PCB工程師講解幾種SMT焊接缺陷及解決方法

本文主要分析表面貼裝技術（SMT）生產的印制電路模塊中存在的錫球、冒口、橋接等焊接缺陷，并通過經驗總結出有效的解決方法，以供參考。

關鍵詞：SMT焊接缺陷

1、簡介

表面貼裝技術在減小電子產品體積和重量、提高可靠性方面的突出優勢，滿足了未來戰略武器洲際射程、機動發射、安全可靠性和先進技術等制造技術的要求。 然而，制定和選擇適合特定產品的表面組裝工藝并非易事，因為SMT技術是一項涉及多項技術的復雜系統工程，任何因素的任何變化都會影響電子產品的焊接質量。

元器件焊點的焊接質量是直接影響印刷電路組裝（PWA）乃至整機質量的關鍵因素。 它受許多參數的影響，如焊膏、基板、元件的可焊性、絲印、安裝精度和焊接工藝。 在SMT工藝研究和生產過程中，我們知道合理的表面組裝工藝對控制和提高SMT生產質量起著至關重要的作用。 本文分析了遇到的幾種典型焊接缺陷的機理，并提出了相應的解決工藝方法。

2、幾種典型的焊接缺陷及解決方法

2.1 波峰焊和回流焊中的錫球

錫球的存在說明工藝不完全正確，電子產品存在短路風險，需要排除。 國際上公認的錫球存在標準是600個范圍內的印制電路元件中最多只能出現5個錫球。 產生錫球的原因有很多，需要找到問題的根源。

2.1.1 波峰焊中的錫球

錫球經常出現在波峰焊中，主要有兩個原因。 首先，在焊接印刷電路板時，印刷電路板上通孔附近的水分被加熱變成蒸汽。 如果孔壁上的金屬涂層很薄或有縫隙，水蒸氣將通過孔壁排除。 如果孔中有焊料，當焊料凝固時，水蒸氣會在焊料中產生間隙（針孔），或擠出焊料在印刷電路板的正面產生焊球。 其次，印制電路板反面（即接觸波峰的一面）產生的錫球是波峰焊時某些工藝參數設置不當造成的。 如果增加助焊劑涂布量或預熱溫度設置過低，可能會影響助焊劑中成分的蒸發。 當PCB進入波峰時，多余的助焊劑會在高溫下汽化，將焊料從錫槽中飛濺出來，在PCB表面產生不規則的錫球。

針對以上兩個原因，我們采取了以下相應的解決方案： 第一，通孔中金屬鍍層的厚度要合適。 孔壁鍍銅最小應為25um，不能有縫隙。 二、使用噴涂或發泡型涂布助焊劑。 在發泡方式下，調整助焊劑的含氣量時，要盡量保持最小的氣泡，相對減少泡沫與PCB的接觸面。 三、波峰焊機的預熱區溫度設置應使電路板頂面溫度至少達到100℃。適當的預熱溫度不僅可以消除錫球，還可以避免PCB因熱沖擊而變形 .

2.1.2 回流焊中的錫球

2.1.2.1 回流焊錫球形成機理

回流焊產生的錫球往往隱藏在矩形貼片元件兩端之間或細間距引腳之間。 在元件安裝過程中，焊膏被放置在芯片元件的引腳和焊盤之間。 當印刷電路板通過回流焊爐時，焊膏熔化成液體。 如果焊膏沒有很好地與焊盤和器件引腳潤濕，液態焊料會收縮并導致焊縫填充不足，所有焊料顆粒無法匯聚成焊點。 一些液態焊料會從焊縫中流出，形成焊球。 因此，焊料與焊盤和器件管腳的潤濕性差是形成焊球的根本原因。

