波峰焊常见缺陷分析及应对!

发布日期：2012/10/6 22:46

波峰焊中常见缺陷 不润湿（Nonwetting）/润湿不良（Poor Wetting） 通常润湿不良是指焊点焊锡合金没有很好的铺展开 来，从而无法得到良好的焊点并直接影响到焊点的可 靠性。 产生原因： 1. 焊盘或引脚表面的镀层被氧化，氧化层的存在阻挡 了焊锡与镀层之间的接触； 2. 镀层厚度不够或是加工不良，很容易在组装过程中 被破坏； 3. 焊接温度不够。相对 SnPb而言，常用无铅焊锡合金 的熔点升高且润湿性大为下降，需要更高的焊接温度 来保证焊接质量； 4. 预热温度偏低或是助焊剂活性不够，使得助焊剂未 能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜； 5. 还有就是镀层与焊锡之间的不匹配业有可能产生润 湿不良现象； 6. 钎料或助焊剂被污染。 防止措施： 1. 按要求储存板材以及元器件，不使用已变质的焊接 材料； 2. 选用镀层质量达到要求的板材。一般说来需要至少 5μm厚的镀层来保证材料 12个月内不过期； 3. 焊接前黄铜引脚应该首先镀一层 1～3μm的镀层， 否则黄铜中的 Zn将会影响到焊接质量； 4. 合理设置工艺参数，适量提高预热或是焊接温度， 保证足够的焊接时间； 5. 氮气保护环境中各种焊锡的润湿行为都能得到明显 改善；  表面裂纹 (Fillet Tearing) 产生原因： 1. 焊接过程中 PCB板变形过大，凝固时回复原来位置 时拉动钎料表面有所延长，容易造成表面裂纹现象； 2. 焊点钎料凝固时一般存在 4％的体积收缩，如果表面 处于最后凝固位置的话就有可能产生表面凹坑或时裂 纹现象； 3. 无铅钎料中混入了 Pb的话也可能产生表面裂纹。Pb 与无铅合金之间生成的低熔脆性相很容易成为裂纹起 源，裂纹可以延晶界或是穿晶向焊点内部传递； 4. 使用 SAC钎料时表面裂纹现象比较明显。 焊接过程中元件固定不当也会产生表面裂纹。 注：不是说产生表面裂纹的焊点就是失效的焊点，根 据 IPC标准，只有深入到焊点内部并影响到焊点机械或 电气性能的裂纹才被视为焊点缺陷。 防止措施： 1. 采用合适的焊接工艺，适当提高预热温度，采取恰 当的冷却方式，冷却方式选择可以很大程度上控制焊点 的微观形态以及应力集中现象； 2. 加强生产管理，避免材料受到污染； 3. 考虑在 SAC中加入少量 Ni。 针孔（Blow Hole） 产生原因： PCB板中吸收的水分在焊接过程中产生高压作用， 其逸出途径主要是 PCB板通孔。材料间膨胀系数的不 匹配会造成通孔铜层的破损，之后水汽很容易进入到钎 料合金中。焊点表面最先凝固，随后水汽在逸出过程中 就会产生针孔现象。 使用廉价的基板以及差的钻孔方式的时候这种现象 尤其明显。 注：1. 通孔焊接中铜层的破损是产生针孔的关键因素； 2. 助焊剂不会被压缩成一团，一般还漂浮于钎料表面， 所以助焊剂一般不会造成针孔现象。 防止措施： 1. 选用合适的 PCB板； 2. 对板材进行良好的储存； 3. 焊前对板材进行烘烤处理，如果还无法消除就要进 行焊前气体释放处理，如有必要可以要求加工商增厚通 孔铜层厚度到至少 25μm。  焊旗(Solder Flag) 引脚上粘附了钉状或是旗状钎料就是通常所说的焊旗。 产生原因： 1. 钎料被大量氧化， PCB板脱离波峰时氧化渣粘附在 引脚上。焊旗方向大多与引脚方向一致，也有部分与引 脚成一定夹角； 2. 波形不平整造成部分引脚沾锡更多； 3. 引脚焊接性差或是被氧化，难以产生润湿的同时沾 锡也难以回落到波峰中从而产生焊旗现象。 注：焊旗对焊点质量不会构成太大威胁，但还是会间 接造成桥连等现象，应尽量避免。 