波峰焊后PCBA板面锡珠残留机理分析

zmmdmn

摘要
+ R0 n" X0 h. i4 v
锡珠是印制板焊接过程中常见的缺陷之一，目前印制线路板及元件密度高、间距小，在受震或使用过程锡珠可能会脱落，产品受热后锡珠可能再次出现受热重熔，造成元器件或电路连接短路，锡珠的存在不仅影响了电子产品的外观，也对PCBA整机的可靠性埋下质量隐患。文章重点对印制板、波峰焊设备、工艺、环境等进行了系统的分析及验证试验。为印制板波峰焊后锡珠残留改善提供理论依据。
6 m, |  @3 p) G& e( z# r( R% S
关键词：波峰焊；锡珠；助焊剂；阻焊油墨。

0

前言
# N' B  D. T9 d. i" s
随着电子产品迅速朝小型化、便携式、网络化和多媒体化方向发展，与之对应的印制板设计高密度化、高速化、高性能、高可靠性、低功耗、小尺寸和多引脚等。而印制板一般需要经历回流焊及波峰焊实现各种器件与PCB的电气连接，但是往往波峰焊、回流焊焊接后中PCB都有几率产生锡珠，尤其在波峰焊焊接过程中，PCB的多排插件孔，特别是在64芯或96芯插座的焊点周围，插件波峰焊后Pin脚附近的PCB阻焊油墨表面会存在大量细小的锡珠，如图1所示。
' ?. L- v. W( J
1 M7 q* Y- m6 G0 `; i

  T  T. e+ @8 y2 d, IPC-A-610C检验标准中对锡珠的检验要求作了如下定义:当焊盘间距或印制导线间距的尺寸为0.13mm时，锡珠直径不能超过0.13mm，或者在600mm范围内不能出现超过5个锡珠。如图1，波峰焊生产后锡珠的直径存在一定的差异性，较小锡珠的直径在50μm左右，而较大的锡珠直径可达到185μm（超过标准要求0.13mm），如果不在波峰焊后对锡珠进行人工清理，锡珠的数量难以直接符合IPC-A-610C的接收标准要求。波峰焊锡珠的残留降低了焊接的质量，增加了检验和返修的人工费用。假如出厂的PCBA还存在着没有被检查出来的锡珠，有可能会影响设备的正常运行，而引起严重后果。
( Z7 O4 V, n) [; u/ m6 h  |( m

* e8 |6 D- K6 n' n. ^因此，需要对波峰焊锡珠的形成机理进行分析研究，对锡珠形成的主要影响因素进行分析，进行相应工艺改善，找到消除波峰焊锡珠，提高可靠性的有效方法。

1

' A5 q% j* n  @) P$ a; Z锡珠的粘附分析

锡珠的残留是由于阻焊油墨与锡珠间发生结合，所以锡珠残留机理分析的第一步应当对锡珠的结合界面观察分析。使用扫描电镜观察锡珠微观形貌，使用X射线能谱仪对锡珠表面进行EDS元素分析，结果如图2所示。

由图2可知，测试板经波峰焊后，在扫描电镜的背散射成像模式下（样品成分信息观察），锡珠表面与阻焊表面均存在一层黑色异物，经元素分析未发现主要特征元素为C、O、Al、S、Cl、Cu、Sn，C（碳）含量（75.02%）、O（氧）含量（21.12%）明显偏高，说明黑色异物可能为波峰焊后锡珠表面残留的助焊剂。
$ h3 Z( g: z* Q+ C" g
使用异丙醇对样品进行清洁后，再次观察锡珠表面形貌，结果如图3。
& d8 {8 [/ g) t

( H( d5 m9 u4 O
6 D/ M- C) s% M/ R0 u/ G如图3，经异丙醇清洗后，锡珠表面焊料的形貌清晰，主要元素为O、Cu、Sn，说明波峰焊后的锡珠表面存在助焊剂包裹。使用粘附胶带，将锡珠拔除，使用扫描电镜观察锡珠底部及油墨面的形貌特征，如图4所示。

/ Z0 t* l3 M" F9 e. o) N( q! }如图4，锡珠拔除后，从表面形貌及EDS元素分析结果可判断锡珠底部中心裸露焊料，油墨面与焊料形貌对应的凹坑中心为阻焊油墨形貌，四周存在残留助焊剂，说明锡珠的产生原因为焊料与PCB的阻焊油墨发生不良结合。
) `- ?* ?0 [. N% n( t! m$ o6 E
2

