影响无铅 波峰焊接焊点质量的因素:
1. 与元器件相关的缺陷
(1) 当元器件引脚在PB污染或Bi镀层时,会导致焊接中由于存在低熔点环节而产生缩孔,对SMC/SMD在波峰焊接发生二次回流时,增加了焊角翘离的风险,如图3.45所示。
(2) 低质量的元器件(含PCB)易导致吸潮、塑料融化或变形、PCB基材分层等不良现象。因此,应使用符合RoHS所要求的元器件,因为这意味着这些元器件不仅使无铅的,而且还是耐高温的。
(3) 不完善的存储条件是另一种危害。无铅焊剂的高温要求更稳定不易吸收水汽,不易发生爆米花现象。因此,严格控制元器件的湿度敏感等级是非常重要的。
(4) 在所有无铅元器件的镀层中,纯Sn是批量生产中使用最多的材料,特别是在SMD陶瓷电容上是一种非常可靠的替代Sn-Pb的镀层,但需要关注其锡须和锡瘟现象。
2. 与PCB相关的缺陷
(1) 表面不可焊
这意味着待焊表面已经氧化或污染,失去了可焊性。不同的PCB镀层有不同的失效机理。
1) ENIG Ni/Au。 Au是优良的表面镀层,在无铅焊接中不会氧化或变暗,且易溶解于Sn中。但Au镀层的多孔性及Ni/Au层的黑盘现象会影响其可焊性。
2) Im-Sn.
在Cu焊盘和Sn层之间形成的Sn-Cu金属间化合物,一旦生长到达镀层的表面,就会迅速氧化而导致焊接面可焊性变差。
表面结构形态研究表面,Im-Sn结构疏松而呈颗粒状。因此,要求有适当的厚度以防止焊盘露Cu。
3) Im-Ag.
这是一种很薄的沉积(100~200nm),因此很容易被检查工具的针脚破坏。
在制造和存储过程中,可能会由于空气中含有硫和硫化物而使其发黄。无光泽的Ag的硫化物会影响可焊性。
4) 有机可焊性保护层(OSP)。OSP必须保证Cu表面在焊接前和焊接过程中的可焊性。
(2) PCB基材质量
很多缺陷和PCB材料质量有关,而PCB的可焊性依赖于良好的存储条件,受控扥物流和合格的供应商。
3. 与温度相关的缺陷
很多潜在的缺陷源于更高的焊接温度。基材的层与层之间、基材与Cu层之间的分层以及PCB的变形,就是低质量的基板材质和高温作用共同造成的典型缺陷。例如,PCB与钎料接触时间加长,有利于改善通孔的填孔效果;较高的焊接温度有益于钎料的润湿。然而。当同时具备接触时间长和焊接温度过高两个条件时,就易导致以下几种缺陷。
(1) 吹起孔
由于高温使气体从板的基材中排出,通过镀铜孔壁进入钎料并在其中产生大的空洞。
(2) 钎料过量
由于温度过高、表面氧化、液滴的表面张力进一步增大而导致的结果。
(3) Cu的溶解
温度升高使焊盘中的Cu溶解速度加快,如果Cu层太薄,接触时间过长就会使Cu完全熔解掉。
(4) 二次回流
如果波峰焊接过程中温度过高,再流焊接好的SMC/SMD焊点会再次被熔化,钎料可能会被吸走,使得引脚脱离焊盘,有时引脚和焊盘之间会保留少许连接并能通过电流,要发现这种缺陷就更加困难。
(5) 芯吸效应
温度过高时焊点钎料易被吸上引脚上部,造成焊盘钎料量不足,如图3.46所示。
(6) 元件损坏
有些元件(如陶瓷电容)在钎料波中停留过久就可能碎裂。另一种情况是元件的点绞承受不住高温而掉入钎料糟中,如图3.47所示。
(7) 钎料污染加剧
如果钎料槽的构成材料中没有足够的防护层,不锈钢中的铁会溶解于钎料中形成FeSn2晶体。这种晶体的熔点高达510℃,因而会集聚在钎料糟的底部。一旦被泵上波峰,结晶体就可能留在焊点间引起桥连,如图3.48所示。
4. 与波峰焊接相关的缺陷
(1) 由于镀Cu过孔和PCB基材不同的热膨胀率,波峰焊接过程中会造成焊盘区域出现形变形。这种变形是一种动态过程,是焊盘在焊接过程中发生的上、下位移而导致焊点裂缝的产生。
(2) 钎料中受Pb 、bi、Cu或其他金属的污染会影响固化过程,特别是在钎料中混入Pb、Bi低熔点材料,会造成焊点的机械应力发生变化,使焊点钎料发生断层或裂缝,并伴有不同的氧化层生层。
(3) 表面皱缩也是这种固化和应力导致的结果。
5. 与助焊剂相关的缺陷
助焊剂的活性与波峰焊接过程中起着重要作用,应用中很多缺陷均与助焊剂的活性有关。活性强的助焊剂能去除氧化物并防止桥连。透孔率是无铅焊接中一个非常关键的指标,沸点温度高的助焊剂可以改善通孔的透过率。
6. 与阻焊层有关的缺陷
(1) 更高的焊接温度会使阻焊层变得更弱,同时钎料更容易黏着。
(2) 助焊剂和助焊层之间的相互作用,会导致PCBA组件底面产生残留物。这些在焊接中没有挥发的油性残留物,由基板底面固化的增塑剂或未正常混合的阻焊剂组成。PCB制程过程中若烘烤不充分、就容易发生这类问题。
7.氮气的影响
钎料上的氮气覆盖有助于提高润湿特性,提高去除氧化物的能力,从而增强钎料的透孔率。足够的助焊剂活性配合氮气的保护作用,就可避免出现诸如拉结等缺陷。
8.工艺过程控制科学化
优良的工艺过程控制可以降低缺陷水平,因此应尽可能运用SPC和pareto等工艺过程控制技术,在线检测工艺的稳定性。