电子焊接制程产生“锡珠”的原因及防控措施分析

李新满

（铜陵三佳变压器科技股份有限公司，安徽 铜陵 244000）

电子焊接制程产生“锡珠”的原因及防控措施分析

李新满

（铜陵三佳变压器科技股份有限公司，安徽 铜陵 244000）

在电子元器件集成电路焊接的过程中，为了提高焊接效率，增强集成电路的功能性，越来越多的电子焊接制程直接采用免清洗的焊接工艺，但是由此会让焊接后的集成电路板产生“锡珠”，这样不仅需要再次清洗，还会造成电路板短路的现象。文章通过对电子焊接制程产生的“锡珠”标准形态进行分析，详述SMT焊接和“波峰焊”过程中产生“锡珠”原因及预防控制办法。

电子焊接；锡珠；SMT焊接；电路

在集成电路板当中，如果焊接后的面板上有“锡珠”，那么不仅仅会影响产品的外观，更为严重的是由于集成电路板上元器件为贴片，密集度高，在通电状态下容易将不同功能区域的元器件串联，造成整个电路出现短路状态，影响产品的使用功能和可靠性。综合整个电子焊接制程当中，可能在表面贴装技术（Surface Mount Technology，SMT）、波峰焊及手工焊当中出现，所以为对“锡珠”进行预防和控制，那么就需要从这几个焊接工艺和焊接材料入手。

1 电子焊接产生的“锡珠”的标准形态

随着国内经济和科技的发展，民众追求更高品质的生活，不管是生活中不可或缺的电子产品，还是电气系统等设备装置，都采用机械焊接方式让机械的功能更强大，也让产品变得更方便携带。所以也产生大批量的焊接产品，但是不管是SMT贴片焊接还是“波峰焊”或者是手工焊当中，不可避免地产生“锡珠”，“锡珠”的大小和质量直接决定了集成电路板的功能和产品的可靠性。根据这一特性，国家及各行业制定关于“锡珠”大小、形态的标准，以MIL-STD-2000为例，在此标准当中规定了焊接面板上不允许有“锡珠”，并且在电路板上每隔平方英寸的“锡珠”须少于5个，且两个锡珠之间的绝缘间隙控制在0.13 mm，将直径控制在以上数据当中的锡珠则为合格；如果锡珠的直径是大于或者等于0.13 mm则为不合格产品，出现这种状况时，质检人员和制造方必须采取正确的措施处理，避免出现这种现象发生。针对无铅焊接制程产生的锡珠标准则更为细致，在标准当中规定，如果元件用于汽车或者军用产品等领域，那么在电路面板上则不允许出现任何“锡珠”，所用线路板必须在焊接后经过全面清洗，或者运用相应的方式将锡珠手工去除。

2 贴片元件在集成电路中的贴装时出现“锡珠”原因及防控方式

在电子焊接的表面贴装电路板中，需要控制回流焊的“温度、时间、焊膏的质量、刷锡的厚度及钢网的制作还有装贴时对面板表面产生的压力”等等，这些都会造成在集成电路表面产生“锡珠”，所以分析焊接工艺和使用材料中出现“锡珠”的可能原因，并对其加以预防和控制，就会避免产生大量的锡珠。

2.1 焊锡膏自身质量原因引起的“锡珠”状况

在焊膏的使用当中，金属、氧化物、金属粉末的粒度及锡膏抗热坍塌效果都会产生“锡珠”。其中焊膏中金属含量占据锡膏总量的89%～91%，体积达到锡膏中体积的50%才能形成形态和尺寸很好的锡珠。如果在焊接锡膏当中的金属元素含量越多，锡膏中金属粉末的排列就越紧密，锡粉会因为颗粒之间拥有更多结合的机会，不容易在气化过程中被吹散，所以不易形成锡珠，如果金属的含量少，那么出现锡珠的机率增高；同时焊膏需要氧化物，这样才能影响到焊接的效果，氧化物含量越高，当锡膏融化后其中含有的金属粉末在面板焊盘上的表面张力较大，在回流焊接时金属粉末还能提升氧化物的含量，但是这样不利于融化的焊料完全浸润，从而导致细小锡珠产生；锡膏中除了金属粉的含量会影响到锡珠的产生外，其颗粒的大小也会影响到锡珠的产生，一般的焊粉粒径约在25～45 m,如果粉末中氧化物含量较低，会使得锡珠现象得到缓解；在回流焊阶段，需要将焊盘预热，如果在焊膏抗热坍塌效果不好的环境下，在熔膏前需要印刷成型的焊膏开始坍塌，此时会出现焊膏外流的状况，在焊接区内就可熔化焊料，受到内应力的作用，焊膏收缩成焊点并开始浸润爬升至焊接端头，有时会因为焊剂缺失或者剂量不足的原因导致焊膏应力不足，流向焊盘外的锡膏没有收缩，当没有收缩的锡膏完全融化就会形成锡珠。

