关于控制器SMT生产过程锡珠的产生与预防分析研究

张伟 陈中炜

摘要：焊接锡珠（SOLDER BALL）现象是表面贴装（sMT）过程回流焊及控制器焊接过程中波峰焊的主要缺陷，主要发生在电子元器件的周围，由诸多因素引起，它是控制器系统生产过程的主要缺陷之一，它的产生是1个复杂的过程，也是最烦人的问题，要完全消除它，是非常困难的，一般来说，锡珠产生的原因是多方面的、综合的及外界环境影响导致的，本文通过对sMT生产过程可能产生锡珠的各种原因的分析，提出相应得解决方法。

关键词：锡珠;回流焊;原因;预防

0引言

锡珠直径在（0.2～0.4）mm之间，也有超过此范围的，主要集中在PCB板上元器件的周围。锡珠的存在，为产品的质量可靠性埋下了隐患。原因是现代化PcB板元器件密度高、间距小，锡珠在使用过程可能脱落、转移，进而导致元器件短路，影响产品的质量及使用情况。因此弄清它产生的原因，并对它进行有效的控制，就显得尤为重要了。

1锡珠缺陷现象及其判断标准

1.1回流焊中锡珠缺陷现象

焊膏是由各种金属合金组成，回流焊接中锡珠通常是在焊膏塌落（slump）或在处理期间压出焊盘时发生的，如图1所示。在再流期间，焊膏从主要的沉淀中孤立出来，与来自其他焊盘的多余焊膏集结，或者从元件体的侧面冒出形成大的锡珠，或者留在元件的下面，如图2所示。

1.2 IPC-610C对锡珠缺陷的可接收条件

1）不合格——1、2、3级要求

锡珠/飞溅的出现破坏了设定规定的最小电气间隙;这些锡珠没有被涂敷层夹陷（指产品在正常的使用环境下，锡珠不会发生移动），也没有附着在金属触点上。

2）不合格（迹象）一一1、2、3级要求

锡珠/飞溅分布在焊盘或印制线条周围0.13 inin范围内，或者锡珠直径大于0.13mm，如图3所示。

IPC-A-610C将0.13 mm（0.005 12英寸）直径的钎料或每600 mm²（0.9平方英寸）面积上，少于5颗分为第一类可接受的，并作为第二与第三类的工艺标记。IPC-A-610 c允许“夹陷的”不干扰最小电气间隙的锡珠。可是，即使是“夹陷”的锡珠都可能在运输、处理或经受振动后变成可移动的。

2回流焊接中锡珠的形成原因

1）解释回流焊中锡珠飞溅的几种理论

回流焊接过程中产生的溅锡珠现象的机理，目前存在下列几种理论解释：

①“小爆炸”理论，如表1。

该理论认为：再流焊接中焊膏中助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊点中的小爆炸，钎料颗粒在高温中的飞溅就可能发生。从而促使钎料颗粒在再流腔内空中乱飞，飞溅在PCB上形成锡珠粘附。当PCB材料内部夹有潮气时，和助焊剂排气有相同的效果。类似地，PCB板表面上的外来污染也是引起溅锡的原因。

②溶剂排放理论

溶剂排放理论认为：焊膏助焊剂中使用的溶剂必须在再流时蒸发。如果使用过高温度，溶剂会“闪沸”成气体（类似于在热锅上滴水），把固体带到空中，随机散落到板上，成为助焊剂飞溅。为了证实或反驳这个理论，美国专家罗丝-伯思逊等人使用热板作样板进行导热性试验，并作测试。使用的温度设定点分别为190℃、200℃和220℃。试验结论是：不含钎料粉末的膏状助焊剂在任何情况下都不出现飞溅。含有粉末的助焊剂（焊膏）在钎料熔化和焊接期间始终都有飞溅。显然溶剂排气理论不能解释锡珠飞溅现象。

③结合理论：

持此观点的人认为：当钎料熔化和结合时熔化材料的表面张力一种很大的力量——在被夹住的助焊剂上施加了压力，当压力足够大时，猛烈地排出。这一理论得到了对BGA内钎料空洞研究者的支持，其中描述了表面张力和助焊剂排气之间的联系（助焊剂排气率模型）。因此，有力的喷出是锡珠飞溅最可能的原因。接下来的实验室助焊剂飞溅模拟试验说明了结合的影响。完全的烘干大大地减少了飞溅现象，如表2所示（表2是来自金属结合的助焊剂飞溅模拟一烘干的研究）。