2.1.2.2 原因分析及控制方法

造成焊錫潤濕性差的原因有很多。 下面主要分析相關流程及解決方法相關的原因：

a) 回流溫度曲線設置不當。 焊膏的回流是溫度和時間的函數。 如果溫度或時間不夠，錫膏將不會回流。 預熱區溫度上升太快，達到平頂溫度的時間太短，使錫膏中的水分和溶劑沒有完全揮發。 當到達回流焊溫度區時，水分和溶劑會沸騰，錫球會飛濺。 實踐證明，控制預熱區溫度上升速度在1～4℃/s比較理想。

b) 如果錫球總是出現在同一位置，則需要檢查鈑金設計結構。 模板開孔尺寸腐蝕精度不符合要求，焊盤尺寸過大，表面材料較軟（如銅模板），導致焊膏輪廓 漏印不清晰，相互銜接。 這種情況經常發生在細間距器件的焊盤漏印時，回流焊后不可避免地會在管腳之間產生大量焊珠。 因此，應根據焊盤圖形的不同形狀和中心距，選擇合適的模板材料和模板制作工藝，以保證錫膏印刷質量。

c) 如果從貼片到回流焊的時間過長，由于錫膏中焊錫顆粒氧化，助焊劑變質，其減少，錫膏不會回流，產生錫球 活動。 選擇工作壽命較長（我們認為至少 4 小時）的焊膏會減少這種影響。

d) 另外，印錯焊膏的印制電路板清洗不充分，焊膏殘留在印制電路板表面和通孔內。 回流焊前，需將待貼元器件重新對齊貼上，使焊膏變形。 這些也是產生錫球的原因。 因此，在生產過程中要強化操作人員和工藝人員的責任意識，嚴格按照工藝要求和操作規程，加強工藝過程的質量控制。

2.2 站立問題（曼哈頓現象）

矩形貼片元件的一端焊接在焊盤上，另一端傾斜。 這種現象稱為曼哈頓現象。 造成這種現象的主要原因是元件兩端受熱不均，錫膏先后熔化。 以下情況可能會導致元件兩端受熱不均勻：

a) 元件排列方向設計缺陷。 我們想象在回流焊爐中有一條橫跨爐膛寬度的回流焊限制線。 錫膏一經通過，即刻熔化，如圖1所示。貼片式矩形元件的一端先通過流焊極限線，錫膏先熔化，完全浸透金屬表面。 元素，并具有液體表面張力； 另一端達不到183℃的液相溫度，錫膏不熔化，只有助焊劑的結合力，遠小于回流焊錫膏的表面張力，使元件端 未熔化的一端是直立的。 因此，元件的兩端同時保持在回流焊極限線內，使兩端焊盤上的錫膏同時熔化，形成均衡的液體表面張力，保持元件的位置 元素不變。

b) 氣相焊接時印刷電路元件預熱不足。 氣相焊接使用惰性液體蒸汽在元件引腳和 PCB 焊盤上凝結，釋放熱量熔化焊膏。 氣相焊分為平衡區和飽和蒸汽區。 飽和蒸汽區的焊接溫度高達217℃。在生產過程中，我們發現如果待焊部件預熱不充分，經受100多度的溫差，氣相焊的汽化力 封裝尺寸小于1206的貼片元器件容易浮片，造成豎片現象。 我們通過將待焊部件在145℃-150℃的高低箱內預熱1-2分鐘，再在氣相焊平衡區預熱1分鐘左右，消除立板現象， 最后慢慢進入飽和蒸氣區進行焊接。

c) 焊盤設計質量的影響。 如果一個貼片元件的一對焊盤尺寸不同或不對稱，那么漏焊錫膏的量也會不一致。 小焊盤對溫度反應快，上面的錫膏容易熔化，大焊盤則相反。 因此，當小焊盤上的焊膏熔化時，元件會在焊膏表面張力的作用下被拉直并豎立起來。 如果焊盤的寬度或間隙太大，也可能是垂直的。 嚴格按照標準規范進行焊盤設計是解決這一缺陷的前提。

2.3 小間距引腳橋接問題

導致細間距元器件引腳橋接不良的主要因素有：a）漏印焊膏成型不良； b) 在印刷電路板上制造有缺陷的細間距引線； c)回流焊溫度曲線設置不當等。因此，應從模板制作、絲印工藝、回流焊工藝等關鍵工序的質量控制入手，盡量避免橋接隱患。