2.2 焊接制程工艺不当造成的“锡珠”

在焊接工艺当中出现“锡珠”的地方主要集中在回流焊部分，因为这部分的焊接需要分为预热、保温、焊接和冷却4个阶段，只有让印制板和表贴元件的温度逐渐上升到120℃～150℃之间，才能去除焊锡膏中易挥发的溶剂，减少元件与热量之间的冲击。但是在此期间会因为锡膏内部气化将金属粉的凝结力降低，有部分焊粉会从焊盘上流出促使锡珠形成。所以在预热阶段，温度高、预热速度快则会加剧焊剂气化从而诱发坍塌，形成锡珠，只有采取适宜的预热温度和控制温度的手段才能避免锡珠的形成。除此之外，焊膏在集成电路板上的印刷厚度和梁需要控制在0.15 mm～0.20 mm之间，如果厚度较大则容易导致坍塌，诱发锡珠形成。在SMT的表面贴片焊接当中还要控制印刷模板开孔大小，尺寸控制在开孔与焊盘接触面积10%以内，能够在一定程度上减轻锡珠的形成概率；在装贴当中如果压力过大会让元件直接压浸在锡膏中或者产生锡粉，从而形成锡珠。锡膏在不用的情况下最好冷藏，焊接期间还要对工作环境进行清理，避免空气中附带气化锡或者空气中含有细小的水珠，由此形成锡珠；焊接时还要避免焊膏和空气长期接触，使用过后立即用盖子压紧，将盖子与锡膏之间的空气挤出，延长锡膏使用寿命，避免受潮或者干燥形成锡珠。

2.3 SMT表面贴装的“锡珠”防控

SMT表面贴装过程中需要集合锡膏自身的产品质量、制造工艺的适用性及焊油和焊粉的比例、锡球的颗粒度。当然大部分情况下所选择的锡膏符合电路板焊盘及SMT的规格即可，需具有良好的质量、熔融和导电能力。其次就是在焊接工艺上进行控制和改进。由于SMT属于半自动化的焊接，对锡膏的保存、使用、回温、搅拌都需要人工，所以需要注意以下几点，其一是需要严格按照使用说明和焊接要求选择适宜的温度进行存贮锡膏的存贮温度一般在0～10℃的冷藏条件下存贮，需要使用锡膏的情况下，需要将锡膏在常温环境下进行回温，直至温度与室温相同才可开启；其次是在搅拌当中需要按照规定的工序和时间进行搅拌，在印刷当中需要注意模板的印刷力度和钢网表面的清洁度，印刷过后及时清除多余锡膏，方式PCB（集成电路）板面在焊接当中产生锡珠；最后在回流焊接当中也应该按照指定好的方式进行作业，不得随意调整，在一轮焊接过后针对不足之处及时地调整和修正，对于SMT的模板钢网的放置产生的锡珠问题，需要根据是否为开口方式和开口率导致的锡膏在面板上呈现的印刷特性和焊接特性的不同缺陷而定，针对产生锡珠的不同原因进行适当改进，当钢网开口较大形成的锡珠则可以将其改为1∶0.75的楔形，这样能够大大降低产生锡珠的机率；这种改进并非一次就可以完成，需要经过3次或以上，当然也有两次就可杜绝锡珠形成的情况，这需要根据SMT实际的焊接过程而定。

3 “波峰焊”过程中出现“锡珠”的原因及防控办法

波峰焊在焊接工艺中应用较为广泛，能够产生锡珠有两种状态，一种是由于面板与锡液刚接触当中由于助焊剂和面板材料本身所含水分过多或者高沸点溶剂没有充分挥发，当两者骤然接触到高温物体，存在的温差会导致液体焊锡飞出形成锡珠；另外一种状况是在焊接当中面板与液态焊锡波分离，面板会顺着管脚延伸的方向在焊盘上拉出锡柱，由于大部分的锡膏中都含有助焊剂，所以锡柱会受到其润湿和锡液流动性的作用，焊锡会自动落回锡缸从而溅起锡珠，所以在波峰焊接当中需要从助焊剂的选择和工艺上对形成锡珠进行控制。

