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导致焊点缺陷的主要原因与机理分析

日期: 2022-05-21 点击: 273

元器件、PCB、焊料、助焊剂、工艺参数、其他辅助材料等都可能导致润湿不良,焊接的时间与温度也可导致扩散不良。那么它们是怎么影响焊接过程的?换句话说,它们是如何导致焊点缺陷的呢?要做好焊点的分析,还需要先介绍焊点缺陷与原因之间的关系,以及这背后的机理。

对于元器件而言,只要它的可焊性不良,就极可能导致焊点虚焊或其他缺陷,除非助焊剂的活性足够强可掩盖这一缺陷, 否则这种不良就马上显现出来。但是我们也知道,如果助焊剂的活性过强,将会带来对焊点的腐蚀的风险。那么导致元器件可焊性不良的原因又有哪些呢?首先,如果弓|线脚的表面有污染或氧化,焊料对它的润湿就难以进行;还有,如果弓|线脚的可焊性镀层的质量不好,比如镀层太薄或疏松多孔,疏松多孔的镀层具有非常大的比表面积,很容易氧化,它本身也保护不了基材。另外,太薄的镀层极容易在焊接的时候溶入焊料中,最后导致反润湿现象出现。不过,这种情况比起本身氧化比较容易区别。此外,如果是多引线脚的元器件,且某一脚的共面性不好,也将会导致虚焊的问题,这种原因导致的缺陷可以通过测量比较各引线脚与焊盘之间的距离来做出判断。

如果是PCB不良导致的焊点缺陷,可能的原因与元器件的非常类似,因为PCB焊盘与元器件的引线脚都是被焊面。对于PCB来说,焊盘的共面性问题就是焊接前后的翘曲度过大了。但是,与元器件脚的可焊性镀层相比,PCB的可焊性镀层(或表面处理)的种类就多了很多,比如有热风整平的(例如SnP、SnCu或SnCuAg合金),有OSP( 有机可焊性保护层)的,还有化学镍金(ENIG)的、浸银的(ImAg)、浸锡的、电镀镍金的等,不一而足。因此,在分析焊盘质量问题导致的焊点失效时,要特别认清每种表面处理的特点。这些表面处理的各自的特点以及与焊料的兼容性在后面都将会介绍。

随着电子产品的小型化与无铅化,同时由于ENIG突出的简单工艺以及成本控制方便,还有可焊性好和平整度好的特点,越来越多的产品使用ENIG表面处理的PCB。但是如果出现质量问题,它的危害却是非常隐蔽,一般不易觉察,一旦发现问题时大多已经迟了,已经造成损失了。原因是,ENIG的工艺简单,一般是在铜焊盘上自催化化学镀镍,再利用新鲜镍的活性,将镀好镍的焊盘浸入酸性的金水中,通过化学置换反应将金从溶液中置换还原到焊盘表面而表面部分的镍则溶入金水中,这样只要置换上来的金将镍层覆盖,则反应自动停止,这时的镀金层往往只有~0.05μ m厚,也就是说ENIG的工艺比较容易控制且成本相对较低(与电镀镍金相比)。关键取决于药水的配方和维护。这层表面薄薄的金层只能起着对镍的保护作用,一旦保护不了镍而导致铁镍腐蚀氧化了,此时表面还是金光闪闪的金子,则非常容易欺骗用户。因为,真正需要焊接形成金属间化合物的是镍而不是金,金子在焊接一开始就溶解到焊料中去了,留下的镍如果因为氧化或腐蚀不能浸润,就必然导致虚焊假焊的结果。因此,加强ENIG表面处理的PCB的质量检查是非常必要的。此外PCB自身的互连也有质量与可靠性问题。如耐热性不足导致焊接时爆板以及通孔断裂等。

焊料质量问题导致的焊点不良主要是由于其合金组成与设计不符,以及杂质含量过高,或不正确的使用导致焊料合金的氧化严重。合金的比例超差主要影响焊料的表面张力以及熔点,如果张力变大或熔点增高,必然会造成焊料的润湿性变差,形成的缺陷焊点就会增加,杂质含量也会明显影响焊料的性能。由于焊料合金中的组成以及杂质含量对焊料的成本影响非常大,在原材料普遍涨价的今天,一些不良的焊料供应商将会利用这个不容易觉察的指标来蒙骗消费者,特别是使用大功率的电烙铁的焊锡丝,实际的化学成分与声称的经常不符,需要用户适当提高警惕。

助焊剂因素对焊点质量的影响,主要集中在它的残留物的高腐蚀性、低的表面绝缘电阻以及低助焊能力等方面。助焊剂中的活性成分特别是其中的卤素离子与酸性的离子,如果在焊接以后挥发不尽而残留在焊点周围,在吸湿后将会严重地腐蚀焊点,乃至整个线路板,可导致大面积的漏电现象。有些助焊剂含有过多的吸湿性物质,焊后漏电的情况非常普遍。而另外一部分助焊剂由于担心漏电,或为了达到“免洗”的效果,仅添加很少活性物质以致助焊能力下降,甚至起不到助焊剂的作用,这样往往会造成大面积的焊接不良产生。助焊剂导致的焊接问题有一个显著特点,那就是问题往往出在使用了这一批助焊剂的产品上,而不是某个样板或某个焊点区域。

对于工艺参数设置不当造成的焊点不良,在前面几期分享中有较多的论述。在正式的工艺生产之前,这些工艺造成的焊点缺陷般可以通过工艺优化得到解决。而工艺优化的许多依据也是来自于对焊点的切片分析或失效分析。一般来讲, 焊接组装工艺的核心是热的管理问题,特别是无铅工艺的实施,什么时候该到什么温度、板面温差如何减小、最高的回流温度是多少等都涉及热的有效管理,而管理的依据则应该参考焊点的表面特征以及焊点切片界面的金属间化合物的特征。金属间化合物过厚则说明用热过头,金属间化合物太薄则说明热不充分,这些都可以通过调整回流的时间与温度来实现;如果焊点表面哑光,则说明或锡膏配方问题,或焊接时间太长或冷却速度过慢等;如果通孔爬升不足,除了与元器件、PCB有关以外,更多地与工艺中的预热不足有关,凡此种种,不胜枚举,无论如何焊点缺陷的症状与工艺参数都会有相当的关联。

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