pcb工程师讲解几种SMT焊接缺陷及解决方法

PCB工程师讲解几种SMT焊接缺陷及解决方法

本文主要分析表面贴装技术（SMT）生产的印制电路模块中存在的锡球、冒口、桥接等焊接缺陷，并通过经验总结出有效的解决方法，以供参考。

关键词：SMT焊接缺陷

1、简介

表面贴装技术在减小电子产品体积和重量、提高可靠性方面的突出优势，满足了未来战略武器洲际射程、机动发射、安全可靠性和先进技术等制造技术的要求。 然而，制定和选择适合特定产品的表面组装工艺并非易事，因为SMT技术是一项涉及多项技术的复杂系统工程，任何因素的任何变化都会影响电子产品的焊接质量。

元器件焊点的焊接质量是直接影响印刷电路组装（PWA）乃至整机质量的关键因素。 它受许多参数的影响，如焊膏、基板、元件的可焊性、丝印、安装精度和焊接工艺。 在SMT工艺研究和生产过程中，我们知道合理的表面组装工艺对控制和提高SMT生产质量起着至关重要的作用。 本文分析了遇到的几种典型焊接缺陷的机理，并提出了相应的解决工艺方法。

2、几种典型的焊接缺陷及解决方法

2.1 波峰焊和回流焊中的锡球

锡球的存在说明工艺不完全正确，电子产品存在短路风险，需要排除。 国际上公认的锡球存在标准是600个范围内的印制电路元件中最多只能出现5个锡球。 产生锡球的原因有很多，需要找到问题的根源。

2.1.1 波峰焊中的锡球

锡球经常出现在波峰焊中，主要有两个原因。 首先，在焊接印刷电路板时，印刷电路板上通孔附近的水分被加热变成蒸汽。 如果孔壁上的金属涂层很薄或有缝隙，水蒸气将通过孔壁排除。 如果孔中有焊料，当焊料凝固时，水蒸气会在焊料中产生间隙（针孔），或挤出焊料在印刷电路板的正面产生焊球。 其次，印制电路板反面（即接触波峰的一面）产生的锡球是波峰焊时某些工艺参数设置不当造成的。 如果增加助焊剂涂布量或预热温度设置过低，可能会影响助焊剂中成分的蒸发。 当PCB进入波峰时，多余的助焊剂会在高温下汽化，将焊料从锡槽中飞溅出来，在PCB表面产生不规则的锡球。

针对以上两个原因，我们采取了以下相应的解决方案： 第一，通孔中金属镀层的厚度要合适。 孔壁镀铜最小应为25um，不能有缝隙。 二、使用喷涂或发泡型涂布助焊剂。 在发泡方式下，调整助焊剂的含气量时，要尽量保持最小的气泡，相对减少泡沫与PCB的接触面。 三、波峰焊机的预热区温度设置应使电路板顶面温度至少达到100℃。适当的预热温度不仅可以消除锡球，还可以避免PCB因热冲击而变形 .

2.1.2 回流焊中的锡球

2.1.2.1 回流焊锡球形成机理

回流焊产生的锡球往往隐藏在矩形贴片元件两端之间或细间距引脚之间。 在元件安装过程中，焊膏被放置在芯片元件的引脚和焊盘之间。 当印刷电路板通过回流焊炉时，焊膏熔化成液体。 如果焊膏没有很好地与焊盘和器件引脚润湿，液态焊料会收缩并导致焊缝填充不足，所有焊料颗粒无法汇聚成焊点。 一些液态焊料会从焊缝中流出，形成焊球。 因此，焊料与焊盘和器件管脚的润湿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

