最新焊锡问题之解决.docx

1、最新焊锡问题之解决焊錫問題之解決對策TROUBLE-SHOOTING THE PRINTED CIRCUITS 目 錄 TABLE OF CONTENTS 第 一 篇 簡 介( INTRODUCTION )1問題解決之概論 ( TROUBLE-SHOOTING OUTLINE ) 2 潤焊不良 ( NON-WETTING & POOR WETTING ) 3潤焊不均勻 ( DEWETTING ) 4錫球-錫波焊接 ( SOLDER BALLS FROM WAVE SOLDERING ) 5. 泠 焊 ( COLD SOLDER JOINTS ) 6焊點不完整焊孔錫不足及貫穿孔壁潤焊不良( IN

2、COMPLETE FILLETS, UNFILLED HOLES,& POOR SOLDER RISE ) 7吃錫過剩(包錫) ( EXCESS SOLDER ) 8. 冰 柱 ( ICICLING ) 9. 架 橋 ( BRIDGING ) 10錫和零件的短路 ( SOLDER & COMPONENT SHORT CIRCUITS )FOTOTEK LABORATORY簡 介INTRODUCTION需要補焊的不良焊點是一個複雜的主題。首先須判斷設計不良焊接性問題焊錫材料無效或是處理過程及設備的問題。此外技術及檢驗標準往往也會造成不必要的補焊。因爲每個電子工業所需要設立的焊錫作業及品質標準不盡

3、相同在此將不列入討論範圍之內。很多被認爲不良的焊點事實上是沒有問題的。只不過太多廣被認同的檢驗標準錯誤的強調焊點的美觀而忽略了它的功能如此一來也造成了這項工業上一筆龐大而不合理的補焊費用。切記 補焊並不一定能改善品質。 在我們將假設PC板的設計材料的選擇及焊接的前過程均沒有問題而只針對焊錫過程技術上所出現的問題來做一番探討。有關特殊的焊錫問題及建議性的解答將會列舉於本課程中。雖然許多焊錫問題有重復的模式可循但每家電子公司所面臨問題仍不完全相同因此將沒有所謂“標準答案”。本公司在此提供多年來的經驗累積以供參考但使用者還是必須針對個別的問題去做適當的處理。FOTOTEK INC.1.問題解決之概論

4、TROUBLE-SHOOTING OUTLINE當問題發生時首先必須檢查的是製造過程的“基本條件”。我們將它歸類爲以下三大因素1.1材料問題這些包括焊錫的化學材料如助焊劑油錫清潔材料還有PCB的包覆材料。如防氧化樹脂暫時或永久性的防焊油墨及印刷油墨等。1.2焊錫性的不良這涉及所有的焊錫表面像零件(包括表面粘著的零件/SMT零件)PBC及電鍍貫穿孔都必須被列入考慮。1.3生産設備的偏差包括機器設備和維修的偏差以及外來的因素溫度輸送帶的速度和角度還有浸泡的深度等等是和機器有直接關係的變數。除此之外通風氣壓之降低和電壓的孌化等等之外來因素也都必須被列入分析的範圍之內。每個問題皆有它不同之處不能一概而

5、論。以下是一系列標準的檢查步驟。可以幫忙您找出問題的來源。步驟一焊錫流程中變數最小的應屬於機器設備因此第一個檢查它們爲了達到檢查的正確性可用獨立的電子議器輔助比如用溫度計檢測各項溫度用電錶精確的校正機器參數。從實際作業及記錄中找出最適宜的操作條件。注意在任何情況下儘量不要想調整機器設備來克服一些短暫的焊錫問題這樣的調整可能會尋致更大的問題發生步驟二接下來檢查所有的焊錫材料。助焊劑的比重透明度顔色離子含量等及錫鉛合金的純度這是一項持續的工作定期檢查加上不定期抽檢都有助於其品質的確保。步驟三PBC及零件的焊錫性不良是造成焊錫問題最大的因素。研究PBC之焊錫問題必須先把其祂可能發生的變數固定或隔離然