防止措施： 1. 涂敷适量助焊剂。在板脱离波峰的时候应确保板面 上还有适量助焊剂能产生气氛防止钎料氧化； 2. 应该尽量减短板的浸润时间，增加板离开波峰的速 度，采用尽可能低的波峰温度。有助于减少助焊剂消耗 和钎料氧化； 3. 减短引脚长度。减少钎料粘附和助焊剂作用距离； 4. 氮气环境也能减少焊旗现象。 焊点剥离（Fillet Lifting） 产生原因： 1.常用的 FR4在 Z方向的膨胀系数远大于焊盘与钎 料，在焊点凝固过程中板的收缩作用有可能造成焊点剥 离现象； 2. 钎料中含有 Bi、In、Pb等元素时会形成低熔相，使 得焊点凝固行为不一致，低熔相聚集在钎料与焊盘交界 处会造成焊点剥离现象； 3. 冷却速度过慢的话焊点中会产生成分偏析从而使得 焊点出现应力集中现象，也可能产生剥离现象； 4. 冷却过程中产生的应力作用也会对剥离现象的产生 有一定的影响。 防止措施： 1.尽量选用膨胀系数相差不大的材料； 2.避免钎料的 Pb污染，加强生产管理； 3. 尽量采用快速冷却，使焊点中成分分布均匀，减少 成分偏析和应力集中现象； 4. 如无特殊要求尽量少的采用含 Bi、In的钎料  焊锡网（Solder Webbing） 焊锡网通常指板面与波峰相接触位置出现的网状残 留物。 产生原因： 焊锡网的形成与粘附到板上的氧化物或是钎料有关。 1. 焊接温度过高，助焊剂挥发过快，钎料氧化严重； 2. 助焊剂涂敷量过低（同时还可能产生冰柱和桥连）； 3. 选用阻焊膜不当。 防止措施： 1. 调整工艺参数，保证焊接过程中板面上有足够的助 焊剂从而能产生气氛防止钎料过度氧化； 2. 选用合适的阻焊膜； 3. 氮气情况下会减少焊锡网的发生。 桥连（Bridge） 焊锡在毗邻的不同导线或元件之间形成的非正常连 接就是通常所说的桥连现象。 产生原因： 1. PCB板焊接面没有考虑钎料流的排放，线路分布太 密，引脚太近或不规律； 2. 板面或引脚上有残留物； 3. 预热温度不够或是助焊剂活性不够； 4. 钎料被污染，比如钎料发生 Fe污染之后的污染物会 造成桥连现象； 5. PCB板浸入钎料太深造成板面沾锡太多； 6. 焊接温度不够。 SnCu流动性较差，对温度更为敏感。 注：一定搭配的焊盘与引脚焊点在一定条件下能承载 的钎料（锡膏）量是一定的，处理不当多余的部分都可 能造成桥连现象。 防止措施： 1. QFP和 PLCC与波峰成 45°角，引脚间距小于 0.8mm 的 IC建议不要采用波峰焊； 2. SOIC元件与波峰之间应该成 90°，最后离开波峰的 两个焊盘应该稍微加宽以承载多余钎料； 3. 适当提高焊接预热温度，同时可以考虑在一定范围 内提高焊接温度以提高钎料流动性； 4. SnCu中可以添加微量 Ni以提高钎料流动性。 返修： 产生桥连现象的焊点可以用电烙铁进行返修处理。  不完全焊点（Incomplete Solder Joint） 产生原因： 1. 通孔孔径与元件引脚直径不匹配； 2. 导轨传输角度过大； 3. 焊接温度设置过高； 4. 焊盘表面被氧化。 防止措施： 根据实际情况判断造成不完全焊点的可能原因，并 进行有针对性的改进措施。 锡球（Solder Ball） 板上粘附的直径大于 0.13mm或是距离导线 0.13mm 以内的球状锡颗粒都被统称为锡球。锡球违反了最小电 气间隙原理会影响到组装板的电气可靠性。 注：IPC规定 600mm2内多于 5个锡球则被视为缺陷。 产生原因： 锡球的产生与焊点的排气过程紧密相连。焊点中的气 氛如果未及时逸出的话可能造成填充空洞现象，如果逸 出速度太快的话就会带出焊锡合金粘附到阻焊膜上产 生锡球，焊点表面已凝固而内部还处于液态阶段逸出的 气体可能产生针孔。 