​波峰焊接中溅锡珠的形成原因

波峰焊接中溅锡珠的形成原因    

⑴  “小爆炸”理论

        波峰焊接中在 PCB 的焊接面及元件面上均可能产生锡珠飞溅现象。普遍认为在 PCB 进入波峰之前有水汽滞留在PCB上的话，一旦与波峰钎料接触，在剧烈升温的过程中，就会在极短的时间内迅速汽化变成蒸汽，发生爆发性的排气过程。正是这种剧烈的排气可能引发正处在熔融状态中的焊接点内部的小爆炸，从而促使钎料颗粒在脱离波峰时飞溅在PCB上形成锡珠。

        在波峰焊接前PCB水汽的来源，杭州东方通信公司对此进行过专题研究和试验，归纳的结论如下：

①   制造环境和PCB存放时间

        制造环境对电子装联的焊接质量有着很大的影响。制造环境的湿度较重，或PCB包装开封较长时间后再进行贴片和波峰焊生产，或者PCB贴片、插装后放置一段时间后再进行波峰焊，这些因素都很有可能使PCB在波峰焊接过程中产生锡珠。

       如果制造环境的湿度太大，在产品制造过程中空气浮动着水汽很容易会在PCB表面凝结，使PCB通孔中凝结有水珠，在过波峰焊时，通孔中的水珠经过预热温区后可能还没有完全挥发完，这些没有挥发完的水珠接触到波峰的焊锡时，经受了高温，就会在短时间内汽化变成蒸汽，而此时正是形成焊点的时候，水汽就会在焊料内产生空隙，或挤出焊料产生锡球。严重的话就会形成一个爆点，并在它的周围分布有被吹开的细小的锡珠。

        假如PCB在包装开封较长时间后再进行贴片和波峰焊，通孔中也会凝结有水珠；PCB完成贴片后或插装完成后放置了一段时间，也会凝结水珠。同样的原因，这些水珠都有可能在波峰焊过程中导致锡珠产生。

        因而，作为从事电子装联的企业，对制造环境的要求和对产品制造过程中的时间安排显得特别地重要。贴片完成后的PCB应在24小时内完成插装并进行波峰焊，假如天气晴朗干燥，可以在48小时内完成。

②  PCB阻焊材料和制作质量

        在PCB制造过程中所使用的阻焊膜也是波峰焊产生锡球的原因之一。因为阻焊膜与助焊剂有一定的亲合性，阻焊膜加工不良常常会引起锡珠粘附，产生焊锡球。

        PCB的制造质量不好也会在波峰焊时产生锡球。如果PCB通孔的孔壁镀层较薄或者镀层中有空隙，PCB通孔附着的水分受热变成蒸汽，水汽就会通过孔壁排出，遇到焊料就会产生锡球。因而在通孔内有造当的镀层厚度是很关键的，孔壁上的镀层厚度最小应为25μm。

       PCB通孔中有污垢或不干净物质时，在过波峰焊的时候，喷入通孔中的助焊剂不能得到充分的挥发，液体助焊剂和水汽一样，在遇到波峰时也产生锡珠。

③  正确的助焊剂选择

        产生焊锡球的原因有很多，但助焊剂是一个主要原因。

        一般的低固、免清洗助焊剂比较容易形成锡球，特别是在底面有SMD元件需要双波峰焊时，这是因为这些助剂不是设计为可以在长时间热量下使用。如果喷在PCB上的助焊剂在过第一波峰时已经使用完，那它在过第二个波峰时已没有助焊剂，这样就不能发挥助焊剂的作用和帮助减少锡球。减少锡球的一个主要方法是对助焊剂的正确选择。选择可以经受较长时间热量的助焊剂。如Alpha公司的NR310和SLS65系列的助焊剂，就是针对这个原因设计的，据资料介绍可以减少90%的焊锡球。