2.3.1模板材料的選擇

SMT制程質量問題70%與印刷工藝有關，而模板是必不可少的關鍵工具，直接影響印刷質量。 我們通常使用的模板材料是銅板和不銹鋼板。 與銅板相比，不銹鋼板摩擦系數更小，彈性更高。 因此，在某些其他條件下，更有利于錫膏脫模和錫膏成型。 根據0.5mm管腳中心距QFP208器件組裝測試統計，銅模板漏銅不合格造成的缺陷數量約占器件總焊點數（208個）的20%； 在某些其他條件下，使用不銹鋼模板漏印造成的平均不良率為3%。 因此，對于引腳中心距小于0.635mm的細間距元件的印刷，要求必須使用不銹鋼板，厚度以0.15mm~0.2mm為宜。

2.3.2絲印工藝控制

回流焊前，如果錫膏塌陷，形成的錫膏邊緣不清晰，在放置元器件或進入回流焊預熱區時，由于錫膏中的助焊劑軟化，會導致引腳橋接。 錫膏塌陷是由于使用了不合適的錫膏材料和不合適的環境條件，比如室溫過高，都會造成錫膏塌陷。 在絲印過程中，我們通過調整以下過程來仔細控制焊膏的流變性能以減少塌陷。

a) 對于絲印細間距引線，通常選擇厚度較薄的模板。 為避免漏印少，要求的錫膏粘度要低，這樣錫膏流動性好，不易漏印。 另外，模板和PCB脫模時錫膏不易帶走，以保證錫膏的涂布量。 但同時，為了保持錫膏印刷圖形的理想形狀，需要較高的錫膏粘度。 我們解決這個矛盾的辦法是使用45-75um粒徑更小的球形顆粒錫膏，比如愛發的RMA390DH3錫膏。 此外，絲網印刷時應保持適宜的環境溫度。 錫膏粘度與環境溫度的關系如下：

logu=A/T+B

其中：u——黏度系數；

A. B - 常量

T——絕對溫度。

由上式可知，溫度越高，粘度越小。 因此，為了獲得更高的粘度，我們將環境溫度控制在20+3℃。

b) 刮板的速度和壓力也會影響錫膏的流變性能。 因為它們決定了焊膏的剪切速率和剪切力。 錫膏粘度與剪切率的關系如圖2所示。當錫膏種類和環境溫度合適，刮板壓力恒定時，減慢印刷速度以保持錫膏的粘度 基本不變，這樣錫膏的供應時間就長了，錫膏的用量就會增加，就可以達到很好的成型效果。 此外，控制較慢的脫模速度和最小的模板與PCB之間的間隙，也會對減少細間距pin bridge起到很好的作用。 根據我們使用的SP200絲印機，我們認為印刷細間距線的理想工藝參數是：印刷速度保持在10mm/s-25mm/s； 脫模速度控制在2s左右； 模板與PCB之間的最小間隙小于或等于0.2mm。

2.3.3 回流過程的過程控制

細間距引線間距小，焊盤面積小，焊膏缺失量少。 焊接時，如果紅外線回流焊的預熱區溫度高，時間長，在達到回流焊的峰值溫度區之前，會消耗更多的活化劑。 但是，只有當峰區有足夠的活化劑釋放氧化的焊錫顆粒時，焊錫顆粒才能迅速熔化，從而潤濕金屬引腳表面，形成良好的焊點。 Clean free 焊膏的激活范圍低于要清潔的焊膏。 因此，如果預熱溫度和時間設置稍有不當，細焊引線之間就會出現橋接現象。 我們通過降低加熱溫度和預熱時間來控制錫膏中活化劑的揮發，保證免清洗錫膏在焊接溫度區的流動性和金屬引線表面的潤濕性，減少細小的橋接缺陷 間距線。 對于細間距器件和 RC 器件，我們使用回流焊溫度焊接曲線的典型示例。

3、結論

隨著表面組裝技術在各個領域的應用越來越廣泛和深入，人們對SMT焊接質量問題也越來越重視。 SMT焊接質量與整個裝配過程的各個環節息息相關。 為了減少或避免上述焊接缺陷，不僅要提高技術人員判斷和解決這些問題的能力，還要注意提高過程質量控制技術，改進過程管理，有效的控制方法可以提高 SMT焊接質量，保證電子產品的最終質量。 請更正本文中的任何錯誤。 PCB制造商、PCB設計師和PCBA加工商將講解幾種SMT焊接缺陷及其解決方法。