造成焊锡润湿性差的原因有很多。 下面主要分析相关流程及解决方法相关的原因：

a) 回流温度曲线设置不当。 焊膏的回流是温度和时间的函数。 如果温度或时间不够，锡膏将不会回流。 预热区温度上升太快，达到平顶温度的时间太短，使锡膏中的水分和溶剂没有完全挥发。 当到达回流焊温度区时，水分和溶剂会沸腾，锡球会飞溅。 实践证明，控制预热区温度上升速度在1～4℃/s比较理想。

b) 如果锡球总是出现在同一位置，则需要检查钣金设计结构。 模板开孔尺寸腐蚀精度不符合要求，焊盘尺寸过大，表面材料较软（如铜模板），导致焊膏轮廓 漏印不清晰，相互衔接。 这种情况经常发生在细间距器件的焊盘漏印时，回流焊后不可避免地会在管脚之间产生大量焊珠。 因此，应根据焊盘图形的不同形状和中心距，选择合适的模板材料和模板制作工艺，以保证锡膏印刷质量。

c) 如果从贴片到回流焊的时间过长，由于锡膏中焊锡颗粒氧化，助焊剂变质，其减少，锡膏不会回流，产生锡球 活动。 选择工作寿命较长（我们认为至少 4 小时）的焊膏会减少这种影响。

d) 另外，印错焊膏的印制电路板清洗不充分，焊膏残留在印制电路板表面和通孔内。 回流焊前，需将待贴元器件重新对齐贴上，使焊膏变形。 这些也是产生锡球的原因。 因此，在生产过程中要强化操作人员和工艺人员的责任意识，严格按照工艺要求和操作规程，加强工艺过程的质量控制。

2.2 站立问题（曼哈顿现象）

矩形贴片元件的一端焊接在焊盘上，另一端倾斜。 这种现象称为曼哈顿现象。 造成这种现象的主要原因是元件两端受热不均，锡膏先后熔化。 以下情况可能会导致元件两端受热不均匀：

a) 元件排列方向设计缺陷。 我们想象在回流焊炉中有一条横跨炉膛宽度的回流焊限制线。 锡膏一经通过，即刻熔化，如图1所示。贴片式矩形元件的一端先通过流焊极限线，锡膏先熔化，完全浸透金属表面。 元素，并具有液体表面张力； 另一端达不到183℃的液相温度，锡膏不熔化，只有助焊剂的结合力，远小于回流焊锡膏的表面张力，使元件端 未熔化的一端是直立的。 因此，元件的两端同时保持在回流焊极限线内，使两端焊盘上的锡膏同时熔化，形成均衡的液体表面张力，保持元件的位置 元素不变。

b) 气相焊接时印刷电路元件预热不足。 气相焊接使用惰性液体蒸汽在元件引脚和 PCB 焊盘上凝结，释放热量熔化焊膏。 气相焊分为平衡区和饱和蒸汽区。 饱和蒸汽区的焊接温度高达217℃。在生产过程中，我们发现如果待焊部件预热不充分，经受100多度的温差，气相焊的汽化力 封装尺寸小于1206的贴片元器件容易浮片，造成竖片现象。 我们通过将待焊部件在145℃-150℃的高低箱内预热1-2分钟，再在气相焊平衡区预热1分钟左右，消除立板现象， 最后慢慢进入饱和蒸气区进行焊接。

c) 焊盘设计质量的影响。 如果一个贴片元件的一对焊盘尺寸不同或不对称，那么漏焊锡膏的量也会不一致。 小焊盘对温度反应快，上面的锡膏容易熔化，大焊盘则相反。 因此，当小焊盘上的焊膏熔化时，元件会在焊膏表面张力的作用下被拉直并竖立起来。 如果焊盘的宽度或间隙太大，也可能是垂直的。 严格按照标准规范进行焊盘设计是解决这一缺陷的前提。

2.3 小间距引脚桥接问题

导致细间距元器件引脚桥接不良的主要因素有：a）漏印焊膏成型不良； b) 在印刷电路板上制造有缺陷的细间距引线； c)回流焊温度曲线设置不当等。因此，应从模板制作、丝印工艺、回流焊工艺等关键工序的质量控制入手，尽量避免桥接隐患。