1. 板材中含有过多的水分； 2. 阻焊膜未经过良好的处理。阻焊膜的吸附是产生锡 球的一个必要条件； 3. 助焊剂使用量太大； 4. 预热温度不够，助焊剂未能有效挥发。 注：波峰焊中液滴回落到波峰上溅起的锡粘附造阻焊 膜上同样会产生锡球现象，使用氮气保护的时候更为明 显。 防止措施： 1. 合理设计焊盘； 2. 通孔铜层至少 25μm以避免止板内所含水汽的影响； 3. 采用合适的助焊剂涂敷方式，减少助焊剂中混入的 气体量； 4. 适当提高预热温度； 5. 对板进行焊前烘烤处理； 6. 采用合适的阻焊膜。相对来说平整的阻焊膜表面更 容易产生锡球现象。  助焊剂残留(Flux Residues) 板面存在较多的助焊剂残留的话，既影响了板面的光 洁程度，同时对 PCB板本身的电气性也有一定的影响。 产生原因： 1. 助焊剂（锡膏）选型错误。比如要求采用免清洗助 焊剂的场合却采用松香树脂型导致残留较多； 2. 助焊剂中松香树脂含量过多或是品质不好容易造成 残留过多； 3. 清洗不够或是清洗方法不当不能有效清除表面残 留； 4. 工艺参数不相匹配，助焊剂未能有效挥发掉。 防止措施： 1. 正确选用助焊剂； 2. 对需要清洗的板进行恰当的清洗处理； 3. 波峰焊中延长与波峰接触时间可以减少助焊剂残 留。 锡瘟(Tin Pest） 产生原因： 13℃或更低的温度条件下 Sn会发生同素异形转变， 由灰白色的β-Sn（四角形晶体结构）转变为白色脆性 的粉末状α-Sn（立方晶体结构），该转变速度在-30℃ 的时候达到最大值。 航空以及军事电子经常在该转变温度范围内作业，其 长期可靠性受到了极大的挑战。 使用无铅钎料合金同样发现锡瘟现象的存在。 防止措施： 可以通过 Sn的合金化来防止甚至是消除锡瘟，比如 Sn与 Bi、Sb的合金或是与 Sn有良好互溶性的 Pb。Bi、 Sb可以在 Sn只溶解 0.5％或是更少，但是 Pb的溶解量 至少要达到 5％才能起到作用。 传统的 SnPb共晶中 Pb的含量在 37％，所以以前并 没有发现锡瘟现象。  冷焊（Cold Solder） 冷焊一般指焊点存在不平整表面，严重时甚至在引脚 周围产生褶皱或裂纹，影响焊点的使用寿命，组装板使 用一段时间之后就会失效。 产生原因： 1. 在钎料还处于液态时，导轨的机械震动或是焊接温 度过高造成了元件的移动； 2. 焊盘或引脚发生氧化现象，焊接性能不好； 3. 焊接时间过短。 防止措施： 1. 排除焊接时的震动源； 2. 焊前检查引脚以及焊盘是否发生氧化现象，有的话 则及时进行去除氧化处理： 3. 适当延长焊接时间。 元件破裂（Component Crack） 产生原因： 1. 组装之前产生破坏； 2. 焊接过程中板材与元件之间的热不匹配性造成元件 破裂； 3. 贴片过程处置不当； 4. 焊接温度过高； 5. 元件没按要求进行储存，吸收过量的水汽在焊接过 程中造成元件破裂； 6. 冷却速率太大造成元件应力集中。 防止措施： 1. 采用合适的工艺曲线； 2. 按要求进行采购、储存； 3. 选用满足要求的焊接贴片以及焊接设备。  球状焊点（Bulbous Joint） 焊点呈现球状，润湿角非常大。通常会覆盖焊盘以及 引脚，如果焊锡接触到元件的话则被认为是不可接受 的。 产生原因： 任何影响液态焊锡流动性能的因素都有可能造成球 状焊点的形成； 1. 预热或是焊接温度过低； 2. 钎料中含有污染物，比如 Fe污染物能阻碍钎料的流 动； 3. 助焊剂活性不够或是活性没有被完全激发； 4. 不恰当的导轨角度或是传输速率。 防止措施： 1. 合理设置工艺参数以及导轨角度； 2. 