2）可能引起溅锡珠的因素

根据结合理论建立的结合模型分析，具体影响飞溅现象的潜在因素，如表1所示（表1可能引起溅锡珠的因素）。

总之，任何方法，如果使焊膏粉球可能沉积在PCB上，并在回流过程时仍存在，都可以产生锡珠。包括：①在丝印期间没有擦拭模板底面（模板脏）;②误印后不适当的清洁方法;③丝印期间不小心的处理;④基板材料和污染物中过多的潮气;⑤极快的温升斜率（超过4℃/s）。

3回流焊接中的预防方法

1）最小化

优化助焊剂载体的化学成分和再流焊接温度曲线，将溅锡减到最低。通过评估清楚地表明了活性剂、溶剂、合金和再流焊接温度曲线对溅锡珠程度有重要影响。这些参数的适当调整可以将溅锡珠现象减到最小。

2）确选择助焊剂材料

聚合助焊剂有希望最终提供1个可能最小化的溅锡珠的解决方案，因为潜在的飞溅材料在温度激化的聚合过程中被包围。因此，没有液体助焊剂留下来产生飞溅。

3）回流温度曲线的选择

回流温度曲线和材料类型两者都必须调整以使飞溅最小。图4示出了一条没有平坦保温区的线性上升温度曲线，试验结果是所有材料都存在一些溅锡现象。基于飞溅机理的假设，这个线性曲线没有充分烘干助焊剂。图5所示的基本曲线包括1个160℃的高温保温（烘干）区，以蒸发所有的溶剂。这种溶剂的挥发增加了剩余助焊剂的粘性，减少了进入再流区后的挥发成份，因此减少了飞溅。但是，这样烘干带来的潜在问题是钎料的熔湿性变差和易产生空洞。使用惰性气体（氮气）可以帮助改善熔湿和减少空洞，但对飞溅却无效果。

4）正确地设计模板开口形状

前面已讨论到模板开孔的形状是在免洗焊膏应用中的1个关键设计参数。是形成具有高可靠性的高质量焊点所要求的足够的焊膏量的基础。为了解决在片状元件上的溅锡珠的问题，在探讨各种模板开孔的形状中，最流行的是homeplate开孔设计（图6）。据说这种homeplate设计可以在需要的地方准确地提供焊膏，从片状元件的角上去掉过多的焊膏。可是，homeplate设计会带来焊膏的粘附区域不足的问题，焊膏提供很小的与零件接触的面积，因而易造成元件偏位。除此之外，homeplate设计不能消除片状元件下面和相邻位置的锡珠。在片状元件下面出现过多种焊膏的模板设计方案，包括：

①homeplate模板（图6）;

②比矩形片状元件焊盘形状减少85%的模板（图7）;

③对片状元件的T形开孔模板（图8）。

图6所示的模板能减少在片状元件上的锡珠的数量，但是不能完全消除。图7所示的模板有80%的片状元件出现锡珠。而图8所示的模板可去掉50%的锡珠。因此，这三种模板没有哪个能有效地消除锡珠，同时在装配期间提供足够的粘附力来将元件固定在位。图9示出了85%的u形模板。在u形模板上，片状元件下面的中间部分是没有焊膏的。模板材料是0.16 mm厚度的不锈钢，采用化学腐蝕工艺。这种设计已经证明可以提供连续的焊膏沉淀。

试验证实了对片状元件使用u形开孔模板能较好地消除锡珠。这种u型模板在其所需要的位置上可以提供准确的焊膏，而没有可能造成锡珠从片状元件体下面挤出的地方提供过剩的焊膏。u形开孔模板只在其需要的地方出现焊膏，且分布在片状元件体的边缘，不直接在元件体中间的下面。这样一来，如果片状元件贴放偏离位置，焊膏沉淀足够在整个过程和再流焊接中维持住零件。

4结论

优质的焊膏结合正确的温度曲线，可以达到实际消除焊锡和助焊剂的飞溅，相对于易挥发溶剂含量高和熔湿速度慢的焊膏可以达到最好的效果。提供给表面贴装元件的焊膏数量与位置的改善，直接影响锡珠与锡尘的出现与否。通过在适当的位置提供适量的焊膏，最终产品质量就可以大大提高。对片状元件来说使用u形开孔，可以大大地减少锡珠的发生。对QFP焊盘的减小，消除了相邻焊盘之间的锡尘。结合适当的焊盘尺寸与形状，就可为PCB的装配生产形成一种优化的高质量的生产工艺。