2.3.1模板材料的选择

SMT制程质量问题70%与印刷工艺有关，而模板是必不可少的关键工具，直接影响印刷质量。 我们通常使用的模板材料是铜板和不锈钢板。 与铜板相比，不锈钢板摩擦系数更小，弹性更高。 因此，在某些其他条件下，更有利于锡膏脱模和锡膏成型。 根据0.5mm管脚中心距QFP208器件组装测试统计，铜模板漏铜不合格造成的缺陷数量约占器件总焊点数（208个）的20%； 在某些其他条件下，使用不锈钢模板漏印造成的平均不良率为3%。 因此，对于引脚中心距小于0.635mm的细间距元件的印刷，要求必须使用不锈钢板，厚度以0.15mm~0.2mm为宜。

2.3.2丝印工艺控制

回流焊前，如果锡膏塌陷，形成的锡膏边缘不清晰，在放置元器件或进入回流焊预热区时，由于锡膏中的助焊剂软化，会导致引脚桥接。 锡膏塌陷是由于使用了不合适的锡膏材料和不合适的环境条件，比如室温过高，都会造成锡膏塌陷。 在丝印过程中，我们通过调整以下过程来仔细控制焊膏的流变性能以减少塌陷。

a) 对于丝印细间距引线，通常选择厚度较薄的模板。 为避免漏印少，要求的锡膏粘度要低，这样锡膏流动性好，不易漏印。 另外，模板和PCB脱模时锡膏不易带走，以保证锡膏的涂布量。 但同时，为了保持锡膏印刷图形的理想形状，需要较高的锡膏粘度。 我们解决这个矛盾的办法是使用45-75um粒径更小的球形颗粒锡膏，比如爱发的RMA390DH3锡膏。 此外，丝网印刷时应保持适宜的环境温度。 锡膏粘度与环境温度的关系如下：

logu=A/T+B

其中：u——黏度系数；

A. B - 常量

T——绝对温度。

由上式可知，温度越高，粘度越小。 因此，为了获得更高的粘度，我们将环境温度控制在20+3℃。

b) 刮板的速度和压力也会影响锡膏的流变性能。 因为它们决定了焊膏的剪切速率和剪切力。 锡膏粘度与剪切率的关系如图2所示。当锡膏种类和环境温度合适，刮板压力恒定时，减慢印刷速度以保持锡膏的粘度 基本不变，这样锡膏的供应时间就长了，锡膏的用量就会增加，就可以达到很好的成型效果。 此外，控制较慢的脱模速度和最小的模板与PCB之间的间隙，也会对减少细间距pin bridge起到很好的作用。 根据我们使用的SP200丝印机，我们认为印刷细间距线的理想工艺参数是：印刷速度保持在10mm/s-25mm/s； 脱模速度控制在2s左右； 模板与PCB之间的最小间隙小于或等于0.2mm。

2.3.3 回流过程的过程控制

细间距引线间距小，焊盘面积小，焊膏缺失量少。 焊接时，如果红外线回流焊的预热区温度高，时间长，在达到回流焊的峰值温度区之前，会消耗更多的活化剂。 但是，只有当峰区有足够的活化剂释放氧化的焊锡颗粒时，焊锡颗粒才能迅速熔化，从而润湿金属引脚表面，形成良好的焊点。 Clean free 焊膏的激活范围低于要清洁的焊膏。 因此，如果预热温度和时间设置稍有不当，细焊引线之间就会出现桥接现象。 我们通过降低加热温度和预热时间来控制锡膏中活化剂的挥发，保证免清洗锡膏在焊接温度区的流动性和金属引线表面的润湿性，减少细小的桥接缺陷 间距线。 对于细间距器件和 RC 器件，我们使用回流焊温度焊接曲线的典型示例。

3、结论

随着表面组装技术在各个领域的应用越来越广泛和深入，人们对SMT焊接质量问题也越来越重视。 SMT焊接质量与整个装配过程的各个环节息息相关。 为了减少或避免上述焊接缺陷，不仅要提高技术人员判断和解决这些问题的能力，还要注意提高过程质量控制技术，改进过程管理，有效的控制方法可以提高 SMT焊接质量，保证电子产品的最终质量。 请更正本文中的任何错误。 PCB制造商、PCB设计师和PCBA加工商将讲解几种SMT焊接缺陷及其解决方法。