6、後逐一探討。例如當零件腳發生焊錫不良時可以先鎖定其祂變數只針對這些焊錫不良的零件腳徹底比較與分析這種方式的追蹤問題的來源很快就會明朗步驟四檢查貫穿孔(PTH)的品質沖孔鑽孔等缺點可以放大這設備看出貫穿孔表面是否平整乾淨或是有其祂雜質斷列或電鍍的厚度標不標準。追查焊錫問題的過程中原理和觀念正確外步驟是非常重要的。如何以比較及分析的步驟有效的找出問題所在是電子工程人員最大的課題。 2潤焊不良(潤濕不良) NON-WETTING & POOR WETTING焊錫性的良否取決於被焊錫物是否能得到良好的潤焊(wetting)所以焊點的品也就決定於潤焊的好壞。基本上焊錫能潤焊銅墊或其祂金屬而這些金屬的表面

7、不能被氧化物所覆蓋或沾到其祂雜質(如灰塵有機化合物等)潤焊不好都是被焊物表面不乾淨所造成。潤焊不良(non-wetting)和潤焊不均勻( dewetting )兩者之間因爲發生時的過程不同所以必須分別討論。潤焊不良的情況是當焊錫時錫無當法全面的包覆被焊物表面而讓焊接物表面金屬裸露這情形特別容易在裸銅板發生(圖2-1)圖中紅色圖形的裸銅佈滿整個焊錫面其圖形的週邊主要是錫的內聚力所形成。換個觀點看來潤焊不均勻是焊錫時錫有全面的覆蓋整個焊錫面即有達到潤焊的程度(圖2-2)此時被焊金屬與錫鉛合金有“金屬共熔反應”發生但是當焊接表面冷卻的過程中潤焊性開始減小而錫的內聚性開始增加原本平整的錫面因爲二者張

8、力不能平衡所以會有一部分的液態錫被拉開而以上反角度( dihedral angle )固化成球狀或珠狀。此時焊錫面只有小量的錫鉛合金真正的與被焊物表面達成金屬與金屬較厚的結合至於那些較薄錫面肉眼看來是包覆整個裸銅面但是在高能量的顯微鏡底下還是常會發現肉眼看不到的潤焊不良 ( non-wetting )現象。至於有關潤焊不均勻( dewetting )的情形第3節會有更詳細的說明。潤焊不良(non-wetting)在焊錫作業中是不能被接受的它們嚴重減低焊點的耐久性和延伸性同時也降低了焊點的導電性及導熱性。到目前爲止還沒有數理上的程式可以精確的計算出潤焊不良可被接受的範圍所以此點一旦發生必定不能被

9、接受。從另一個角度來看潤焊不良大都是助焊劑在焊接前沒有徹底的做好清除焊接面氧化膜步驟還有焊接時間的長短溫度的高低也會促使潤焊不良的發生。潤焊不良之原因在本節中所提缺點都是以下一種或多種情況造成2.1外界的污染PCB和零件都有可能被污染污染物包含油漆蠟脂等這些污染物統稱爲雜質(dirt)可以使用適當的清潔方式清除。傳統溶劑蒸氣清洗( vapor degreasers )已成功的被廣泛使用但必須選擇不傷害PBC材料的電子級溶劑避免有害物質殘留。可用水性清洗機清洗但要確定這些雜質是否溶于水。有些外界污染是源於PBC表面防焊油墨例如不良的綱板印刷程式油墨烘乾過程時油墨溢出烘乾後的防焊油墨很難去除當它沾

10、到焊接面時只能以磨擦或工具去除這種機械力的去除法普遍被使用但也較容易埋藏一些極小的粒子於PBC表面。以下將作進一步的說明。2.2埋藏粒子 Embedded Particles外來物質埋藏於焊接物表面也會影響潤焊性。在軟質的金屬表面使用磨石或研磨機很容易將硬物嵌入金屬表面這些非金屬物質顯然不能與錫鉛合金焊接也無法以助焊劑去除。某些合成材料做的刷子也會造面類似的問題。這種情況最好的處理方法是用化學藥品進行整面的蝕刻(etching)除去非金屬雜質。這些蝕刻藥劑都是很強的化學物質必須妥善管制最好能詢問PBC供應廠詳細的使用技術。2.3矽利康油 Silicone Oil矽利康油雖然如上述一點所提到是一

