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2019-09-17

113彩票剂合明科技分享:波峰焊后PCBA板面113彩票残留机理小结

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:90

113彩票剂合明科技分享:波峰焊后PCBA板面113彩票残留机理小结


摘要

113彩票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113彩票可能会脱落,产品受热后113彩票可能再次出现受热重熔,造成元器件或电路连接短路,113彩票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113彩票残留改善提供理论依据。

关键词:波峰焊;113彩票;助焊剂;阻焊油墨。



前言

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113彩票,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113彩票,如图1所示。

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PC-A-610C检验标准中对113彩票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,113彩票直径不能超过0.13mm,或者在600mm范围内不能出现超过5个113彩票。如图1,波峰焊生产后113彩票的直径存在一定的差异性,较小113彩票的直径在50μm左右,而较大的113彩票直径可达到185μm(超过标准要求0.13mm),如果不在波峰焊后对113彩票进行人工清理,113彩票的数量难以直接符合IPC-A-610C的接收标准要求。波峰焊113彩票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113彩票,有可能会影响设备的正常运行,而引起严重后果。

因此,需要对波峰焊113彩票的形成机理进行分析研究,对113彩票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113彩票,提高可靠性的有效方法。


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113彩票的粘附分析

113彩票的残留是由于阻焊油墨与113彩票间发生结合,所以113彩票残留机理分析的第一步应当对113彩票的结合界面观察分析。使用扫描电镜观察113彩票微观形貌,使用X射线能谱仪对113彩票表面进行EDS元素分析,结果如图2所示。

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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。

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。


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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。


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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。

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锡珠残留机理分析

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2.1 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。

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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)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;

(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。

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2.2 锡珠残留模型

锡珠的形成机制主要有如下三种:

1)焊料回弹模型:


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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。


2)焊料流动模型


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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。


3)溅锡模型

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。

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。

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实验设计

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3.1 实验材料

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。

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3.2 实验参数

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)。

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3.3 表征方法

使用体式显微镜观察波峰焊锡珠残留的数量。

4实验结果与影响

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4.1 油墨的影响探究

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)。

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。


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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。

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4.2 助焊剂的影响探究

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。


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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。

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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。

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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。

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。


5总结

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:

(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;

(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。


来源:分析测试实验中心




以上一文,仅供参考!


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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,在水基清洗、环保清洗方面有着丰富的经验,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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