焊锡膏的主要成份及特性

大致讲来,焊锡膏的成份可分成两个大的部分,即助焊剂和焊料粉(FLUX&SOLDER POWDER)。
(一)、助焊剂的主要成份及其作用:
A、活化剂(ACTIVATION):该成份主要起到去除PCB铜膜焊盘表层及零件焊接部位的氧化物质的作用,同时具有降低锡、铅表面张力的功效;
B、触变剂(THIXOTROPIC) :该成份主要是调节焊锡膏的粘度以及印刷性能,起到在印刷中防止出现拖尾、粘连等现象的作用;
C、树脂(RESINS):该成份主要起到加大锡膏粘附性,而且有保护和防止焊后PCB再度氧化的作用;该项成分对零件固定起到很重要的作用;
D、溶剂(SOLVENT):该成份是焊剂组份的溶剂,在锡膏的搅拌过程中起调节均匀的作用,对焊锡膏的寿命有一定的影响;

(二)、焊料粉:
    焊料粉又称锡粉主要由锡铅合金组成,一般比例为63/37;另有特殊要求时,也有在锡铅合金中添加一定量的银、铋等金属的锡粉。概括来讲锡粉的相关特性及其品质要求有如下几点:

A、锡粉的颗粒形态对锡膏的工作性能有很大的影响:
A-1、重要的一点是要求锡粉颗粒大小分布均匀,这里要谈到锡粉颗粒度分布比例的问题;在国内的焊料粉或焊锡膏生产厂商,大家经常用分布比例来衡量锡粉的均匀度:以25~45μm的锡粉为例,通常要求35μm左右的颗粒分度比例为60%左右,35μm 以下及以上部份各占20%左右;
A-2、另外也要求锡粉颗粒形状较为规则;根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》(SJ/T 11186-1998)”中相关规定如下:“合金粉末形状应是球形的,但允许长轴与短轴的最大比为1.5的近球形状粉末。如用户与制造厂达成协议,也可为其他形状的合金粉末。”在实际的工作中,通常要求为锡粉颗粒长、短轴的比例一般在1.2以下。
A-3、如果以上A-1及A-2的要求项不能达到上述基本的要求,在焊锡膏的使用过程中,将很有可能会影响锡膏印刷、点注以及焊接的效果。

B、各种锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同,选择锡膏时,应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面,去选择不同的锡膏;
B-1、根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》(SJ/T 11186-1998)”中相关规定,“焊膏中合金粉末百分(质量)含量应为65%-96%,合金粉末百分(质量)含量的实测值与订货单预定值偏差不大于±1%”;通常在实际的使用中,所选用锡膏其锡粉含量大约在90%左右,即锡粉与助焊剂的比例大致为90:10;
B-2、普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在89-91.5%的锡膏;
B-3、当使用针头点注式工艺时,多选用锡粉含量在84-87%的锡膏;
B-4、回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件(阻容器件)端头高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬升,而焊锡膏中金属合金的含量,对回流焊焊后焊料厚度(即焊点的饱满程度)有一定的影响;为了证实这种问题的存在,有关专家曾做过相关的实验,现摘抄其最终实验结果如下表供参考:

     从上表看出,随着金属含量减少,回流焊后焊料的厚度减少,为了满足对焊点的焊锡量的要求,通常选用85%~92%含量的焊膏。
C、锡粉的“低氧化度”也是非常重要的一个品质要求,这也是锡粉在生产或保管过程中应该注意的一个问题;如果不注意这个问题,用氧化度较高的锡粉做出的焊锡膏,将在焊接过程中严重影响焊接的品质。

