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无铅锡膏的应用与评监

诚如业者所知, 锡膏主要由锡粉与助焊膏混合而成. 助焊剂在此有四大功能--- (1)作为锡粉颗粒的载体, 调解锡膏物理特性如流动性等, 协助印刷成型 (2)去除焊接界面氧化物, 助焊 (3)焊接过程中形成保护层, 防止再氧化 (4)提供临时固定力, 确保回流焊前零件处於适当位置. 锡粉是形成焊点的金属体, 呈球状(请参考锡粉放大图片). 下面就锡膏之锡粉制造及品质鉴定做阐述.

方案概述

锡粉制造及检验

诚如业者所知, 锡膏主要由锡粉与助焊膏混合而成. 助焊剂在此有四大功能--- (1)作为锡粉颗粒的载体, 调解锡膏物理特性如流动性等, 协助印刷成型 (2)去除焊接界面氧化物, 助焊 (3)焊接过程中形成保护层, 防止再氧化 (4)提供临时固定力, 确保回流焊前零件处於适当位置. 锡粉是形成焊点的金属体, 呈球状(请参考锡粉放大图片). 下面就锡膏之锡粉制造及品质鉴定做阐述.

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目前业界锡粉制造(俗称喷粉)主要有两种模式: 离心式和超声波式. 日式主要採用离心式喷粉作业, 其工作原理是将金属以既定比率如无铅 Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 配料, 尔后投入熔炉内熔化成液态金属, 将液态金属控制流量流落於高速旋转盘上, 高速旋转盘通过旋转产生的离心力将液态金属甩离出去形成一个个小球, 小球在惰性气体环境下快速冷却, 形成球状锡粉颗粒. 超声波方式则是使用超声波将旋转盘上的液态金属振动形成球状锡粉颗粒. 锡粉颗粒再通过筛网筛选, 形成最终锡膏需要之锡粉.

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整个锡粉制造分级(筛粉)过程中, 影响其品质的主要有以下几个环节:

一 合金配比是否準确. 一般锡粉厂在合金原材料添加时均有管控, 但合金熔化后因上部形成锡渣要打捞清除, 而锡渣内各金属比率差异一般较大, 从而导致合金比率有些许出入. 管控严谨的业者在熔化后会测量其合金成分合格后再制造成合金条以备用. 此过程直接影响锡膏熔点. SMT 工厂具备检测实力则可以通过检测锡粉合金比率以确认或以 JIS-Z-3198Part1 测定合金熔点. 若採用合金熔点差异较大之锡粉, 回流焊制程中会出现焊点粗糙, 熔锡不完整的现象. 回流焊温度曲线需经常变动, 制程参数无法稳定.

二 喷粉过程中锡粉形状是锡粉品质的另一关键指标. JIS-Z-3284 中规定, 锡粉颗粒长宽比小於 1.2 的称谓真球状锡粉,反之则称谓不定形锡粉. 而锡粉形状直接影响锡膏使用性能---印刷性. 下面是常见不良锡粉形状, 供参考.


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锡粉的不固定形让SMT业者莫名其妙, 採用不定形锡粉之锡膏作业中极易发生钢板塞孔及锡膏成型不良从而造成印刷不良. 而不定形锡粉在 SMT 日常生产过程中并不易发现. 对於国际性制造业者, 因设备仪器资源丰厚, 检测控制锡膏锡粉品质并不困难. 一般工厂可以採用 20 倍以上显微镜做观察. 简易操作方法为:

(1)准备两条透明玻璃片, 使用 IPA 溶剂清洗干净

(2)取少量锡膏于一玻璃片上, 滴加适量 IPA 在锡膏上

(3)轻轻将另一玻璃片盖于锡膏上.

(4)将玻璃片放置于显微镜下观察锡粉颗粒形状及粒径分佈状况

三 锡粉分级后锡粉粒径分佈是另一影响锡膏品质的关键所在. 锡粉粒径应呈正态分佈, 且锡粉尺寸集中在中心尺寸较

理想. 但实际锡粉筛选分级过程控制较困难, 故而实际锡粉粒径分佈较分散. 下面是实测锡粉粒径分佈图, 供参考.

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四 锡粉的氧化度控制. 锡粉氧化在锡粉与助焊膏混合搅拌前随时发生. 焊锡熔熔后喷粉环境中氧气含量的控制是一管控参数. 筛粉制程是一管控点. 分状保存也是一个控制点. 锡粉助焊膏搅拌混合制程也是一管控点. 整体锡粉氧化度不得超

过 0.1%, 日本部份业者可以控制在 0.05%以下. 锡粉氧化度直接影响 SMT 制程中小锡珠的产生量. 锡粉氧化度测定可以通过专用设备及程序完成, 也可以通过日常的锡珠试验做检定. 锡珠试验在一般锡膏厂均可以做到,在此不再赘述.

