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無鉛焊接缺陷的分類及成因

發(fā)布時間:2009-09-11

中心議題:

  • 無鉛焊接缺陷的分類
  • 無鉛焊接缺陷的形成原因

解決方案:

  • 對波峰焊接,焊錫溫度盡可能設(shè)低
  • 使用好的助焊劑
  • 使用SPC和Pareto技術(shù)檢測制成工藝

大部分無鉛應(yīng)用實施會帶來除物料及物流以外少許的變化,因為多數(shù)應(yīng)用中,在找到最優(yōu)化的工藝設(shè)定后,無鉛焊接能達到變化前一樣或更好的質(zhì)量。但是在變化多樣的電子裝配中也有例外,對某此裝配有利的方面則會對另一此帶來不利。不同的熔點,另外的金屬間化合物,不匹配的脹率和其他物理特性等會使新老問題加劇并很快顯露出。

外觀問題還是缺陷?

無鉛焊接中首先注意到的是外觀灰白并粗糙,非常不同于很久以來錫鉛(尤其Sn/Pb/Ag)焊點光滑亮澤的特點。
最近的IPC-A-610-D為質(zhì)量工程師提供了定義缺陷及可接受標準。如典型的焊接問題:焊點裂紋,脫離焊盤,焊盤翹起,表面皺縮,空洞。

●已知的焊料缺陷可以根據(jù)以下主題進行分類:
☆    線路板材料和高溫
☆    元器件的損壞,錫鉛和無鉛的混用
☆    助焊劑活性和高溫
☆    無鉛合金的特點
☆    焊錫污染過熱及其他回流缺陷

很多潛在的焊接缺陷源于過高的焊接溫度?;闹g以及基材和銅之間的分層,線路板變形是由于低質(zhì)量線路板和高溫效果共同造成的典型缺陷。

在對BGA芯片進行回流焊時,控制冷卻速度非常管理重要。冷卻太快會形成好的焊點結(jié)構(gòu),但會加劇BGA載板和材料的變形。為了減少BGA和線路板材料的變形,最好是使用可控制的慢速冷卻。

高溫所帶來的另一方面的影響是會形成吹氣孔。PCB板在焊接過程中會散發(fā)氣體,這些氣體源于吸收的水分,電鍍層包含的有機物,或者是亞板中包含的有機物等等。

線路板無鉛鍍層的使用也產(chǎn)生了許多問題。這些問題包括黑盤現(xiàn)象,多孔金層,有機焊料保護層(OSP)或化學(xué)銀保護層的氧化,以及化學(xué)銀鍍層缺乏光澤。

元件問題

與元件相關(guān)的缺陷分為兩種:一、與元件鍍層相關(guān)的缺陷。首要是錫須問題,另外有鉛污染以及含鉍鍍層會導(dǎo)致焊接中低熔點部分而產(chǎn)生縮孔,波峰焊接時的二次回流,增加焊盤脫離的風(fēng)險;二、低質(zhì)量原材料導(dǎo)致的缺陷。這包括濕氣的吸收,塑料的熔化或變形,無鉛焊接的高溫引起基材分層。

最好使用符合RoHs的元件而不僅僅是無鉛元件。符合RoHs意味著耐高溫而且只有這種材料不違反正在實施的歐洲RoHs法規(guī)。
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助焊劑活性

助焊劑在焊接過程中扮演者主要角色,很多缺陷歸因于助焊缺乏活性?;钚詮姷闹竸┠苋コ趸乐箻蚪印:稿a上有氮氣覆蓋可以去氧化,提高潤濕特性,從而增強化學(xué)錫性能。如果有足夠的助焊劑活性或氮氣環(huán)境,就不會出現(xiàn)如拉尖或冰柱的缺陷。

助焊劑應(yīng)能適應(yīng)焊接過程中的高預(yù)熱溫度,熱空氣對流,高焊料溫度,雙波峰,還有線路板鍍層及阻焊層

高焊接溫度

所有在波峰焊接中直接和液態(tài)焊料相鄰的部分,由于液態(tài)焊料傳給焊點的熱能,其溫度都會升高并膨脹。各種材料的熱膨脹系數(shù)不同,并且在無鉛焊接的高溫中膨脹程度更高。環(huán)氧玻璃材料線路板的熱膨脹隨溫度而變化,這種膨脹在Z軸尤其突出。由于鍍銅過孔和PCB基材不同的熱膨脹率焊錫連接會出現(xiàn)變形,這種變形主要集中在焊盤區(qū)域。焊接中出現(xiàn)楔形。這種變形是一種動態(tài)過程,它使焊盤在焊接過程中上下移動。移動又導(dǎo)致焊點裂縫的產(chǎn)生。

IPC-A-610-D定義了縮孔的接受程度:

                                                   
圖1焊接裂縫:根據(jù)IPC-A-610-D,沒有接觸焊盤,金屬過孔或元件引腳的裂紋是可以接受的。

☆    裂紋底部可視(圖1)
☆    裂紋或縮孔沒有接觸焊盤,金屬過孔或元件引腳

焊盤和焊角翹離的成因有著相同的機理,即材料熱膨脹性的不匹配。PCB與焊錫接觸時間更長,穿孔的填孔效果也會更好,更高的焊接溫度有益于焊點潤濕。當同時具備接觸時間長和焊接溫度高時就會有導(dǎo)致以下幾種缺陷的危險:

吹氣孔銅熔出

焊盤的銅溶解于焊料中。如果銅層太薄,非常長的接觸時間會使銅完全溶解。

二次回流

如果波峰焊接過程中溫度超出焊錫膏的熔點SMD元件會被再次熔化。焊盤可能會被吸走使得元件引腳脫離焊盤,有時引腳和焊盤之間會保留少許連接并能通過電流,要發(fā)現(xiàn)這種缺陷就更加困難。在易發(fā)生的元件上放置散熱器可以防止二次回流。

焊料上吸(燈芯效應(yīng))

焊錫從焊接處向上流走,造成焊點焊錫不足。

                                                           
                           圖2焊料上吸。焊錫在彎腳處而沒有接觸元件體是可以接受的。

元件損壞

有些元件(如MELF)在錫波的熔錫中停留過久就可能碎裂。另外一種情況,元件的點膠承受不住高溫而掉入焊錫中。
                                                           
                                                      圖3因為過熱造成的損壞的MELF。
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焊錫污染

有些金屬會溶解于無鉛焊料中。焊料的溫度流速和合金成份確定了這種溶解的速度。因而要求持續(xù)監(jiān)測焊料成份。

鉛、鉍、銅及其他金屬對焊料的污染會影響固化過程,錫鉛鉍合金會在焊料間形成低熔點部分,在加上作用于焊點的機械應(yīng)力,就會造成焊接裂縫。

如果錫槽的構(gòu)成材料沒有足夠的防護層,材料(不銹鋼)中的鐵會溶解于焊錫中形成FeSn2晶體。這種晶體的熔點高達510℃,因而會保留在焊錫中。由于在錫槽角落的錫流較慢,晶體通常集中在角落處。但是如果晶體與焊錫一起泵出,晶體可能會留在焊點處引起橋接。

回流焊接相關(guān)的缺陷

無鉛焊接使回流工藝窗變少。為了使焊錫完全熔化并且不損壞別的部件,一個關(guān)鍵的指標是達到保持最小的DT(在組件上最冷和啊熱點的溫度差)。事實上很多回流焊接的缺陷都和印刷及焊錫膏特性有關(guān)。無鉛焊接中的缺陷和曾經(jīng)發(fā)生于SnPb工藝中的相似。

元件一端立起(立碑)

這種命名形象的現(xiàn)象發(fā)生在片狀元件翻起并立焊接端。一些研究表明無鉛焊錫膏可以降低元件一端立起的發(fā)生幾率,那是因為無鉛焊錫的潤濕程度小而作用在元件上的力(如表面張力)也同樣明顯減小。

錫球

這是一種位于元件側(cè)面的焊錫球。錫球常見的原因的:焊盤上錫膏過多,錫膏印刷不準確,溶劑形成的氣體在回流預(yù)熱時從錫膏中排出。

                                                          
                                             圖4FeSn2針狀結(jié)晶體在組件上造成短路。

錫橋

造成的原因有:絲網(wǎng)印刷不準確,印錫形狀模糊,錫膏塌落,錫膏過量或者元件貼片不準確。

對BGA元件使用混合材料
                                                         
                                                 圖5用SnAgCu焊錫膏焊接SnPbBGA

當焊錫膏和BGA焊錫球材料不匹配時可能會出現(xiàn)問題。如果使用無鉛焊錫膏于BGA錫鉛焊錫球,錫球在183℃時熔化,而此時焊錫膏的氣體仍在排出。由于錫球已經(jīng)熔塌在焊錫膏上,氣體只能排入SnPb中形成大的空洞。如果使用SnPb焊錫膏于無鉛的BGA焊錫球,必須確保錫球完全熔化以達到充分的自我對準。

建議

很多缺陷和線路板材料質(zhì)量相關(guān),板的可焊性依賴于好的存儲條件,受控的物流,合格的供應(yīng)商。

對波峰焊接,焊錫溫度盡可能設(shè)低,防止元件過熱,材料損壞,尤其是焊錫膏再熔化(二次回流)。

低的焊錫溫度能減低熔化的錫對錫槽及葉輪的侵蝕作用,而且限制FeSn2晶體的生成。

在波峰焊接和回流焊中,很多缺陷源于助焊劑活性不夠。好的助焊劑能夠經(jīng)受住高溫,防止橋接等。很多的實驗設(shè)計也證明了助焊劑的重要性。

優(yōu)秀的制成工藝控制可以降低缺陷水平。使用SPC和Pareto技術(shù)檢測制成工藝的穩(wěn)健性,完善組件設(shè)計更是關(guān)鍵。回流焊接中充分的制成工藝控制既可以防止過熱又能降低缺陷發(fā)生率。

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