11、種外界的污染但因爲它獨特的性質所以在此另外討論。矽合物由於附著力強被用來當作潤滑劑或粘著劑。一旦被矽合成物污染即使薄薄的一層沒有任何溶劑可以有效的清除因此矽的合成物被認爲是焊錫潤焊的“毒藥”。造成矽污染的原因很多包裝塑膠袋由於使用矽來作爲生産脫模劑而被認爲是一大污染。近來有很多安全塑膠包裝已經改善此一問題但是還是要注意選擇。另一來源則是過錫前所塗的散熱劑。廠內矽合成物的使用雖然遠離焊錫流程但由於人員手接觸的“傳染”很快會佈滿焊錫流程所以要特別注意。目前爲止還沒有清除矽油的辦法唯一的辦法就是儘量保持乾淨和嚴格的控制。2.4嚴重氧化膜 Heavy Tarnish LayerPCB焊錫表面的氧化膜不

12、能被助焊劑徹底清除也是造成潤焊不良的來源之一。金屬表面只要接觸空氣氧化膜就會形成但是適當且合理的氧化膜可以輕易的被助焊劑清除但因爲PCB儲存不當或製造流程不良烘乾( burn in )的過程不當都會造成相當嚴重氧化讓助焊劑也莫可奈何。以下列舉一此簡單的解決方法供參考通常活性較強助焊劑可以有較強的清潔能力可以幫忙去除嚴嚴重氧化膜但活性強的助焊劑只能針對某些特殊的狀況使用並不能適合全部的PCB合使用這類“超規格”的助焊劑焊接後更要注意其殘留物對於PCB品質的影響必須有嚴格的品保及追蹤以確保産品壽命。PCB可用較強的助焊劑先進行噴錫或滾錫( pretin )的作業然後再以水或溶劑清洗即先藉由強活性助

13、焊劑去除嚴嚴重氧化膜後再以錫包覆防止氧化。可用化學溶劑進行蝕刻即用強酸類的溶液適當稀釋後擦拭氧化線路適當清洗後馬上插件過錫。使用這類溶液於PCB表面若不馬上過錫會造成PCB更嚴重的氧化過金錫後的PCB也要列表追蹤。助焊劑本身污染活性不夠或操作方式不對也不能有效的去除氧化膜所以也要列入評古。過錫時間不夠或預熱溫度不夠會使助焊劑不夠時間清除氧化膜若能延長過錫時間及加強預熱效果絕對有助於氧化膜的去除。5錫鉛合金 ( Solder Alloy )檢查錫爐內的錫鉛合金成分(看表2-3 2-4 2-5)。建立標準的焊錫流程及作業指導讓作業人員有依規循降低人爲疏失的變數。由於焊條中含有不純物質而影響之事項如

14、下銻增加少量其張力增大焊條變硬又脆而融點會升高。銅含有0.2%以上時會變硬又脆含量愈來愈多融點會愈升高。鉍高純度焊條含有0.001% 含有量增加其融點會下降。鋅含有鋅最有害處含有0.001%光澤性會消失流動性變壞。鐵含鐵有時焊條之光澤性變壞接著力會變低。鋁與鋅一樣有害尤其是流動性更壞。 TYPICAL SPECIFICATION ALLOY 60/40TYPICAL SPECIFICATION ALLOY 63/37MPURITY ELEMENTMAXIMUM IMPURITY PERCENT BY WEIGHTMPURITY ELEMENTMAXIMUM IMPURITY PERCENT B

15、Y WEIGHTTinSn600.5TinSn630.5LeadPbBalLeadPbBalSilverAg0.015SilverAg0.015AluminumAl0.005AluminumAl0.005ArsenicAs0.030ArsenicAs0.030BismuthBi0.100BismuthBi0.100CadmiumCd0.001CadmiumCd0.001CopperCu0.050CopperCu0.050LronFe0.020LronFe0.020AntimonySb0.2-0.5AntimonySb0.2-0.5ZincZn0.005ZincZn0.005Total all