锡膏的分类方式及选择标准
一般情况下,首先选择焊锡膏大类,再根据合金组成、颗粒度、粘度等指标来选择。

(一)、分类方式:
A、普通松香清洗型[分RA(ROSIN ACTIVATED )及RMA(ROSIN MILDLYACTIVATED)]:此种类型锡膏在焊接过程中表现出较好“上锡速度”并能保证良好的“焊接效果”;在焊接工作完成后,PCB表面松香残留相对较多,可用适当清洗剂清洗,清洗后板面光洁无残留,保证了清洗后的板面具有良好的绝缘阻抗,并能通过各种电气性能的技术检测;
B、免清洗型焊锡膏[NC(NO CLEAN)]:此种锡膏焊接完成后,PCB板面较为光洁、残留少,可通过各种电气性能技术检测,不需要再次清洗,在保证焊接品质的同时缩短了生产流程,加快了生产进度;
C、水溶性锡膏[WMA(WATER SOLUBLE PASTES)]:早期生产的锡膏因技术上的原因,PCB板面残留普遍过多,电气性能不够理想,严重影响了产品品质;当时多用CFC清洗剂来清洗,因CFC对环保不利,许多国家已禁用;为了适应市场的需求,应运产生了水溶性焊锡膏,此种锡膏焊接工作完成后它的残留物可用水清洗干净,既降低了客户的生产成本,又符合环保的要求。

(二)、选择标准:
1、合金组份:一般情况下,选择Sn63/Pb37焊料合金组份即可满足焊接要求;对于有银(Ag)或钯(Pd)镀层器件的焊接,一般选择合金组份为Sn62/Pb36/Ag2的焊锡膏;对于有不耐热冲击器件的pcb焊接选择含Bi的焊粉。

2、锡膏的粘度(VISCOSITY):
在SMT的工作流程中,因为从印刷(或点注)完锡膏并贴上元件,到送入回流焊加热制程,中间有一个移动、放置或搬运PCB的过程;在这个过程中为了保证已印刷好(或点好)的焊膏不变形、已贴在PCB焊膏上的元件不移位,所以要求锡膏在PCB进入回流焊加热之前,应有良好的粘性及保持时间。
A、对于锡膏的粘性程度指标(即粘度)常用“Pa·S”为单位来表示;其中200-600Pa·S的锡膏比较适合用于针式点注制式或自动化程度较高的生产工艺设备;印刷工艺要求锡膏的粘度相对较高,所以用于印刷工艺的锡膏其粘度一般在600-1200 Pa·S左右,适用于手工或机械印刷;
B、高粘度的锡膏具有焊点成桩型效果好等特点,较适于细间距印刷;而低粘度的锡膏在印刷时具有较快下落、工具免洗刷、省时等特点;
C、锡膏粘度的另一特点是:其粘度会随着对锡膏的搅拌而改变,在搅拌时其粘度会有所降低;当停止搅拌时略微静置后,其粘度会回复原状;这一点对于如何选择不同粘度的锡膏有着极为重要的作用。
另外,锡膏的粘度和温度有很大的关系,在通常状况下,其粘度将会随着温度的升高而逐渐降低。

3、目数(MESH):
在国内焊锡膏生产厂商多用锡粉的“颗粒度”来对不同锡膏进行分类,而很多国外厂商或进口焊锡膏多用“目数(MESH)”的概念来进行不同锡膏的分类。目数(MESH)基本概念是指筛网每一平方英寸面积上的网孔数;在实际锡粉生产过程中,大多用几层不同网眼的筛网来收集锡粉,因每层筛网的网眼大小不同,所以透过每层网眼的锡粉其颗粒度也不尽相同,最后收集到的锡粉颗粒,其颗粒度也是一个区域值;
A、从以上概念来看,锡膏目数指标越大,该锡膏中锡粉的颗粒直径就越小;而当目数越小时,就表示锡膏中锡粉的颗粒越大;参考下表对照:

B、如果锡膏的使用厂商按锡膏的目数指标选择锡膏时,应根据PCB上距离最小的焊点之间的间距来确定:如果有较大间距时,可选择目数较小的锡膏,反之即当各焊点间的间距较小时,就应当选择目数较大的锡膏;一般选择颗粒度直径约为模板开口的1/5以内。

使用锡膏应注意的问题

(一)、焊锡膏的保存要求:
焊膏的保存应该以密封形态存放在恒温、恒湿的冷柜内,保存温度为0℃~10℃,如温度过高,焊膏中的合金粉未和焊剂起化学反应后,使粘度、活性降低影响其性能;如温度过低,焊剂中的树脂会产生结晶现象,使焊膏形态变坏。在保管过程中,更重要的一点是应注意保持“恒温”这样一个问题,如果在较短的时间内,使锡膏不断地从各种环境下反复出现不同的温度变化,同样会使焊锡膏中焊剂性能产生变化,从而影响焊锡膏的焊接品质。

