT焊接質(zhì)量與整個組裝工藝流程各個環(huán)節(jié)密切相關，為了減少或避免上上述焊接缺陷的出現(xiàn)，不僅要提高工藝人員判斷和解決這些問題能力，另外還要注重提高工藝質(zhì)量控制技術(shù)、完善工藝管理，制定出有效的控制方法，才能提高SMT焊接質(zhì)量，保證電子產(chǎn)品的