SMT贴片加工生产中锡珠的产生原因及控制方法

2018-04-20 雅鑫达

二十多年来,随着电子信息产品的轻、薄、省电、小型化、平面化的不断发展,促使不同用途的电子产品必须采用表面贴装(SMT)技术。而锡珠对于电子产品具有严重的危害性,因此如何减少锡珠是SMT企业重点管控的内容之一。


根据相关案例,SMT生产中,回流焊接时,由于锡膏金属微粒飞溅,容易形成微小球状焊料珠或不规则形状的焊料粒,这就是锡珠(见下图)。锡珠是SMT生产的主要缺陷之一,直径约为0.2~0.4mm,主要出现在贴片元件侧面或者IC引脚之间,不仅影响PCB产品外观,而且在使用中可能造成短路现象,严重影响电子产品质量和寿命,甚至可能造成人身伤害。


锡珠是多种因素造成的,原材料、锡膏、模板、装贴、回流焊、环境等都可能导致产生锡珠。因此研究它产生的原因,并力求进行最有效控制就显得犹为重要。


原材问题导致产生锡珠及其控制方法

1. PCB质量、元器件

PCB的焊盘(PAD)设计不合理,如果元器件本体过多压在PAD上把锡膏挤出过多,可能产生锡珠。设计PCB时,就要选定合适的元器件封装及合适的PAD。PCB阻焊膜印刷不好、表面粗糙,导致回流时出现锡珠,必须加严PCB来料入检,阻焊膜严重不良时,必须批退或报废处理。焊盘有水份或污物,导致产生锡珠,必须仔细清除PCB上的水份或污物,再投用生产。另外,经常会遇到客户来料为不同封装尺寸器件的代用要求,导致器件和PAD不匹配,易产生锡珠,因此应尽量避免代用。


2. PCB受潮

PCB中水分过多,贴装后过回流炉时,由于水分急剧膨胀产生气体,产生锡珠。要求PCB在投入SMT生产前必须是干燥真空包装,如有受潮需要用烘箱烘烤后使用。对于有机保焊膜(OSP)板,不允许烘烤。依生产周期算,OSP板未超3个月可上线生产,超3个月则需换料。

SMT贴片加工

3. 锡膏选用

锡膏显著地影响着焊接质量,锡膏中的金属含量、氧化物含量、金属粉末粒度、锡膏活性等都不同程度影响着锡珠的形成。琟金属含量、黏度。正常情况,锡膏中金属含量的体积比约为50%左右、质量比约为89%~91%,其余为助焊剂(Flux)、流变性调节剂、黏度控制剂、溶剂等。如果助焊剂比例过多,锡膏黏度降低,在预热区,助焊剂气化时产生的力过大易产生锡珠。 

锡膏黏度是影响印刷性能的重要因素,通常在0.5 ~1.2 KPa·s之间,模板印刷时,锡膏黏度最佳约为0.8 KPa·s。金属含量增加时,锡膏黏度增加,能更有效地抵抗预热区中气化产生的力,也可减小锡膏印刷后塌落趋势,可减少锡珠。 

氧化物含量。锡膏中氧化物含量也影响焊接效果。氧化物含量越高,金属粉末熔化后结合过程中所受阻力就越大,回流焊阶段,金属粉末表面氧化物含量还会增高,不利于焊盘“润湿”而产生锡珠。因此在金属粉末(Powder)制程中须要求真空化操作,防止Powder氧化。 

金属粉末的粒度、均匀性。金属粉末是极细小的球状颗粒,其形状、直径大小及均匀性均影响其印刷性能。较细的颗粒中氧化物含量较高,如果细颗粒比例大,会有更好的印刷清晰度,但却易产生塌边,使锡珠增多;较大的颗粒比例大,使连锡增多,其均匀度相差大,会导致锡珠增多。

锡膏活性。锡膏活性不好,干得太快,如果加了过量稀释剂,在预热区,稀释剂气化产生的力过大易产生锡珠。如果遇到活性不好的锡膏,最好马上停用更换活性好的。


板问题导致产生锡珠及其控制方法

模板太厚,锡膏印刷就厚,回流焊后易产生锡珠。 模板厚度选择原则:


如模板太厚导致锡珠多,尽快重新制作模板。 模板开孔未做防锡珠处理,易产生锡珠。无论有铅或无铅,印锡模板的Chip件开孔均需防锡珠开孔。模板开口不当、过大、偏移,都会导致锡珠产生。PAD大小决定着模板开孔的大小,模板开口设计最关键的要素是尺寸、形状。为避免锡膏印刷过量,将开口尺寸设计成小于相应焊盘接触面积的10%;无铅模板开口设计应比有铅的大一些,使锡膏尽可能完全覆盖焊盘。


刷机参数设定调整不当导致产生锡珠及其控制方法

印刷完后锡膏有塌边现象,过回流炉后可能形成锡珠。锡膏有塌边,这和印刷机刮刀压力、速度、脱模速度有关系。如有锡膏塌边现象,需重新调整刮刀压力、速度或脱模速度,减轻塌边,减少锡珠发生。未对好位就开始印刷,印刷偏移,使部分锡膏沾到PCB上,可能形成锡珠。PAD上印刷锡膏过厚,元件下压后多余锡膏溢流,易形成锡珠。锡膏印刷厚度是生产中一个主要参数,通常等于模板厚度的(1+10%±15%)之间,过厚导致塌边易形成锡珠。印刷厚度是由模板厚度所决定,与机器的设定和锡膏特性有一定关系。印刷厚度的微量调整,经常是通过调节刮刀压力及印刷速度来实现。


置件压力问题导致产生锡珠及其控制方法

如果贴片中置件压力设定过大,当元件压在锡膏上时,就可能有一部分锡膏被挤在元件下面,回流焊阶段,这部分锡膏熔化易形成锡珠,因此应选择适当的置件压力。



炉温问题导致产生锡珠及其控制方法

回流焊曲线可分为预热、保温、回流和冷却四个阶段。预热阶段升温到120~150度之间,可除去锡膏中易挥发的溶剂,减少对元件的热振动;同时锡膏内部会发生气化现象,如果锡膏中金属粉末之间的粘结力小于气化产生的力,就会有少量锡膏从PAD上溢流离开,有的则躲到片状阻容件下面,回流后形成锡珠。由此可见,预热温度越高、预热区升温太急,就会加大气化现象飞溅,就越容易形成锡珠。因此调整回流炉温、降低输送带速度,采取较适中的预热温度和预热速度来控制锡珠。


制程管控问题导致产生锡珠及其控制方法

锡膏使用注意事项主要包括以下几个方面:在规定的保存条件下,锡膏存储期限一般为3~6个月;锡膏使用应遵循“先进先出”原则,应以密封形式保存在恒温冰箱内,温度在2℃~10℃;使用前,从冰箱中取出、密封置于室温下至少回温4H,待锡膏达到室温时打开瓶盖,取出部分锡膏后,将里面的盖子与锡膏之间空气全部挤净,立即盖好外盖。若在低温开瓶,易吸收水汽,再流焊时易产生锡珠; 开封后应按要求搅拌均匀,降低锡膏黏度,开盖后原则上应在当天内一次用完;锡膏置于模板上超过30分钟未使用时,应用印刷机的搅拌功能搅拌后再使用,若间隔时间较长(超过1H),应将锡膏重新放回罐中盖紧瓶盖,再次使用应搅拌均匀;从模板收掉锡膏时,要换另一个空罐装,防止污染新鲜锡膏,从模板上刮回的锡膏也应密封冷藏。


制程管理也有其相应的要求:印刷时的最佳温度为25℃±3℃,相对湿度为45%~65%,温湿度过高,锡膏容易吸收水汽,回流时易产生锡珠;印刷失败后,最好用超声波清洗设备彻底清洗PCB,晾干后再放入烘箱按规范烘烤,以防止再使用时出现锡珠;清洁模板不及时、或擦拭不彻底,导致模板背面有残余锡膏,污染PCB板面,产生锡珠。必须严格按照模板清洁规范操作,确定专人清洁、检查;印刷锡膏后,PCB应在尽可能短的时间内贴装完,以防止助焊剂等溶剂挥发,易产生锡珠。在SMT生产中,产生锡珠的因素有诸多方面,只顾关注某一方面或调整某一项参数是远远不够的。我们需要在生产前的准备阶段和生产过程中仔细管控好各个细节,研究好如何控制影响锡珠的各项因素,从而使焊接达到最佳的效果,满足电子连技术的高质量要求。


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