16、othersTAO0.080Total all othersTAO0.080 表2 - 4 表2 53潤 焊 不 均 勻 DEWETTING 潤焊不均勻和潤焊不良( non-Wetting )(參考第二節)很類似都是焊錫品質討論時不能被接受的缺點。這種情況是當焊錫原本已經潤焊焊接物表面但經過一段時間以後部份的錫因爲不能附著而以液汰狀況堆積(圖2-2)此時錫的內聚力會把這些堆積的液態錫形成“小滴”狀使錫面不平整。在潤焊的過程中有些金屬共熔的反應會發生比如當銅鐵金銀或其祂金屬與錫鉛合金焊接後這些金屬與錫鉛合金的交界面會形成另一層新的合金( Intermetallic Compound Layer

17、) (請參考焊錫原理)這層新的合金成分與原來這些金屬成分不同也與錫鉛合金原成分不同這層新的合金愈平整愈均勻表示焊接堅牢度愈強潤焊性也愈好。造成潤焊不均勻的原因很多主要是焊接表面受污染(氧化)使焊錫不能全面的附著來進行均勻的Intermetallic compound。PCB潤焊不均勻除了裸銅板焊錫面污染外主要都來自鍍錫加工問題不是在PCB鍍錫後的鍍錫層表面而是在裸板與鍍錫之介面。這種情況可參閱(圖32)其問題同樣發生在鍍錫板因爲焊錫過程中錫的內聚力負責把平整的拉回若是焊接面受污染而造成不能均勻潤焊時此時焊接面的表面張力也會不均勻部分錫的流動力會大於錫的內聚力而使錫脫落造成不均勻的表面。當潤焊不

18、均勻時重新焊錫並無幫助因爲大部分的污染面已被錫埋住助焊劑不能作清潔的工作(pre-cleaning)所以無法達到潤焊的功能。以下的建議可友幫忙解決。把焊錫從焊接面剝離( Strip Off )在重新焊接前更要清潔表面的氧化膜。用化學溶劑剝離時不可傷害到裸銅或PCB的其祂材質才可。也可用高溫氣刀熔錫(即PCB浸在熔融錫拿出後以強力氣刀所把錫吹平)再用活性強的助焊劑來進行焊接。當此問題發生在零件腳時多次浸錫或過錫則可改善。4錫 球 SOLDER BALLS錫球和焊錫微短路( solder webbing )形成的地點不同錫球大多數發生在PCB的零件面(component side)(圖4-1)而焊

19、錫微短路則發生在焊錫面( solder side )因爲錫本身內聚力之因素使這些錫顆粒之外觀呈現球狀。它們通常隨著助焊劑固化的過程附著在PCB表面有時也會埋藏在PCB塑膠物表面如防焊油墨或印刷油墨因爲這些油墨錫時會有一段軟化過程也容易沾錫球。把錫球推擠出PCB表面的“反應機構”與吹氣孔( blow holes )(參考第二篇2節)的形成非常類似只是兩者氣體形成的時間不一樣。以錫球的個案而言焊孔內大量的氣體快速形成而急於揮發此時焊孔頂端的熔錫還未凝固所以錫球較容易從頂端沖出而不易從底端形成吹氣孔(blow holes)或錫洞( empities )。相反的以吹氣孔而言孔內氣體産生較慢且較少當要往

20、上揮發時焊孔頂端的錫已凝固所以只能從底部未幹的熔錫沖出。而形成錫洞。至於孔內氣體如何産生其來源爲何本課程第二篇3節將有更詳細的說明。大部分錫球的産生都是PCB過錫時未幹的助焊劑揮發或助焊劑含水量過高。當瞬間接觸高溫的熔融錫時氣體體積大量膨脹造成錫的爆發爆發的同時錫就被噴出而形成錫球。4.1錫球發生之原因很多助焊劑的配方中多少都會滲入少量的水但這微量的水還不致引起錫球當錫球突然發生時可能是以是原因所造成的PCB預熱不夠導致表面的助焊劑未幹。助焊劑配方中含水量過高。不良的貫穿孔(PTH)工廠環境度過濕高。4.2濕氣及水氣的來源焊接過程中濕氣或水氣過多可能來自以下幾項原因滿裝的助焊劑桶(200或20