(二)、使用前的要求:
焊膏从冷柜(或冰箱)中取出时,应在其密封状态下,待其回到室温后再开封,约为2-3小时;如果刚从冷柜中取出就开封,存在的温差会使焊膏结露、凝成水份,这样会导致在回流焊时产生焊锡珠;但也不可用加热的方法使焊锡膏回到室温,急速的升温会使焊膏中焊剂的性能变坏,从而影响焊接效果。这也是锡膏使用厂商在使用过程中应该注意的一个问题。

(三)、使用时的注意事项:
1、刮刀压力:保证印出焊点边缘清晰、表面平整、厚度适宜;
2、刮刀速度:保证焊膏相对于刮刀子为滚动而非滑动,一般情况下,10-20mm/s为宜;
3、印刷方式:以接触式印刷为宜;
另外,在使用时要对焊膏充分搅拌,再按印刷设定量加到印刷网板上,采用点注工艺的,还须调整好点注量。
在长时间的印刷情况下,因焊膏中溶剂的挥发,会影响到印刷时锡膏的脱模性能,因此对存放焊锡膏的容器不可重复使用(只可一次性使用),印刷后网板上所剩的焊锡膏,应用其它清洁容器装存保管,下次再用时,应先检查所剩锡膏中有无结块或凝固状况,如果过分干燥,应添加供应商提供的锡膏稀释剂调稀后再用。
操作人员作业时,要注意避免焊膏与皮肤直接接触。另外,印刷完成的基板,应当天完成焊接。

(四)、工作环境要求:
焊锡膏工作场所最佳状况为:温度20~25℃,相对湿度50~70%,洁净、无尘、防静电。

回流曲线的调节

回流焊的目的:使表贴电子元器件(SMD)与PCB正确而可靠地焊接在一起;
工艺原理:当焊料、元件与PCB的温度达到焊料熔点温度以上时,焊料熔化,填充元件与PCB间的间隙,然后随着冷却、焊料凝固,形成焊接接头;
工艺流程:
1、第一升温区(预热区)
升温的目的:是将焊锡膏、PCB及元器件的温度从室温提升到预定的预热温度;预热温度是一低于焊料熔点的温度。
升温段的一个重要参数是“升温速率”,一般情况下其值应在1-2.0度/S;由于PCB及元器件吸热速率不同,各元器件升温速率也会有所不同,从而导致PCB板面上的温度分布出现梯度。因为此段所有点的温度均在焊料熔点以下,所以“温度梯度”的存在并无大碍。第一升温区结束时,温度约为100度-110度;时间约为30-90秒,以60秒左右为宜。

2、保温区(又称干燥渗透区)
“保温”的目的是让焊锡膏中的助焊剂有充足的时间来清理焊点、去除焊点的氧化膜,同时使PCB及元器件有充足的时间达到温度均衡,消除“温度梯度”;此阶段时间应设定在60-120秒;保温段结束时,温度为140-150度。

3、第二升温区
温度从150度左右上升到183度,这一温区是活化剂的活化期,PCB板温度均匀一致的区域,一般时间接30-45秒,时间不宜长,否则影响焊接效果。

4、焊接区
在焊接区焊料熔化并达到PCB与元件脚良好钎合的目的。在焊接区温度开始迅速上升,元器件仍会以不同速率吸热,再一次产生温差,所以要控制好温度,消除这一温差。一般来讲,此段最高温度应高于焊料熔点(183度)30-40度以上,时间在30-60秒左右,但在225度以上的时间应控制在10秒以内,215度以上的时间应控制在20秒以内;如果此段温度过高则会损坏元器件,温度过低则会造成部分焊点润湿及焊接不良。为避免及克服上述缺陷,目前选用强制热风回流焊效果较好。

5、冷却区
目的:使焊料凝固,形成焊接接头,并最大可能地消除焊点的内应力;降温速率应小于4度/秒,降温至75度时即可。
总之,回流温度曲线建立的原则是焊接区以前温度上升速率要尽可能地小,进入焊接区后半段后,升温速率要迅速提高,焊接区最高温度的时间控制要短,使PCB、SMD少受热冲击,生产前必须花较长的时间调整好温度曲线,同时应依据产品特性及批量来选择用几个温区的回流焊设备。