4 Q0 L5 g, @( ?5 k3 f) w5 H( E锡珠残留机理分析

7 x. F) E* h9 E8 R0 U/ P7 d>>>>
  o$ Q4 L5 T3 c2.1 波峰焊工艺

对波峰焊关键设备如图5所示，对波峰焊的焊接工艺流程进行分析。
: N* O3 U8 D7 g* C" m4 |! i) X  Y

; n/ Y# V+ C' @) J9 T$ H# u波峰焊主要为如下4个过程：

（1）喷涂段：PCB插好针脚后入板进入助焊剂喷涂段，助焊剂通过喷雾的方式沉积在波峰焊接区域；

（2）预热段：通过分段加热的方式，蒸发助焊剂，提前是板面达到焊接温度；
3 h; b, F6 I4 Y1 i( V
- k2 `1 I' _/ x) G, r（3）焊接段：PCB通过轨道斜角与向上涌的焊料接触，PCB的PTH孔被焊料润湿完成焊接；
$ W3 z* _1 B# G3 R. [) X' K
（4）冷却段：焊接后PCB经历一小段环境温度冷却，焊料与插件针脚完成最终的焊接。

+ e0 w! V/ S# ?& }8 m1 T
+ C5 Z8 l! m- f0 x$ p>>>>
2.2 锡珠残留模型
% J; s- ]  n# l: Y$ Y
锡珠的形成机制主要有如下三种：

6 t5 T! C0 g9 q! Y  L3 K1）焊料回弹模型：
( {' U0 m7 \; d  `: u

已有研究表明发现几乎每一次焊盘和焊接波峰的液态焊料剥离时，回落的锡球会产生“石子效应”，回落的锡球由于存在较高的运动能量，回落至锡面时受到锡面的表面张力影响，产生锡珠回弹至PCB板面，大块的锡珠由于重力的作用回落焊料槽，而小锡珠与助焊剂挥发的油墨面直接结合，如图6(d，e，f)，冷却过程被助焊剂润湿包裹，产生锡珠。
0 F+ _; [" x' G0 d0 z9 v) a

  M/ [/ h. b  s- H  M6 p2）焊料流动模型
( B3 k8 ]7 p- r& s' M. G" F


焊接孔离开焊槽时，PTH孔及插件针脚的尖端仍润湿着多余的液体焊料，在走板过程中，液态焊料与PCBA存在速度差，液态焊料产生惯性，当板厚与插件Pin脚长度相差较大时，残留的液态焊料包裹在Pin脚针尖，焊料受重力作用回落至焊槽，难以与油墨接触，难以残留锡珠；当板厚与插件Pin脚长度相差较小时（Pin针插入PTH孔后无多余长度），部分受重力作用回落至焊槽，但孔口包裹的焊料沿孔向油墨滑落，与油墨面接触，经冷却后形成残留在油墨表面，形成锡珠，如图7(d，e，f)所示。

( V* b- q* u" p# U) ]& h2 B

; _9 W) e$ u/ p7 |. N  v3）溅锡模型
# a5 V0 I# r7 O0 e* ^4 ~. ~, J4 h8 j
如果焊接环境湿度管控超标或PCB存在严重的吸湿情况，在焊接时，PTH孔焊接时孔内水分受热而变成蒸汽，孔壁金属镀层较薄或有空隙，水汽就会通过孔壁排除，如果孔内有焊料，当焊料凝固时水汽就会在焊料内产生空隙（针眼），并溅射出部分焊料，在油墨表面形成锡珠。

) S$ ^8 Q* r# y: i% r' Q  u综合所述，锡珠的残留主要有以上3种产生方式，但是锡珠残留的现象来看，锡珠残留的根本原因为波峰焊后焊料突破了油墨表面助焊剂，而锡珠与油墨面直接粘附结合，所以锡珠的产生主要影响因素为：（一）油墨拒焊能力（油墨粗糙度、拒焊性能）；（二）助焊剂特性。
4 l' o/ X/ X4 Q% \% B6 D9 u, w
3

实验设计

& N2 E& W6 E6 p' ?3 U( o$ s" s7 E>>>>
8 N9 [" E2 P, U% D3 H3.1 实验材料
5 r& Z/ b" V: w+ }! u9 F2 i
6 x7 x) q) c( g7 Y% H( y材料：A厂商、B厂商绿色阻焊油墨；免清洗无铅助焊剂（TF-800H），清洗型无铅助焊剂（2#助焊剂）；3排96芯PTH孔的PCB裸板；96芯插件。

>>>>
  }# v2 {4 c% }3.2 实验参数

4 n0 W$ Z! N* \4 T' [$ o5 t波峰焊正常参数：炉温275℃，链条速度1300 cm/min，较稳定的波峰焊炉温曲线（如图8）。

" _1 N8 ]( V) o. @4 t/ t. y1 d>>>>
; t' s" I+ B/ i) `+ Y% I3 W/ Y) [3.3 表征方法

2 D8 M* U0 a2 I. U) f5 g: U
使用体式显微镜观察波峰焊锡珠残留的数量。

+ @3 Z7 P1 ^" y4 c8 T, e! F7 t4
# q- \7 ?+ u7 ^$ Q5 n2 `
实验结果与影响

1 m( J* u& `8 |6 t" k& V>>>>
3 k& {7 D  u5 g, O4.1 油墨的影响探究
6 p1 ]/ u  i4 P: m$ f* q
以两家丝印与静电喷涂油墨厂商的绿色阻焊油墨作为研究对象，分别命名为油墨A（静电喷涂油墨）、油墨B（丝印油墨）。
5 C2 V8 ~9 B. a+ P. ?
不使用助焊剂，不插入器件，将涂覆两种油墨样品的PCB直接进行波峰焊，然后观察不同油墨表面拒焊情况。结果如图9。
, x& b  J2 f0 G8 L3 i) @# C
$ M/ |3 e' _% A0 M) x# H( k' P

