元器件、PCB、焊料、助焊劑、工藝參數、其他輔助材料等都可能導致潤濕不良,焊接的時間與溫度也可導致擴散不良。那么它們是怎么影響焊接過程的?換句話說,它們是如何導致焊點缺陷的呢?要做好焊點的分析,還需要先介紹焊點缺陷與原因之間的關系,以及這背后的機理。
對于元器件而言,只要它的可焊性不良,就極可能導致焊點虛焊或其他缺陷,除非助焊劑的活性足夠強可掩蓋這一缺陷, 否則這種不良就馬上顯現出來。但是我們也知道,如果助焊劑的活性過強,將會帶來對焊點的腐蝕的風險。那么導致元器件可焊性不良的原因又有哪些呢?首先,如果弓|線腳的表面有污染或氧化,焊料對它的潤濕就難以進行;還有,如果弓|線腳的可焊性鍍層的質量不好,比如鍍層太薄或疏松多孔,疏松多孔的鍍層具有非常大的比表面積,很容易氧化,它本身也保護不了基材。另外,太薄的鍍層極容易在焊接的時候溶入焊料中,最后導致反潤濕現象出現。不過,這種情況比起本身氧化比較容易區(qū)別。此外,如果是多引線腳的元器件,且某一腳的共面性不好,也將會導致虛焊的問題,這種原因導致的缺陷可以通過測量比較各引線腳與焊盤之間的距離來做出判斷。
如果是PCB不良導致的焊點缺陷,可能的原因與元器件的非常類似,因為PCB焊盤與元器件的引線腳都是被焊面。對于PCB來說,焊盤的共面性問題就是焊接前后的翹曲度過大了。但是,與元器件腳的可焊性鍍層相比,PCB的可焊性鍍層(或表面處理)的種類就多了很多,比如有熱風整平的(例如SnP、SnCu或SnCuAg合金),有OSP( 有機可焊性保護層)的,還有化學鎳金(ENIG)的、浸銀的(ImAg)、浸錫的、電鍍鎳金的等,不一而足。因此,在分析焊盤質量問題導致的焊點失效時,要特別認清每種表面處理的特點。這些表面處理的各自的特點以及與焊料的兼容性在后面都將會介紹。
隨著電子產品的小型化與無鉛化,同時由于ENIG突出的簡單工藝以及成本控制方便,還有可焊性好和平整度好的特點,越來越多的產品使用ENIG表面處理的PCB。但是如果出現質量問題,它的危害卻是非常隱蔽,一般不易覺察,一旦發(fā)現問題時大多已經遲了,已經造成損失了。原因是,ENIG的工藝簡單,一般是在銅焊盤上自催化化學鍍鎳,再利用新鮮鎳的活性,將鍍好鎳的焊盤浸入酸性的金水中,通過化學置換反應將金從溶液中置換還原到焊盤表面而表面部分的鎳則溶入金水中,這樣只要置換上來的金將鎳層覆蓋,則反應自動停止,這時的鍍金層往往只有~0.05μ m厚,也就是說ENIG的工藝比較容易控制且成本相對較低(與電鍍鎳金相比)。關鍵取決于藥水的配方和維護。這層表面薄薄的金層只能起著對鎳的保護作用,一旦保護不了鎳而導致鐵鎳腐蝕氧化了,此時表面還是金光閃閃的金子,則非常容易欺騙用戶。因為,真正需要焊接形成金屬間化合物的是鎳而不是金,金子在焊接一開始就溶解到焊料中去了,留下的鎳如果因為氧化或腐蝕不能浸潤,就必然導致虛焊假焊的結果。因此,加強ENIG表面處理的PCB的質量檢查是非常必要的。此外PCB自身的互連也有質量與可靠性問題。如耐熱性不足導致焊接時爆板以及通孔斷裂等。
焊料質量問題導致的焊點不良主要是由于其合金組成與設計不符,以及雜質含量過高,或不正確的使用導致焊料合金的氧化嚴重。合金的比例超差主要影響焊料的表面張力以及熔點,如果張力變大或熔點增高,必然會造成焊料的潤濕性變差,形成的缺陷焊點就會增加,雜質含量也會明顯影響焊料的性能。由于焊料合金中的組成以及雜質含量對焊料的成本影響非常大,在原材料普遍漲價的今天,一些不良的焊料供應商將會利用這個不容易覺察的指標來蒙騙消費者,特別是使用大功率的電烙鐵的焊錫絲,實際的化學成分與聲稱的經常不符,需要用戶適當提高警惕。
助焊劑因素對焊點質量的影響,主要集中在它的殘留物的高腐蝕性、低的表面絕緣電阻以及低助焊能力等方面。助焊劑中的活性成分特別是其中的鹵素離子與酸性的離子,如果在焊接以后揮發(fā)不盡而殘留在焊點周圍,在吸濕后將會嚴重地腐蝕焊點,乃至整個線路板,可導致大面積的漏電現象。有些助焊劑含有過多的吸濕性物質,焊后漏電的情況非常普遍。而另外一部分助焊劑由于擔心漏電,或為了達到“免洗”的效果,僅添加很少活性物質以致助焊能力下降,甚至起不到助焊劑的作用,這樣往往會造成大面積的焊接不良產生。助焊劑導致的焊接問題有一個顯著特點,那就是問題往往出在使用了這一批助焊劑的產品上,而不是某個樣板或某個焊點區(qū)域。
對于工藝參數設置不當造成的焊點不良,在前面幾期分享中有較多的論述。在正式的工藝生產之前,這些工藝造成的焊點缺陷般可以通過工藝優(yōu)化得到解決。而工藝優(yōu)化的許多依據也是來自于對焊點的切片分析或失效分析。一般來講, 焊接組裝工藝的核心是熱的管理問題,特別是無鉛工藝的實施,什么時候該到什么溫度、板面溫差如何減小、最高的回流溫度是多少等都涉及熱的有效管理,而管理的依據則應該參考焊點的表面特征以及焊點切片界面的金屬間化合物的特征。金屬間化合物過厚則說明用熱過頭,金屬間化合物太薄則說明熱不充分,這些都可以通過調整回流的時間與溫度來實現;如果焊點表面啞光,則說明或錫膏配方問題,或焊接時間太長或冷卻速度過慢等;如果通孔爬升不足,除了與元器件、PCB有關以外,更多地與工藝中的預熱不足有關,凡此種種,不勝枚舉,無論如何焊點缺陷的癥狀與工藝參數都會有相當的關聯。
A little bit of information per issue