无铅锡膏助焊剂的误区

Leadfree 制程的切入过程制造业者遇到诸多异常, 最常见的焊接性不良有二, 一者为焊点中 Void 较大, 一者为焊锡性不良造成不接合. 究其根本都和锡膏内助焊剂相关. SMT 制造业者在评估无铅制程相关参数时, 重点多半放在焊锡熔点升高面, 是以在设定Reflow 温度曲线时为避免产生冷焊而尽量拉高温度接近中上限. 锡膏制造厂家初期生产无铅锡膏时考量到焊锡熔点提升从而回流焊温度升高, 会消耗掉更多的助焊剂, 因而无铅锡膏内助焊剂含量较有铅高. 然而实际生产过程条件相当复杂: 部份厂家採用 8 对加热区炉体, 部份厂家採用 10 对加热区炉体, 有的採用 12 对加热区炉体, 有的还採用热风与 IR 加热共存模式… 结果有的制造业者发现 Void 较有铅多, 有的发现焊接不接合, 于是调整回流焊温度再升高. 然而助益不大, 异常并未消除. 下面附件是 BGA 锡球与焊锡不接合图片, 供参考. 对于此不良,一些业者说助焊剂含量应再提高, 有的业者认为应降低; 部份业者认为回流焊温度应再升高, 也有业者认为温度太高, 应该降低; 部份业者认为回流焊均温区(Soaking zone)时间应加长, 另一些业者认为要缩短均温时间. 还有机械出身的 SMT 业者试图用机械理论解释此不良现象---焊锡不接合是因为在回流焊制程中当焊锡熔化时 PCB 变形凹陷, 造成焊锡无法与熔熔的 BGA 锡球接触, 当 BGA 锡球与焊锡接触时已经快冷却从而造成焊接不接合现象. 此类解释实在是牵强附会, 毫无逻辑. 更可怕的是以此理论指导生产无疑缘木求鱼, 沙漠垂钓.


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从右上图可以看出, 焊锡熔化正常, 熔化后因表面张力作用隆起尽力呈半球状; BGA 锡球有正常熔化, 因锡球形状已经挤压偏向右边(正常应如红线所示形状). 部份业者认为焊锡温度不足, 焊接时间太短, 于是调整 Reflow 温度曲线增加回流焊时间, 升高温度, 但结果并未克服此不良. 那么是何原因造成此焊接不良的呢? 这也正是无铅焊锡的一个误区. 众所周知回流焊温度曲线如下图, 各区间内锡膏的变化标示如图.

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因无铅焊锡熔点较高, 整体温度较有铅提升 30 O C 以上. 当焊锡在进入 Reflow Zone 时理论上锡膏内应含有相当量溶剂及助焊物质. Reflow Zone 时松香除了维持焊锡与 PCB pad 间的可焊性, 还要清除 BGA 锡球表面的氧化层, 协助焊锡突破 BGA锡球表面氧化层以达成焊锡与锡球接合的目的. 而初期锡膏製造商仅仅考虑熔点提高需消耗掉更多助焊剂从而加大助焊剂的含量在锡膏内. 但助焊剂内溶剂沸点未改变, 当锡膏在进入Reflow zone时助焊剂几乎消耗殆尽, 无法100%协助焊锡突破锡球表面氧化层完成焊点接合. 当 Soaking zone时间过短时, Reflow zone内溶剂无法及时排出又造成 Void. 同时, 当锡膏助

焊剂内溶剂过早消耗殆尽, 焊锡熔化后因流动性不足造成气体不宜排出从而造成 Void 增多. 此时提升温度 增加焊锡时间并不能克服此问题, 甚者会出现更多不良. 对此不良现象, 日本千住(Senju)做了相当多的研究工作并成功开发出高沸点溶剂的无铅焊锡膏. 目前业界内无铅制程品质也渐渐稳定, 一者靠锡膏的品质改善, 二者製造业者在生產中渐渐找到较适合自己公司环境的温度曲线. 在此提醒业者, 当使用固有锡膏无法得到满意的效果时不妨试试其它锡膏, 也许会找到更适合自己公司制程的锡膏.

锡膏制造业者的真正竞争力也是在助焊剂的研发制造上. 目前业界有专业代工喷粉的公司但鲜有代工研发助焊剂的公司. 而锡膏的附加价值也多半在助焊剂上, 正所谓贵者不易, 遍及者贱.

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