④  助焊剂的用量与预热温度的设置

        锡珠的产生也可能是由于波峰焊的一些工艺参数设置不当造成的。波峰焊产生的焊锡球与助焊剂的用量和预热温度的设置有关，通常会产生形状不规则的锡珠。如果预热温度设置不当或是增加助焊剂的用量，就可能会影响助焊剂内组成成分的蒸发。

        假如助焊剂的喷雾量过多，或预热温度设置过低，助焊剂就不能在预热阶段得到蒸发，到达波峰口上面时还有助焊剂的液滴，过多的助焊剂就会在波峰口的焊锡中溅射，出了波峰口后就会有细小锡珠分布在焊点周围。

        因而，为了消除焊锡球，助焊剂的用量不应过大，一般的经验是PCB到波峰口时助焊剂刚好蒸发成粘稠状，没有液滴往下流，在波峰口上没有溅射的声音和烟雾。预热温度的设置也应恰当，应能使助焊剂完全蒸发，但又不能过高，这会使PCB和元件受到热冲击，预热温度一般应使PCB上表面温度达到110℃-120℃。

⑵  PCB表面状态的影响

       2000年国际表面贴装技术学术年会上，Fritz  Byle发表的“不断改善的波峰焊工艺”的试验研究报告中，认为：助焊剂类型和阻焊膜类型对锡珠的发生量有很大的影响。一般来说，光滑的阻焊膜产生的锡珠量要比粗糙的阻焊膜的锡珠量低得多，如图5所示。

        研究试验中共采用了四种不同的助焊剂，其中A、B、C为非有机挥发物助焊剂，D是乙醇基的。使用助焊剂C和D可使粗糙阻焊膜的钎料量保持在最低，而助焊剂A对阻焊膜类型的敏感性最低。

        Fritz  Byle还发现在2mm间距的连接器(插头座)的无阻焊膜的区域上就没有锡珠。层板板表面很高的表面积能使助焊剂涂敷均匀和对锡球的粘附力下降。

        阻焊膜本身固化不足，造成溅出的钎料粒子容易附着。

⑶  熔湿速率不匹配

       熔湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体的影响。当元器件引脚或焊盘表面处理层 ( 如镀锡铅合金、热浸锡铅合金、OSP保护层及化学浸金等 ) 的不同状况也会影响到锡珠的多寡，其中以热浸铅锡合金的保护层产生的锡珠较多。

        在生产现埸发现用户板上的厚膜电路的引脚之间在波峰焊接时锡珠的发生率最高、如图6所示。

        由于公司用的厚膜电路引脚全部是采用热浸锡铅合金作保护膜的，这层保护膜在热浸锡铅过程中已经形为铜锡合金层 ( 从引脚外观即可判断 )。与Sn63 / Pb37相比，其润湿性明显劣化，从而导致了熔湿速率的较大差异。我们知道当两种材料的熔湿速率不一致，在波峰焊接中当焊点与波峰钎料分离时，在引脚表面极易形成颗粒状锡珠粘附，便会在相邻的焊点之间产生锡珠，如图7所示。

⑷  PCB浸入波峰深度不合适

        波峰高度可能造成过多的钎料在通孔或旁路孔内起泡和飞溅，随机的锡珠可能附着在PCB板面和元件上。

综上所述，波峰焊接中产生锡珠的可能原因可综合归纳如下：

①   PCB在制造或贮存中受潮；

②   环境湿度大，潮气在多缝的PCB上凝聚，厂房內又未采取驱潮措施；

③   PCB和元器件拆封后在安装线上滞留时间过长，增加了吸潮机会；

④   镀层和助焊剂不相溶、 助焊剂选用不当；

⑤   漏涂助焊剂或涂覆量不合适、助焊剂吸潮夹水；

⑥   阻焊层不良，沾附钎料残渣；

⑦   基板加工不良，孔壁粗糙导致槽液积聚，PCB设计时未作热分析；

⑧   预热温度选择不合适；

⑨   镀银件密集；

⑩   钎料波峰形状选择不合适。