在焊锡膏的使用过程中,从锡膏的印刷、SMD的贴装到回流焊,我们经常会遇到各种各样的问题,这些问题经常困扰着焊锡膏的使用者,如何去分析并解决这些问题,也成了我们锡膏生产厂商的一个课题;所以锡膏生产厂商不断地加强行销人员的专业素质及业务水平是很有必要的,在产品交付用户后,协助用户来妥善地、及时地处理这些问题,也能够体现出供应商的服务力度。在这里,我仅简单地介绍几种常见的问题及原因分析,也是以往的工作中在服务客户时经常遇到的问题,仅供阅读者及用户参考:

(一)、双面贴片焊接时,元器件的脱落
双面焊接在SMT表面贴装工艺中越来越常见,一般情况下,使用者会先对第一面进行印刷、贴装元件和焊接,然后再对另一面进行加工处理,在这种工艺中,元件脱落的问题,不是很常见;而有些客户为了节省工序、节约成本,省去了对第一面的先焊接,而是同时进行两面的焊接,结果在焊接时元件脱落就成为一个新的问题。这种现象是由于锡膏熔化后焊料对元件的垂直固定力不足,主要原因有:
1、元件太重;
2、元件的焊脚可焊性差;
3、焊锡膏的润湿性及可焊性差;
其中第一个原因的解决我们总是放在最后,而是先着手改进第二和第三个原因,如果改进了第二和第三个原因,此种现象仍然存在的话,我们会建议客户在焊接这些脱落的元件时,应先采用红胶固定,然后再进行回流和波峰焊接,问题基本可以解决。

(二)、焊接后PCB板面有锡珠产生:
这是在SMT焊接工艺中比较常见的一个问题,特别是在使用者使用一个新的供应商产品初期,或是生产工艺不稳定时,更易产生这样的问题,经过使用客户的配合,并通我们大量的实验,最终我们分析产生锡珠的原因可能有以下几个方面:
1、PCB板在经过回流焊时预热不充分;
2、回流焊温度曲线设定不合理,进入焊接区前的板面温度与焊接区温度有较大差距;
3、焊锡膏在从冷库中取出时未能完全回复室温;
4、锡膏开启后过长时间暴露在空气中;
5、在贴片时有锡粉飞溅在PCB板面上;
6、印刷或搬运过程中,有油渍或水份粘到PCB板上;
7、焊锡膏中助焊剂本身调配不合理有不易挥发溶剂或液体添加剂或活化剂;
以上第一及第二项原因,也能够说明为什么新更换的锡膏易产生此类的问题,其主要原因还是目前所定的温度曲线与所用的焊锡膏不匹配,这就要求客户在更换供应商时,一定要向锡膏供应商索取其锡膏所能够适应的温度曲线图;
第三、第四及第六个原因有可能为使用者操作不当造成;第五个原因有可能是因为锡膏存放不当或超过保质期造成锡膏失效而引起的锡膏无粘性或粘性过低,在贴片时造成了锡粉的飞溅;第七个原因为锡膏供应商本身的生产技术而造成的。

(三)、焊后板面有较多残留物:
焊后PCB板面有较多的残留物也是客户经常反映的一个问题,板面较多残留物的存在,既影响了板面的光洁程度,对PCB本身的电气性也有一定的影响;造成较多残留物的主要原因有以下几个方面:
1、在推广焊锡膏时,不了解客户的板材状况及客户的要求,或其它原因造成的选型错误;例如:客户要求是要用免清洗无残留焊锡膏,而锡膏生产厂商提供了松香树脂型焊锡膏,以致客户反映焊后残留较多。在这方面焊膏生产厂商在推广产品时应该注意到。
2、焊锡膏中松香树脂含量过多或其品质不好;这应该是焊锡膏生产厂商的技术问题。

(四)、印刷时出现拖尾、粘连、图象模糊等问题:
这个原因是印刷过程中经常会碰到的,经过总结,我们发现其主要原因有以下几个方面:
1、焊锡膏本身的粘性偏低,不适合印刷工艺;这个问题有可能是焊锡膏的选型不对,也有可能是焊锡膏已过使用期限等,可以协调供应商解决。
2、印刷时机器设定不好或操作工操作方法不当造成的。如刮刀的速度和压力等设置不当很有可能会影响印刷效果,另外,操作工人的熟练程度(包括印刷时的速度、压力、反复印刷等)对印刷效果也有很大的影响。
3、网板与基板的间隙太大;
4、锡膏溢流性差;
5、锡膏使用前未充分搅拌,造成锡膏混合不均匀;
6、在用丝网印刷时,丝网上乳胶掩膜涂布不均匀;
7、焊锡膏中的金属成份偏低,即焊剂成份比例偏高所致;

