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SMT之家论文中心 / 表面贴装工艺 / 焊接工艺 / 将溅锡的影响减到最小
将溅锡的影响减到最小
2003-12-21    罗丝.伯恩逊、大卫.斯比罗里和杰弗里.安卫勒(美)       点击: 12154
将溅锡的影响减到最小

在回流之后,内存模块的连接器“金手指”可能出现溅锡的污染,这意味着产品的品质和可靠性问题和制造流程问题。

溅锡只是表面污染的一种,其它类型包括水渍污染和助焊剂飞溅。这些影响较小,但由于焊锡飞溅,焊锡已实际上熔湿了“金手指”的表面。

“小爆炸”

溅锡有许多原因,不一定是回流焊接时热的或熔化的焊锡爆发性的排气结果。例如,通过观察过程,以保证锡膏丝印时的最佳清洁度,溅锡问题可以减少或消除。

任何方法,如果使锡膏粉球可能沉积在金手指上,并在回流过程时仍存在,都可以产生溅锡。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. 机板材料和污染物中过多的潮汽
  5. 极快的温升斜率(超过每秒4° C)

在后面的原因中,助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊接点中的小爆炸,促使焊锡颗粒变成在回流腔内空中乱飞,飞溅在PCB上,污染连接器的“金手指”。PCB材料内夹住潮气的情况是一样的,和助焊剂排气有相同的效果。类似地,板表面上的外来污染也引起溅锡。

溅锡的影响

虽然人们对溅锡可能对连接器接口有有害的影响的关注,还没有得到证实,但它仍然是个问题,因为轻微的飞溅“锡块”产生对连接器金手指平面的破坏。这些锡块是不柔顺的,锡本身比金导电性差,特别是遭受氧化之后。

第一个最容易的消除溅锡的方法是在锡膏的模板丝印过程。如果这个过程是产生溅锡的原因的话,那么通过良好的设备的管理及保养来得到控制,包括适当的丝印机设定和操作员培训。如果原因不在这里,那么必须检查其它方面。

水印污染:其根本原因还未完全理解,虽然可能涉及许多根源。因为已经显示清洁的、未加工的、无锡膏的和没有加元件的板,在回流后也会产生水印污染,所以其中包括了许多的原因:PCB制造残留、炉中的凝结物、干助焊剂的飞溅、清洗板的残留和导热金的变色等。

水印污染经常难于发现,但其对连接器接口似乎并无影响。事实上内存模块的使用者并不关心这类表面污染,常常看作为金的变色。

助焊剂飞溅:一般理解为,助焊剂水滴在回流炉中变成空中乱飞,分散和附着在整个板上,包括金手指。有两种理论试图说明助焊剂飞溅:溶剂排放理论和合并理论(丝印期间的清洁再次认为有影响,但可控制)。

  • 溶剂排放理论:认为锡膏助焊剂中使用的溶剂必须在回流时蒸发。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,使用热板对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° C,200° C和220° C。膏状的助焊剂(不含焊锡粉末)在任何情况下都不出现飞溅。可是,锡膏(含有粉末的助焊剂)在焊锡熔化和焊接期间始终都有飞溅。表一和表二是结果。

表一、溶剂排气模拟试验

测试描述

材料

结果

助焊剂载体(无粉末)印于铜箔试样,放于设定为190° C、200° C和220° C的热板上

助焊剂载体B

助焊剂载体D

在试样上没有明显的助焊剂飞溅,第二次结果相似

将锡膏印于铜箔试样,放于设定为190° C、200° C和220° C的热板上回流

  • 锡膏B:90%金属含量,Sn63/Pb37,-325/+500
  • 锡膏D:92%金属含量,Sn63/Pb37,-325/+500

两种金属含量都可以看到助焊剂飞溅,金属含量较高的产生飞溅可能较少,但很难说。第二次结果相似

助焊剂A:Kester244,助焊剂B:92,助焊剂C:92J,助焊剂D:51SC,助焊剂E:73D,助焊剂F:75

表二、从金属焊接中的助焊剂飞溅模拟试验

测试描述

材料

结果

锡膏(有粉末)印于铜箔试样,放于设定为190° C、200° C和220° C的热板上

  • 锡膏B,90%,Sn63/Pb37,-325/+500
  • 锡膏D,90%,Sn63/Pb37,-325/+500

 

  • 在所有温度设定上,锡膏B明显比锡膏D湿润较快,结合更积极,结果助焊剂飞溅较多
  • 也看到锡膏D在所有温度上的助焊剂飞溅,但比锡膏程度要小
  • 温度越高,飞溅越厉害

保温区(干燥)模拟--锡膏印于铜箔试样,在设定不同的温度热板上预热不同的时间,保温范围150° C~170° C,时间1~4分钟。试样然后转到第二块热板上,以220° C回流,并观察助焊剂飞溅。

