为什么SMT二次回流焊时一面零件不会掉落?

为什么二次回焊(2nd reflow)时一面已经打件的电子零件不会因为再过一次回焊的相同高温而重新融锡掉落?一般SAC305锡膏于第二次回流焊时熔锡温度又会升高多少?

为什么电路板SMT打在一面件的零件,于板子打第二面过第二次过回焊炉时,打在一面板子上的电子零件不会掉落下来?一般电路板经过第二次回流焊锡炉(reflow oven)时的温度也几乎都是一样的温度,而且大部分的回焊炉温设定也是上、下炉一样,那为什么第二面板子上的锡膏会熔锡,而一面上已经融化过一次的锡膏不会再熔锡呢?难道锡膏在二次回流焊时熔锡的温度升高了?

相信很多摸过SMT(Surface Mount Technology)的朋友都有这样的疑问?或是曾经被人家询问过类似的问题?也许你隐约知道答案,不过你真的了解为什么打在第二面的零件不会在二次回焊炉中掉下来呢?或许有前辈告诉过你,已经融化过一次的锡膏要再第二次回焊时再度融化,其温度会比新鲜的锡膏高出大概10°C左右,但为什么已经融化过一次的锡膏要再次融化的温度就会比较高呢?

SAC305的熔点在经过一次reflow后,可能会因为部份的焊锡元素(主要是锡和铜,而「银」则形成Ag3Sn后,不会再参与其他反应)与焊垫或零件脚的材质形成IMC。另外,部份焊垫或零件脚的元素亦会熔入至焊点中,因此,使得单一焊点的焊锡成份组成发生变化,不再是原来SAC305的比率。

至于熔点变化的范围,比较难估计,因为每种零件的状况不同,即使在同一片PCB上,不同的焊点可能也会有所差异。另外,同一焊点也可能因为元素扩散状况不同,在不同位置(例如QFN零件脚下方和零件脚外侧的成份分布会有差异)元素分布不同而有差异。但是,可以比较确认的是SAC305是近共晶材料,因此,少量的合金成份变化,熔点还是会由217°C附近开始熔解(共晶点),完全熔解的温度则会提高,推测整体焊点的平均完全熔解温度可能会上升至225~230°C附近。

另外,一般二次回焊时,一次回焊的焊点表面会存在氧化物,且焊点缺少助焊剂作用(助焊剂用于清除氧化膜的能力不足),即使温度上升至回焊温度,一次回焊焊点的表面氧化物张力作用亦会支撑住焊点形状,使得在焊点外观上不会因为温度达到焊锡熔点而出现熔融坍塌现象。

哪些SMD零件应该摆在一面过回流焊炉?

一般来说比较细小的零件建议摆放在一面过回流焊炉,因为一面过回流焊炉时PCB的变形量会比较小,踢膏印刷的精度会比较高,所以较适合摆放较细小的零件。

其次,较细小的零件不会在第二次过回流焊炉时有掉落的风险。因为一面的零件在打第二面时会被放至于电路板的底面直接朝下,当板子进入回流焊高温区时比较不会因为重量过重而从板子上掉落下来。

其三,一面板子上的零件必须过两次回流焊炉,所以其耐温必须要可以耐受两次回流焊的温度,一般的电阻电容通常被要求至少可以过三次回流焊高温,这是为了符合有些板子可能因为维修的关系,需要重新走一次回流焊炉而做的要求。

哪些SMD零件应该摆在第二面过回流焊炉?这个应该是重点。

▪ 大元件或较重的元件应摆放在第二面过炉以避免过炉时零件会有掉落回流焊炉中的风险。

▪ LGA、BGA零件应尽量摆放在第二面过炉,这样可以避免第二次过炉时不必要的重新熔锡风险,以降低空/假焊得机会。如果有细间脚且较小的BGA零件不排除建议摆放于一面过回流焊炉。 

BGA摆放在一面或第二面过炉其实一直很有争议,摆放第二面虽然可以避免重新融锡的风险,但通常第二面过回流焊炉时PCB会变形得比较严重,反而会影响吃锡品质,所以工作熊才会说不排除细间脚的BGA可以考虑放在一面。不过反过来想,如果PCB变形严重,只要在精细的零件,摆放在第二面打件贴片一定是个大问题,因为锡膏印刷位置及锡膏量会变得不精淮,所以重点应该是想办法如何去避免PCB变形,而不是因为变形而考虑把BGA放在一面,不是吗?

▪ 零件不能耐太多次高温的零件应该摆放第二面过回流焊炉。这是为了避免零件过太多次高温而损毁。

▪ PIH/PIP的零件也要摆在第二面过炉,除非其焊脚长度不会超出板厚,否则其伸出PCB表面的脚将会与第二面的钢板产生干涉,会让第二面锡膏印刷的钢板无法平贴于PCB造成锡膏印刷异常问题发生。

▪ 某些元件内部会有使用焊锡作业的情形,比如说有LED灯的网线连接器,必须注意这种零件的耐温能否过两次回流焊炉,如果不行就得放置于第二面打件。

只是零件摆放于第二面打件贴片过回流焊炉,就表示电路板已经过了一次回流焊炉高温的洗礼,这时候的电路板多少已经有些翘曲及变形发生,也就是说锡膏的印刷量及印刷的位置会变得比较难以控制,所以也就容易引起空焊或短路等问题,因此放在第二面过炉的零件,建议尽量不要摆放0201以及细间脚(fine pitch)零件,BGA也应该尽量选择有较大直径的锡球。

 

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