(五)、焊点上锡不饱满:
焊点上锡不饱满的原因主要有以下几个方面:
1、焊锡膏中助焊剂的活性不够,未能完全去除PCB焊盘或SMD焊接位的氧化物质;
2、焊锡膏中助焊剂的润湿性能不好;
3、PCB焊盘或SMD焊接位有较严重氧化现象;
4、在过回流焊时预热时间过长或预热温度过高,造成了焊锡膏中助焊剂活性失效;
5、如果是有部分焊点上锡不饱满,有可能是焊锡膏在使用前未能充分搅拌助焊剂和锡粉未能充分融合;
6、回流焊焊接区温度过低;
7、焊点部位焊膏量不够;

(六)、焊点不光亮:
在SMT焊接工艺中,一般客户对焊点都有光亮程度的要求,虽然说这也是平时工作中所存在的一个问题,但它很多时候只是客户主观上的一种意识,或者说只有通过比较才能得出焊点亮或不亮的结论,因为焊点的光亮程度是没有标准可依的;大致来讲,造成焊点不光亮的原因有以下几个:
1、如果把不含银的焊锡膏焊后的产品和含银焊锡膏焊后的产品相比较肯定会有些差距,这就要求客户在选择焊锡膏时应向供应商说明其焊点的要求;
2、焊锡膏中锡粉有氧化现象;
3、焊锡膏中助焊剂本身有造成消光效果的添加剂;
4、焊后有松香或树脂的残留存在焊点的表面,这是我们在实际工作中经常会见到的现象,特别是选用松香型焊锡膏时,虽然说松香型焊剂和免清洗焊剂相比会使焊点稍微光亮,但其残留物的存在往往会影响这种效果,特别是在较大焊点或IC脚部位更为明显;如果焊后能清洗,相信焊点光泽度应有所改善;
5、回流焊时预热温度较低,有不易挥发物残留存在焊点表面;

(七)、元件移位:
“元件的移位”是焊接过程中出现其它问题的伏笔,如果在进入回流焊前未能检出有此问题,将导致更多的问题出现,元件移位的主要原因有以下几个方面:
1、锡膏的粘性不够,经过搬运振荡等造成了无件移位;
2、锡膏超过使用期限,其中助焊剂已变质;
3、贴片时吸嘴的气压未调整好压力不够,或是贴片机机械问题,造成元件安放位置不对;
4、在印刷、贴片后的搬运过程中,发生振动或不正确的搬运方式;
5、焊膏中焊剂含量太高,在回流焊过程中焊剂的流动导致元器件移位;

(八)、焊后元件竖碑:
和其它的焊接方式相比,“焊后元件竖碑”是SMT焊接工艺中特有的一个现象,而且这个问题也会经常遇到,经过分析我们认为出现此问题的主要原因有以下几个方面:
1、回流焊温度区线设定不合理,在进入焊接区前的干燥渗透工作未做好,使PCB上仍然存在“温度梯度”,在焊接区造成各焊点上锡膏熔化时间不一致,从而导致元件两端所承受的应力大小不同,这样就造成了“竖碑”的现象;
2、在回流焊时预热温度过低;
3、焊锡膏使用前未充分搅拌,锡膏中助焊剂分布不均匀;
4、在进入回流焊焊接区前有元件产生了错位;
5、SMD元件的可焊性较差时也有可能会导致此现象的出现。

总结:

随着科技的发展SMT工艺越来越普及,但是随之而来的是各种问题的出现,如果不能很好地预防和解决这些问题,将会影响到SMT以后的发展;这也就要求在与SMT工艺配合的每一个环节,尽可能多地了解SMT的特点及各种问题的解决对策,与SMT工艺相关的人士,包括焊锡膏的制造商、SMD的制造商、SMT工艺使用者、SMT设备供应商等都应尽可能掌握更多的专业知识,只有通过各行业持续有序地配合,SMT工艺才有可能长期提高与发展。

 

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