  • 锡膏B,90%,Sn63/Pb37,-325/+500
  • 在较高温度下保温超过2分钟,减少或消除了助焊剂飞溅

Sn62的锡膏和Sn63的锡膏比较,看是否Sn62较慢的结合速度会减少飞溅

  • 锡膏B:90%金属含量,Sn63/Pb37,-325/+500
  • 锡膏B:90%,Sn62/Pb36/Ag2,-325/+500
  • Sn62和Sn63都观察到助焊剂飞溅,飞溅数量的差别肉眼观察不出,观察到Sn62的结合速度较慢

助焊剂A:Kester244,助焊剂B:92,助焊剂C:92J,助焊剂D:51SC,助焊剂E:73D,助焊剂F:75

可以推断,如果助焊剂沸腾引起飞溅,那么当助焊剂单独加热时应该看到。可是,由于飞溅是在焊锡结合时观察到的,这里应该可找到其作用原理。测试说明溶剂排气理论不能解释助焊剂飞溅。

结合理论:当焊锡熔化和结合时熔化材料的表面张力一个很大的力量在被夹住的助焊剂上施加压力,当足够大时,猛烈地排出。这一理论得到了对BGA装配内焊锡空洞的研究的支持,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,有力的喷出是助焊剂飞溅最可能的原因。接下来的实验室助焊剂飞溅模拟说明了结合的影响,甚至当锡膏在回流前已烘干。尽管如此,完全的烘干大大地减少了飞溅(表三)。

表三、来自金属结合的助焊剂飞溅模拟烘干研究

温度

一分钟

二分钟

三分钟

四分钟

150oC

观察到飞溅

1-2飞溅

无飞溅

无飞溅

160oC

1-2飞溅

无飞溅

无飞溅

无飞溅

170oC

无飞溅

无飞溅

无飞溅

无飞溅

用锡膏B 90% Sn63/Pb37 合金作试验

熔湿速度

因为结合模型看来会成功,所以调查了各种材料的熔湿速度。熔湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境的影响。如图一所说明,温度对熔湿速度有戏剧性的影响,温度越高,速度越快。

图一、一种焊锡配方在不同温度测试的熔湿速度,影响因素包括合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境。

李宁成博士在其论文,“通过缺陷机制分析优化回流曲线”中说,惰性气体(氮)也会增加熔湿速度。SMT专栏作家珍尼.黄博士和其它人的报告说,共晶合金的熔湿速度倾向于比非共晶材料快。因此,Sn63/Pb37一般比Sn62/Pb36/Ag2熔湿速度更快。影响熔湿、从而影响结合和潜在飞溅的因素如表四所示。

表四、可能引起溅锡的因素

因素

机制

对飞溅的影响

助焊剂载体

活性剂

不同的活性剂在回流时提高不同程度的湿润和结合速度

快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性,将可能增加受夹助焊剂的压力,因此引起助焊剂爆发性的排出。

助焊剂载体溶剂及其含量

溶剂类型和含量将影响预热期间烘干程度

增加溶剂含量将引起受夹住焊剂更激烈的排出

合金类型

合金影响回流期间的湿润和结合速度

快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性,将可能增加受夹助焊剂的压力,因此引起助焊剂爆发性的排出。

回流气氛

惰性(氮)环境增加回流期间的湿润和结合速度

快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性,将可能增加受夹助焊剂的压力,因此引起助焊剂爆发性的排出。

焊锡熔化温度

更高的熔化温度增加回流期间的湿润和结合速度

快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性,将可能增加受夹助焊剂的压力,因此引起助焊剂爆发性的排出。

溅锡的解决方案

预防:防止溅锡沉积的一个方法就是在金手指上涂敷一层可驳除的阻焊层,在丝印锡膏后涂敷,回流后拿掉。这个方法还没有印证,可能成本高,因为牵涉手工作业,涂敷板上选择性区域会造成困难,中断生产流水作业。另外可选择在金手指上贴临时胶带。这个方法也有同样的缺点。

最小化:优化助焊剂载体的化学成份,和回流温度曲线,将溅锡减到最低。为了证明这一点,得到内存模块制造商的支持,通过评估对材料和回流温度曲线优化的影响,来评价表准锡膏系统。清楚地表明活性剂、溶剂、合金和回流温度曲线对溅锡程度有重要影响。因此,有信心着手解决问题,这些参数的适当调整可以将溅锡减到最小。

非标准材料,如聚合助焊剂系统由于成本高、货架寿命丝印寿命短、工艺变化范围小、并返工困难,不包括在本研究范围。但是,聚合助焊剂有希望最终提供一个可能最小化的溅锡解决方案,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。

测试样板是一块六个小板的内存模块,没有贴装元件。(已发现元件回减小溅锡的影响,因为元件会阻隔助焊剂从金手指上排出)。现有生产材料和温度曲线作基本的试验条件(表五)。生产电路板的飞溅水平大约每100块组合板有一个飞溅锡球。两个工程师通过20倍的显微镜观察所有的板,以评估溅锡程度。