3.1 助焊剂引起的状况及防控方式

因为大部分的锡膏当中都含有一定剂量的助焊剂，但是这种剂量不足以避免锡珠的形成，所以需要额外加入助焊剂，在选用过程当中，需要按照以下标准选择，其一是选用的助焊剂当中的水份含量不能较大，含大量水份的助焊剂会导致在焊接的预热阶段不能充分挥发，在面板上形成锡珠；其二是不能让助焊剂当中有高沸点或者焊接当中不易挥发的物质，这样也会导致预热不能充分挥发形成锡珠。以上两种基本是由助焊剂的质量引起的，如果在焊接当中遇到以上情况，则可以通过提高预热温度或者放慢走板的速度等方式来解决，当然大部分情况下还需要在选择的时候按照焊接工艺及相应的标准规格选择，检验助焊剂质量是否合格。

3.2 电子焊接制程工艺方面原因造成“锡珠”状况分析和防控

在波峰焊的操作工艺上，能够形成锡珠的原因不外乎有以下几点：首先是焊接工具和焊盘的预热温度较低，导致助焊剂中的溶剂不能完全挥发，或者是走板的速度（一般是指流水线作业或者SMT）过快导致的预热效果不好；其次是在传动链条或者是面板与焊接面的倾角过小，锡液与焊盘之间产生气泡，在高温的作用下气泡会随之炸裂飞溅出锡珠；最后一种是在焊接当中由于助焊剂的掺入量过大，焊接完成后未作用的助焊剂没能流走或被风刀吹走产生锡珠。上述3种情况都与标准焊接工艺有关，所以在焊接当中需要按照设定参数操作，不得随意改动。解决办法如下：在预热阶段，务必让温度保持在90℃～110℃之间，这个温度是面板焊盘实际受热温度，并且将走板的速度范围设定为1.1 m/min～1.4 m/ min，这个值仅为参考值，具体还需根据实际情况而定，如果要加快走板速度，那么就应当将预热的温度相应提高；面板运行链条和面板与焊接面的倾角需要与锡液形成30°～45°的角，这样才能在走板当中保证面板上的小元件与锡液之间形成多个切点，如果接触面较大或者没有一定倾角或者倾角过小，则容易造成锡液与焊接面产生气泡，飞溅出锡珠。波峰焊当中还要关注的是风刀的力度，让其能够吹去多余的焊锡及助焊剂等，能够让助焊剂均匀地涂抹在零件上。风刀的倾角一般为10°左右，过大或过小都会导致面板焊剂过多或涂抹不均匀，影响发热管寿命和炸锡现象。

3.3 手工焊接中产生“锡珠”出现原因及防控

手工焊接当中出现锡珠的主要原因是焊剂在加热导体未完全移开焊盘时完全蒸发，导致焊盘上的锡膏流动性极差，烙铁抽出后会形成尖角或柱状，甚至在焊点内形成气泡。这时就需要焊接人员正确把握焊接时间和位置，添加适量焊锡和助焊剂。

4 结语

由此可知，在电子焊接制程当中，需要从焊接材料、焊接方式、焊接工艺等多方面改进，预防控制锡珠的产生。

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[7]史建卫.无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施[J].电子工艺技术，2008（5）：305-307，310.

Analysis of prevention and control measures and courses of producing solder ball in electronic welding process

Li Xinman
（Tongling Sanjia Transformer Polytron Technology Inc., Tongling 244000, China）

In the process of welding in the electronic components of the integrated circuit, in order to improve the welding efficiency and enhance the function of integrated circuit, more and more electronic welding processes directly work without cleaning, it will make the integrated circuit board after welding to produce solder ball, which not only needs to wash again, but also causes the short circuit phenomenon of circuit board. Based on standard form analysis of the solder ball in electronic welding process, this paper discussed courses and control measures of producing solder ball in the SMT welding and soldering process.

electronic welding; solder ball; SMT welding; circuit

李新满（1968— ），男，安徽铜陵，硕士，工程师；研究方向：电子变压器设计，工艺技术。