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锡珠缺陷工艺技术研究
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  本文介绍一种U形模板开孔确定的锡膏沉淀方式来防止锡珠的形成。
  焊锡由各种金属合金组成。印制电路板(PCB)装配商使用的锡/铅合金(Sn63/Pb37)是锡膏和用于波峰焊接的锡条或锡线。在PCB上不是设计 所需的位置所找到的焊锡包括锡尘(solder fine)、锡球(solder ball)和锡珠(solder bead)。锡尘是细小的,尺寸接近原始锡膏粉末。对于-325~+500的网目尺寸的焊膏,粉末直径是 25µm~45µm。锡球是由颗粒的聚结而形成的,所以大于原始的粉末尺寸。
  锡珠(solder beading)是术语,锡珠是在锡膏塌落(slump)或在贴片过程中压出焊盘引起的。在回流期间,锡膏从主要的沉淀中孤立出来,与来自其它焊盘的多余锡膏集结,或者从组件身体的侧面冒出形成大的锡珠,或者留在组件的下面。
  IPC-A-610 C将0.13mm(0.00512")直径的锡球或每600mm2(0.9in2)面积上少于五颗的锡球列为可接受的焊接缺陷。IPC-A-610 C允许存在缺陷的不干扰最小电气间隙的锡球。可是,即使是“这种可以接受的锡球都可能在运输、处理或在一个振动应用的最终使用中变成移动的从而有可能导致 电路故障。
  锡球已经困扰SMT贴片加工表面贴装工业许多年。对于表面贴装和混合装配的PCB,锡珠在许多技术应用中都遇到。查明锡珠形成的原因并加以改善可以提高合格率、提供长期的可靠性和降低返修成本。
  2  产生锡珠的原因分析
  模板(stencil)开孔的设计、模板清洁度、贴片压力、回流温度曲线、波峰焊锡的飞溅等都可能导致锡珠的出现。
  2.1  模板开口的设计
  模板开孔的形状是SMT贴片加工装配中的一个关键设计技术。形成一个具有良好焊脚的高质量可靠的焊接点要求有足够的锡膏,但过多的锡膏沉淀却是导致锡珠出现的主要原因。
  为了解决片状元件装配中的锡珠问题,工艺上存在各种模板设计形式。最流行的是homeplate开孔设计。这种homeplate设计可以在需要的地 方准确地提供锡膏,从片状元件的角上去掉过多的锡膏。但homeplate设计容易造成锡膏在元器件和印制板的粘附区域膏量不足的问题,容易造成组件偏 位。锡膏提供很小的与零件接触的面积。一个贴装50%偏位的零件与湿润的锡膏接触的面积甚至更少。除此而外,homeplate设计不能消除片状元件下面 和其相邻位置的锡珠。锡膏还是会直接在组件的中间出现,从这里它可能在回流期间转移到不可预测的位置。
  homeplate模板可减少在片状元件上的锡珠数量,但是不能完全消除。减少85%的模板开口尺寸(图3)会有80%左右的片状元件出现锡珠。T形 模板也只可去掉50%的锡珠。因此,这三种模板没有哪个可以既持续地消除锡珠,同时又在装配期间提供足够的粘附力来将组件固定在位。
  2.2  模板清洁度
  模板底面的污染也可能造成锡珠和锡球。造成模板污染的原因包括过高的刮刀(squeegee)压力、不经常与不正确的模板底部擦拭等。
  2.3  定位
  印刷的定位对维持良好的工艺持续性的关键。锡膏对准不好也可能造成锡桥、在焊盘与阻焊之间间隙中的形成锡珠。
  2.4  组件贴装压力
  锡膏的任何塌落或过高的贴装压力都将造成一些锡膏沉淀跑出焊盘,从而大大地增加回流期间锡珠的形成机会。在组件贴装期间需要使用适当的压力将组件直接放到锡膏中,但又不会将锡膏挤到一个不希望的位置。
  2.5  回流温度曲线
  锡膏制造商提供的回流温度曲线一般是一个较宽的温度范围。在这个可接受的范围内,几个不同的特性影响助焊剂和焊接点形成的效果。
  一个慢的线性预热允许锡膏中的溶剂逐渐蒸发,减少诸如塌落和飞溅发生的机会。可接受的升温率一般低于每秒2℃。已经发现每秒1.3℃的速率是最有效的。这个速率允许助焊剂缓慢活化,在完成其目的之前不被蒸发掉。
  回流温度以上的时间影响与铜基材料形成的金属间化合物的数量。可接受的回流温度以上时间为45s~90s。
  峰值温度可以影响产品的长期寿命。温度越低,组件上的应力越小。一般,除非特殊零件要求,230℃是最高温度。
  2.6  波峰焊锡飞溅
  波峰焊接工艺也可能造成PCB组件面上的锡珠。如果助焊剂预热不适当,在PCB进入波峰之前有水留在板上,飞溅就可能发生。随机的锡球可能附着在PCB组件上。
  根据对产品缺陷的跟踪统计,行业内比较认同的造成锡珠缺陷的主要原因是模板开口形状和焊接温度曲线的设置。
  3  焊接试验
  3.1  试验目的
  设计一种试验来测量模板开孔设计形式和回流温度曲线的对焊接缺陷尤其是锡珠缺陷的影响,从而确定一种可减少锡珠的模板开口形状和回流焊接温度曲线形式。
  3.2  试验方案
  试验用印制板选用某程控组件印制板,印制板尺寸228×150,元件面共含表贴阻容器件113个,焊接面共含表贴阻容器件247个。
  模板分别选用两种不同的开口形状:矩形的85%焊盘尺寸和U形的85%焊盘覆盖。模板材料是0.15mm厚度的不锈钢,化学腐蚀。这种设计已经证明可以提供连续的锡膏沉淀。
  焊膏选用Alpha 公司OM6023免清洗焊膏。合金成分62Sn/36Pb/2Ag  ,为3号锡粉。
  锡膏通过全自动丝印机来印刷,使用视觉检查锡膏沉淀的均匀性。刮刀速度每分钟1.5inch,用来刮印一英寸厚的锡膏。然后选用自动贴装设备完成PCB装配。
  使用的两种回流温度曲线主要是其预热部分不同。一条曲线的预热区是很缓慢和低温的,升温率为每秒1.3℃。这条曲线没有平稳的预热保温区,而是缓慢地升温到峰值温度。另一条曲线使用一种传统形状的预热、保温和升温到峰值温度。使用具有上下加热的强制对流回流焊接炉。
  分别采用两种模板开口形状和两种温度曲线进行组合各装配印制板1块.
  对片状元件使用U形开孔模板和回流温度曲线在减少锡珠缺陷上可以得到良好的效果。同时U形开孔的模板锡膏在片状元件身体的边缘,不直接在身体的中间下面。如果片状元件贴放偏离位置,锡膏沉淀足够在整个过程和回流焊接中维持住零件,从而可以大量减少焊接缺陷。
  4  结论
  提供给表面贴装组件的锡膏数量与位置的改善直接影响锡珠缺陷的出现。通过在适当的位置提供适量的锡膏,最终产品的质量可以大大提高。


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