! |, @0 G' ]$ l) E' t用油墨A的PCB裸板，波峰焊表面锡渣残留较多，而使用油墨B的PCB裸板，波峰焊表面锡渣残留较少。说明同为绿色阻焊油墨的油墨A与油墨B拒焊能力存在差异，油墨A拒焊能力较差，油墨B拒焊能力较好。
$ b5 g6 C8 I: R( t. |1 }
>>>>
& |4 L) j$ g* c' n+ c& z1 d) k4.2 助焊剂的影响探究

* q6 [$ c9 Z1 e& c8 p: S' v8 J  T目前波峰焊助焊剂主要分免清洗助焊剂、清洗型助焊剂两种，其中清洗型助焊剂的松香含量比例较高，焊接后通常需要洗板，除去残留的助焊剂。免清洗助焊剂为目前较流行的新型助焊剂，波峰焊后无需清洗。本次实验，免清洗助焊剂为某厂商的无铅助焊剂TF-800H，清洗型助焊剂为IPC标准中的2#无铅助焊剂，成分信息如表1。
( ~/ i% m/ x! z% X6 V9 D2 B( ?

) B  X8 u  G6 c9 _+ r+ v9 H对使用油墨A、油墨B的PCB样品，在PTH孔插入96芯插件，分别涂覆免清洗助焊剂（TF-800H），清洗助焊剂（IPC-2#助焊剂），进行波峰焊，观察波峰焊后的锡珠残留情况，油墨A的测试结果如图10，油墨B的测试结果如图11。

6 f' R/ M: t2 ?; F& i如图10，拒焊能力相对较差油墨A使用免清洗型助焊剂，波峰焊后存在较多的锡珠残留，数量达到了60颗。油墨A使用常规清洗型助焊剂（2#助焊剂），波峰焊后锡珠残留较小，仅为8颗。

• 关闭
• 上传图片
• 普通上传
• 相册图片
• 网络图片
  

* @& w9 e7 H8 \' i: }

! Y& k$ n  e5 @: i- @

2 g+ ]8 u  W/ }0 [$ s3 i
0 T9 E' ?+ b* J5 Q  b! U) s: ]7 n
5 k8 V) d% p% K% q# ?

如图11，拒焊能力较好的油墨B使用免清洗型助焊剂，波峰焊后无锡珠残留。使用清洗型助焊剂（2#助焊剂），波峰焊后也无锡珠残留。

$ Y4 {3 m: c( G5 G& o5 n$ Z小结：通过对不同拒焊性能油墨A、油墨B，分别使用免清洗型助焊剂及清洗型助焊剂进行波峰焊实验，使用免清洗型助焊剂，拒焊性能较差的油墨A，波峰焊后出现大量锡珠（60颗），拒焊性能较好的油墨B锡珠残留。而使用松香含量更高的2#助焊剂，油墨A仅有8颗锡珠残留，油墨B无锡珠残留，说明不同种油墨对锡珠的残留影响最大，助焊剂主要起改善油墨表面张力的作用，免清洗型助焊剂与清洗型助焊剂主要差异点在于，免清洗型助焊剂松香比重低，脱离焊料时松香已大量挥发对油墨表面张力的改善效果较小，导致锡珠的残留较多。松香含量高的清洗助焊剂脱离焊料时仍有松香残留表面，仍可有效改善油墨表面张力，防止锡珠的粘附。
% F  ?% z! G) m* `0 z4 l
& u+ ~6 `6 [2 a1 |& t! g5

总结

5 T7 H. s& {& K4 l* J" }锡珠的残留严重影响产品整机的可靠性，通过对锡珠锡珠的残留形态、波峰焊过程设备及残留机理分析、及实验结果，得到如下结论：

6 F% _3 ]. w8 j. A（1）锡珠的残留状态：锡珠与油墨表面直接发生接触，冷却后被助焊剂包裹；

. y" ^# ]$ B# {6 J$ W- Y1 N: O（2）锡珠产生的可能方式有：①PTH孔内焊料受水气等影响溅至油墨表面；②焊料回弹模型至油墨表面，小锡珠受重力较小被油墨粘附；③孔口焊料沿油墨表面流动，而被油墨粘附。

（3）通过阻焊油墨及助焊剂的实验表明，油墨的性质对锡珠的影响最大，拒焊性能强的油墨产生锡珠的几率更小；清洗型助焊剂松香比重高，相较免清洗助焊剂，在脱离焊料时助焊剂仍然能够改变油墨的表面张力，防止油墨与焊料的粘附，降低锡珠的产生几率。
; W1 ?2 Z) B( i: q

senlenced3

锡珠的存在不仅影响了电子产品的外观，也对PCBA整机的可靠性埋下质量隐患