21、1)曝露在雨中時水氣會聚集在開口周圍當溫度變化時會把水氣從鬆動的開口處吸入桶內所以有遮避的倉庫及隨時檢查助焊劑桶的開口是否緊閉對助焊劑的儲存是很重要的。在發泡過程空氣壓縮機會夾帶大量的水氣及油污進入發泡槽內所以加裝水篩檢程式( trap or filter )隨時保養檢查是必要的工作。製造流程中要注意是否有濕的零件或工具參與其中要儘量避免。使用氣刀( air knife )作業除了幫忙預熱之不足外更可預防夾具( finger )夾帶水分回來而污染發泡槽。錫球發生時修補的程式和焊錫微短路( webbing )相同只是零件面有很多零件阻擋更難以刷子的方式去除。檢查時更需小心零件下面的錫球因爲它們常

22、隱藏起來不易發現( 參考第10節 )。錫球是焊錫過程中任何時間都可能發生的缺點造成信賴度嚴重的傷害。爲了避免它預防是唯一可靠的方法。 5泠 焊 COLD SOLDER JOINTS冷焊的定義是焊點表面不平滑如“破碎玻璃”的表面一般。泠焊是焊點凝固過程中零件與PCB相互的移動所形成(圖5-1)這種相互移動的動作影響錫鉛合金該有的結晶過程降低了整個合金的強度。當泠焊嚴重時焊點表面甚至會有細微裂縫或斷裂的情況發生。5.1造成泠焊的原因會造成泠焊的原因有下列幾種來源輸送軌道的皮帶振動。機械軸承或馬達轉動不平衡。抽風設備或電扇太強。PCB已經流過輸送軌道出口錫還未幹。補焊人員的作業疏失。PCB過錫後保持

23、輸送軌道的平穩讓錫鉛合金固化的過程中得到完美的結晶即能解決泠焊的的困擾。當泠焊接發生時可用補焊的方式整修若冷焊嚴重時則可考慮重新過一次錫。有關於零件的振動而影響焊點的固化使焊點表面不平整或外形不完全的情況廠內的品質單位必須建立一套焊點外觀標準讓參與焊錫的作業人員有判斷的依據。6焊 點 不 完 整 INCOMPLETE FILLETS焊點不完整在電子界流傳使用的名稱很多如吹氣孔(blow holes) 針孔(pin holes)錫落( drop-outs )或空洞(empties)。在往後的課程中(第二篇)我們將分別的討論這些缺點並依其不同的特性來整合我們的“術語”。所以焊點不完整可以分爲焊孔錫

24、不足或貫穿孔壁潤焊不良二類來加以定義。6.1焊孔錫不足 Unfilled Holes在單層板雙層板多層板焊點四周3600都沒有被錫包覆(圖6-1)6.2貫穿孔潤焊不良 Poor Solder Rise錫沒有完全潤焊到孔壁頂端。此情況只發生在雙重或多重板(PTH)(圖6-2)。當新的PCB設計完成第一過次錫時此問題的追蹤將更加複雜。若是設計完整生産已經很穩定的PCB及焊錫流程突然發現這些問題可循以下的專案逐一檢查改善。但討論以下的專案以前必須先完成機器及材料的檢查例如高溫速度助焊劑鉛錫合金等確定問題不是來自機器及材料時則可循下列專案再做檢查。焊孔錫不足發生原因可歸類如下零件及PCB本身的焊錫性不

25、良。防焊油墨流入貫穿內或沾到銅墊表面(單層板)。零件孔及零件腳的比率不正確。錫波不穩定或輸送帶振動。貫穿孔壁潤焊不良零件及PCB本身焊錫性不良。貫穿孔壁有斷裂或有雜物殘留。貫穿孔受到污染。防焊油墨流入貫穿孔內。助焊劑因過度受熱而沒有活性。當以上這些問題發生在某幾批零件或PCB時可以查看並比較其祂批次的零件或PCB找出其差異性或注意其上游廠商的製造流程是否有更動。當問題重復發季生在某些特定的零件時可能是當初的設計沒有考慮熱平衡問題。即PCB焊點的溫度分佈不均衡所致。從這觀點中可以瞭解多層板( multiplayer boards )更須要特別的預熱處理熱量尤其要傳到貫穿孔頂端因爲若有焊點不完整的