表五、测试材料

助焊剂载体

描述

相对湿润速度

溶剂含量

回流环境

溶剂挥发性

助焊剂A

现有生产材料(内存模块制造商的)中等残留,RMA型

未知

推荐惰性

助焊剂B

高级、高性能、长丝印寿命,中等残留

空气或惰性

助焊剂C

高级、高性能、长丝印寿命,中等残留

空气或惰性

助焊剂D

高性能、RMA型,长丝印寿命,中等残留

空气或惰性

助焊剂E

低残留,高溶剂含量,空气或氮气回流

推荐惰性

助焊剂F

极低残留,惰性回流

惰性

助焊剂A: Kester244, B: 92, C: 92J, D:51SC, E: 73D, F:75

在线研究中使用不同特性的表准锡膏。根据其不同的湿润速度和溶剂性能来选择这些材料。为减少研究中的变量参数,所有锡膏使用同一种合金:Sn63/Pb37,粒度-325/+500目。

最小化试验结果

回流温度曲线的选择:试验期间得到明确,回流曲线和材料类型两者都必须调整以使飞溅最小。测试使用的两条主要的回流曲线不同在于其保温区的特性。没有平坦保温区的线性上升温度曲线(图二)结果是所有材料都存在一些溅锡,在原来的生产材料上增加了溅锡。因此,这个曲线形状没有作继续研究。基于飞溅机制的假设,这个线性的曲线没有充分烘干助焊剂。

一个更有前途的基本曲线形状包括一个160oC的高温保温(烘干),以蒸发所有溶剂(图三)。这种溶剂失散增加助焊剂剩余的粘性,减少挥发成份,因此减少飞溅。可是,这样烘干的潜在问题包括熔湿变差和产生空洞。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。这个曲线也是一个“长”曲线,消除了过快温升率的需要(最高每秒175oC)。


图二、线性温升曲线,没有保温平台区,对任何焊锡和助焊剂材料都造成一些溅锡


图三、有一个高温保温区的温度曲线,溶剂的消失提高余下的助焊剂粘性,因此减少溅锡

所有温度曲线研究的结果在图四和表六中总结。光板上测得的飞溅程度,在已贴装元件的生产板上大大减少。估计表明,光板上少于10-20个飞溅锡球,将在贴装元件板上不产生飞溅。因此,助焊剂类型D,E和F(表五)都提供了可行的溅锡解决方案。D型助焊剂载体有其它有点,工艺范围大和可以空气回流。三种材料的特点都是熔湿速度慢,但溶剂种类不同,这显示所有溶剂都可以有效烘干,熔湿速度才是助焊剂飞溅的关键因素。


图四、每一种材料在内存模块六合一板上的飞溅结果。
Series1: 平坦、滞色的助焊剂小滴数量
Series2: 有形、光泽的助焊剂小滴数量

表六、材料研究结果

锡膏类型

Series1

Series2

带速

环境

助焊剂A

0

34

26”/min

氮气

助焊剂A

0

42

26”/min

氮气

助焊剂B

12

5

26”/min

氮气

助焊剂B

4

20

26”/min

氮气

助焊剂B

0

21

26”/min

空气

助焊剂B

0

21

26”/min

空气

助焊剂B

0

21

26”/min

空气

助焊剂B

0

29

26”/min

空气

助焊剂C

2

7

26”/min

空气

助焊剂C

0

35

26”/min

空气

助焊剂D

0

0

26”/min

空气

助焊剂D

0

2

26”/min

空气

助焊剂D

0

2

26”/min

空气

助焊剂D

0

4

26”/min

空气

助焊剂E

0

3

26”/min

空气

助焊剂E

0

3

26”/min

氮气

助焊剂F

2

0

26”/min

氮气

助焊剂F

1

0

26”/min

氮气

助焊剂A: Kester244; B: 92; C: 92J; D: 51SC; E: 73D; F: 75

检查与清洁

如果在清洁的连接器内产生溅锡,那么检查和清洁是对溅锡的昂贵和费时的改正行动。当然,通过锡膏残留中配方的变化,检查可以通过染色和荧光化学品来简化。清洁也可以用适当的残留构思来改进。不幸的是,和预防措施一样,成本和时间使得检查和清洁是人们所不希望的。

结论

锡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。相对易挥发溶剂含量高和熔湿速度慢的锡膏可达到最好的效果。遮盖连接器手指和检查与清洁可提供临时的解决办法,但没有找到溅锡的根本原因。

参考书:

  1. Dr. Ning-Cheng Lee, “Voiding in BGA.” Indium Corp. of America.
  2. William Casey, “Voiding in MicroBGA,” SMI 1998 Proceedings, MCMS.

Ross B. Berntson, David W. Sbiroli and Jeffery J. Anweilier may be contacted at Indium Corp. of America, 1676 Lincoln Ave., Utica, NY 13503; (315) 863-1000; E-mail: rbb@indium.com, dsbiroli@indium.com and janweiler@indium.com; Web site: www.indium.com.

责任编辑: skylee
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