波峰焊后PCBA板面锡珠残留机理分析

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摘要

* q. F9 a- _% A锡珠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，在受震或使用过程锡珠可能会脱落，产品受热后锡珠可能再次出现受热重熔，造成元器件或电路连接短路，锡珠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。为印制板波峰焊后锡珠残留改善提供理论依据。

) L: p7 Y8 g( T. ?  {4 `' [关键词：波峰焊；锡珠；助焊剂；阻焊油墨。

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前言

* `4 s% v" N4 f4 ^* X% w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都有几率产生锡珠，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锡珠，如图1所示。

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PC-A-610C检验标准中对锡珠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，锡珠直径不能超过0.13mm，或者在600mm范围内不能出现超过5个锡珠。如图1，波峰焊生产后锡珠的直径存在一定的差异性，较小锡珠的直径在50μm左右，而较大的锡珠直径可达到185μm（超过标准要求0.13mm），如果不在波峰焊后对锡珠进行人工清理，锡珠的数量难以直接符合IPC-A-610C的接收标准要求。波峰焊锡珠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锡珠，有可能会影响设备的正常运行，而引起严重后果。
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因此，需要对波峰焊锡珠的形成机理进行分析研究，对锡珠形成的主要影响因素进行分析，进行相应工艺改善，找到消除波峰焊锡珠，提高可靠性的有效方法。
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/ n: b4 L- {3 j5 F锡珠的粘附分析

% H* e# b9 Z" F  u锡珠的残留是由于阻焊油墨与锡珠间发生结合，所以锡珠残留机理分析的第一步应当对锡珠的结合界面观察分析。使用扫描电镜观察锡珠微观形貌，使用X射线能谱仪对锡珠表面进行EDS元素分析，结果如图2所示。
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2 P( ]: b5 I, |5 A$ Z% a. U/ ?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。

0 g* z" b6 [' F& V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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8 J; Z4 w# M5 F. [0 n! ^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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# V8 U3 O6 A2 T1 t# p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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# b/ F2 ?- M$ t# R" f2 \9 e锡珠残留机理分析
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2.1 波峰焊工艺
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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：
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1 l* L3 f) {+ D$ Z+ i（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；
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9 o/ G- _4 O1 F6 N4 H8 D（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；
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+ b& t+ D  Q3 A  E$ S（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 l7 C& c- h+ \/ G8 B; |2.2 锡珠残留模型

锡珠的形成机制主要有如下三种：
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1）焊料回弹模型：
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) S' D3 h0 W, b) V8 b* \5 B8 [9 S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。
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' R) ]4 V$ U- x0 M2）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
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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 ]$ H1 h$ S& @: H- ~% m4 F! X, Y$ U3.1 实验材料
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' ^) I$ v. x' }( h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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0 A6 R* S! u: n4 [" |* @- ~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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2 C& W4 ^7 L3 D$ c- f5 ^3.3 表征方法
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6 R+ u- a& }: f/ v0 c1 \  Z使用体式显微镜观察波峰焊锡珠残留的数量。
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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）。
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. n5 i8 G) w8 R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。

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。

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总结

; D" W7 S$ x. b1 R8 u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：
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（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；
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5 V+ Z- X& t. ^! V6 V" v, U（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。

* ], c0 a& P. W7 {（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。
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锡珠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