26、情況時以多層板而言必將不能被接受。至於貫穿孔的錫位高度各廠視産品的要求應該要有自己的標準。以雙層板而言IPC規定貫穿孔頂點的錫位高度可以允許25%的下落(以PCB的厚度爲標準)但雖然下落25%其貫穿孔壁四周必須完全潤焊才算通過。若以多層板而言很多廠商則規定貫穿孔必須完全補懣才可。7吃 錫 過 剩 一 包 錫 EXCESS SOLDER包錫的定義是焊點的四周被過多的錫包覆而不能斷定其是否爲標準焊點(圖7-1)。過多的錫隱藏了焊點和PCB間潤焊(wetting)的曲度它可能覆蓋了零件腳該露出之部分使肉眼看不到。而且包錫並不能加強焊接物的堅牢度或導電度只是浪費錫罷了。每間電子公司必須有一套適合自己産

27、品或焊錫流程的作業指南其中必須規定每一顆焊點最大的吃錫量。總焊點的表面頂端及底部必須潤焊良好成弧度標準的錐狀(焊錫帶)。7.1造 成 包 錫 的 原 因過錫的深度不正確。預熱或錫溫不足。助焊劑活性與比重的選擇不當。PCB及零件焊錫性不良。不適合的油脂物夾混在焊錫流程。錫的成份不標準或已經嚴重污染。當發現包錫時必須把它排除最有效率的方法是再一次錫但必須讓PCB靜置46小時讓PCB的樹脂結構能灰複強度。若太快過兩次錫則會造成熱破壞( heat damage) 。包錫的發生會嚴重影響産品的信賴度。它會掩蓋焊錫的缺點不論在機構強度電器特性或標準外觀都會造成令人頭疼的問題。所以沒有任何焊錫標準能允許嚴重

28、的包錫發生。8 冰 柱 ICICLING冰柱這名詞可以非常貼切的形容焊點形狀(圖8-1)其發生的原因是當熔融錫接被觸焊物時因爲度大量流失而急速冷卻來不及達成潤焊(wetting)的任務而拉成尖銳如冰柱之形狀。它們常發生在錫波焊接( wave solder )浸錫焊接(dip solder )及手焊接( touch up )的流程。發生點包括焊點焊接面零件腳甚至也發生在浸錫的設備或工具。因爲不同的焊接流程其造成的原因可歸類如下8.1手 焊當用烙鐵手焊時焊點及烙鐵尖端有“小旗”狀的發生這情況是因爲溫度傳導不均造成錫的急劇泠卻所致也就是烙鐵的“熱量”不夠。解決的方法並不是一味的加高烙鐵的溫度應該採用

29、相同的溫度但熱供應更大的烙鐵即熱含量較高溫度穩定的烙鐵或改用接觸面較大的烙鐵頭。烙鐵尖端保持乾淨適當的焊條正確的手焊技朮也有助於解決冰柱的問題。8.2錫波焊及浸錫焊接以自動錫爐焊錫所造成的冰柱其原因相當複雜除了溫度傳導問題外其祂如焊錫性設計及機器設備也會影響以下讓我們逐一討論A.溫度傳導機器設備或使用工具溫度輸出不均衡。PCB表面太大的焊接面設計或密集焊接物過錫時會局部吸熱造成熱傳不均。太重的金屬零件吸熱。焊 錫 性PCB或零件本身的焊錫性不良。助焊劑的活性不夠不足以潤焊。設 計零件腳與零件孔的比率不正確。沒插零件的貫穿孔(PTH)太大。PCB表面焊接區域太大時造成表面熔錫凝固慢流動性大。機 器 設 備PCB過錫太深。錫波流動不穩定。手動或自進動錫爐的錫面有錫渣或浮懸物。B.解決冰柱的方法首先須判斷其來源。溫度傳導及機器設備的問題可以用檢測的方式調整。設計的問題則必須改善原始設計或以手焊來克服。至於焊錫性不良則必須用其祂方法解決( 參考第1節 )。9 架 橋 BRIDGING架橋發生時會造成PCB短路其原因可能