及时清理钎料中的污染物； 注：最好是针对各种可能的原因一一进行验证并一次 性解决好。 锡须（Tin whisker） 锡须是镀层表面生长出来的细丝状锡单晶。锡须可能 造成短路危险，引发灾难性后果。无铅环境中更容易出 现锡须现象。 产生原因： 表面镀层的某些晶粒受到周围的正向应力梯度场的 作用（该晶粒承受压应力）而导致晶须从该晶粒形成与 生长。 应力梯度主要有两个来源： 1.金属间化合物的形成时产生； 2.镀层材料与基体材 料的热膨胀系数不匹配，在承受载荷时导致的热应力。 锡须的形成与生长和再结晶密不可分。在内部位错微 应力场和环境温度的作用下，某些晶粒发生再结晶，而 再结晶晶粒与周围晶粒在自由能方面的不匹配导致整 个系统朝自由能最小方向演化，晶须的形成与生长就是 这个最小化过程的自然产物。 其中纯 Sn镀层更容易出现锡须现象，而 bright tin又 比 matte tin严重。Cu引线比 42合金更容易产生锡须现 象。 防止措施： 1. 镀层进行退火、熔化、回流等热处理； 2. 采用 Ni、Cu等中间镀层； 3. 镀层进行合金化处理，加入 Pd、Bi、Ni、Cu等元素。  冰柱（Icycling） 组装板上形成的不正常的圆锥状或钉状的焊点就是 通常所说的冰柱（拉尖）。拉尖影响到电气最小间隙原 则时是不可接受的，通常说来。冰柱长度应该小于 0.2mm。 产生原因： 在钎料脱离板面回落到波峰上的过程中，能造成钎料快 速凝固的因素都可能促进冰柱的产生。 1. 助焊剂活性不够造成钎料在焊盘或是引脚表面润湿 不良； 2. 焊接温度过低； 3. 引脚接触到钎料当中的氧化渣； 4. 通孔孔径与引脚直径之间比例不当。 防止措施： 主要从提高钎料的润湿行为方面着手。 1. 适当提高预热以及焊接温度； 2. 及时清理钎料表面氧化渣； 3. 按要求相匹配的 PCB板与元器件。 填充不良（Poor Hole Fill） 产生原因： 一般来说，由于钎料具有毛细管爬伸性能，波峰达到 板厚的 2/3左右而无需完全漫过板面就能形成良好的焊 点。但遇到以下情况时就可能产生填充不良现象，影响 焊点可靠性。 1. 通孔镀层或是引脚表面被污染，造成焊接过程中焊 锡得爬伸困难； 2. 波峰高度不够或是导轨倾角太大，板与波峰接触不 够； 3. 预热温度过低或是助焊剂活性不够，直接影响钎料 在材料表面的润湿行为； 4. 通孔孔径与引脚直径之间不匹配，直接影响钎料的 爬伸性能。 防止措施： 1. 调整预热温度以及采用足够活性的助焊剂是避免填 充不良的主要措施； 2. 保护好材料表面镀层； 3. 按要求选用板材以及元件； 4. 调整波峰高度。  焊点空洞（Void） 焊点内部填充空洞的出现与助焊剂的蒸发不完全有 关。焊接过程中助焊剂使用量控制不当的很容易出现填 充空洞现象。 少量的空洞的出现对焊点不会造成太大影响，但大量 出现就会影响到焊点可靠性。 产生原因： 1. 焊接过程中涂敷了过量的助焊剂（或是锡膏中助焊 剂比例偏大），难以在焊点凝固之前完全逸出； 2. 预热温度偏低，助焊剂中的溶剂难以完全挥发，停 留在焊点内部就会造成填充空洞现象； 3. 焊接时间过短，气体逸出的时间不够的话同样会产 生填充空洞； 4. 无铅焊锡合金凝固时一般存在有 4％的体积收缩，如 果最后凝固区域位于焊点内部的话同样会产生空洞； 5. 操作过程中沾染的有机物同样会产生空洞现象； 6. 波峰焊通孔孔径与元件引脚之间搭配步当会影响助 焊剂的逸出行为； 预防措施： 1. 调整工艺参数，控制好预热温度以及焊接条件； 2. 采用合适的助焊剂涂敷方式，以获得均匀的涂敷量。 助焊剂不是涂敷得越多越好； 3. 避免操作过程中的污染情况发生； 4. 合理搭配板材与元件；  ,