回流焊常見缺陷概述與電路板回流焊后清洗介紹

合明科技發布時間：2024-11-21 ?? 2022 Tags：回流焊常見缺陷 PCBA電路板回流焊后清洗

回流焊常見缺陷概述

回流焊過程中可能出現多種缺陷，這些缺陷受多種因素影響，包括設備、工藝、材料等方面。以下是一些常見的缺陷：

一、焊接不良相關的缺陷

（一）立碑現象（曼哈頓現象）

在回流焊工藝中，片式元器件常出現一端焊接在焊盤上，而另一端翹立的情況，這就是立碑現象，也被稱為曼哈頓現象。其根本原因是元器件兩邊的潤濕力不平衡，從而導致兩端的力矩不平衡。

焊盤設計與布局不合理：如果元器件的兩邊焊盤之一與地線相連接，或者有一側焊盤面積過大，就會造成焊盤兩端熱容量不均勻。而且PCB表面各處的溫差過大也會致使元器件焊盤兩邊吸熱不均勻，像大型器件QFP、BGA、散熱器周圍的小型片式元器件焊盤兩端容易出現溫度不均勻現象，這些情況都會導致立碑現象的發生。例如在一些高密度布線的PCB板上，小型片式電容旁邊有大型的芯片散熱器件時，電容就較容易出現立碑現象。
焊錫膏與焊錫膏印刷問題：焊錫膏的活性不高或者元器件的可焊性差時，焊錫膏熔化后表面張力不一樣，也會引起焊盤潤濕力不平衡。并且兩焊盤的焊錫膏印刷量不均勻，多的一邊會因焊錫膏吸熱量增多，熔化時間滯后，進而導致潤濕力不平衡。比如在印刷過程中，模板窗口堵塞或者磨損，可能造成焊錫膏印刷量不均勻。
貼片問題：Z軸方向受力不均勻，會使元器件浸入到焊錫膏中的深度不均勻，在熔化時由于時間差而導致兩邊的潤濕力不平衡。而且元器件偏離焊盤會直接導致立碑。例如貼片機的貼裝精度不夠，就可能造成元器件在焊盤上的位置偏移，從而在回流焊時出現立碑現象。
爐溫曲線問題：對PCB加熱的工作曲線不正確，使得板面上溫差過大，通常回流焊爐爐體過短和溫區太少時就容易出現這些缺陷。比如爐溫曲線的預熱區升溫過快，可能導致元器件兩端受熱不均勻，進而引發立碑現象。
N2回流焊中的氧濃度問題：采用N2保護回流焊會增加焊料的潤濕力，但如果氧含量過低，發生立碑的現象反而增多；通常認為氧含量控制在(100 - 500)×10??mg/m3左右最為適宜。

（二）錫珠（焊料球）

錫珠是回流焊常見的缺陷之一，可分為兩類，一類出現在片式元器件一側，常為一個獨立的大球狀；另一類出現在IC引腳四周，呈分散的小珠狀。

溫度曲線不正確：回流焊曲線分為預熱、保溫、再流和冷卻四個區段。如果預熱、保溫的目的沒有達到，例如PCB表面溫度未能在60 - 90s內升到150℃，并且保溫約90s，這不僅會使PCB及元器件受到較大熱沖擊，更主要的是會導致焊錫膏的溶劑不能部分揮發，在回流焊時因溶劑太多引起飛濺，造成焊錫膏沖出焊盤而形成錫珠。例如，若預熱區升溫速率過快，溶劑快速揮發，就可能在后續過程中產生錫珠。
焊錫膏的質量問題：焊錫膏中金屬含量通常在(90±0.5)%，如果金屬含量過低會導致助焊劑成分過多，過多的助焊劑在預熱階段不易揮發就會引起飛珠。而且焊錫膏中水蒸氣和氧含量增加也會引起飛珠。比如，焊錫膏從冰箱取出后沒有足夠的恢復時間就使用，會導致水蒸氣進入；焊錫膏瓶的蓋子每次使用后未蓋緊，也會使水蒸氣進入。另外，放在模板上印制后剩余的焊錫膏如果再放回原來瓶中，會引起瓶中焊錫膏變質，從而產生錫珠。
印刷與貼片問題：在焊錫膏的印刷工藝中，由于模板與焊盤對中會發生偏移，若偏移過大則會導致焊錫浸流到焊盤外，加熱后容易出現錫珠。此外，印刷工作環境不好也會導致錫珠的生成，理想的印刷環境溫度為(25±3)℃，相對濕度為50% - 65%。貼片過程中Z軸的壓力也是引起錫珠的一項重要原因，部分貼片機Z軸頭依據元器件的厚度來定位，如Z軸高度調節不當，會引起元器件貼到PCB上的一瞬間將焊錫膏擠壓到焊盤外的現象，這部分焊錫膏會在焊接時形成錫珠，這種情況下產生的錫珠尺寸稍大。
模板的厚度與開口尺寸問題：模板厚度與開口尺寸過大，會導致焊錫膏用量增大，也會引起焊錫膏漫流到焊盤外，特別是用化學腐蝕方法制造的模板。一般模板開口面積為焊盤尺寸的90%時，會改善錫珠情況。

（三）橋接

橋接是SMT生產中常見的缺陷之一，它會引起元器件之間的短路，遇到橋接必須返修。

焊錫膏質量問題：焊錫膏中金屬含量偏高，特別是印刷時間過久后，易出現金屬含量增高，導致IC引腳橋接；焊錫膏黏度低，預熱后漫流到焊盤外；焊錫膏塌落度差，預熱后也容易漫流到焊盤外。例如在長時間的印刷過程中，隨著焊錫膏中的溶劑揮發，其黏度和塌落度等性質會發生變化，如果初始焊錫膏的性質就不太穩定，就容易在印刷后出現橋接問題。
印刷系統問題：印刷機重復精度差，對位不齊（如鋼板對位不好，PCB對位不好），致使焊錫膏印刷到焊盤外，這種情況多見于細間距QFP的生產；鋼板窗口尺寸與厚度設計不對，以及PCB焊盤設計Sn - Pb合金鍍層不均勻，導致焊錫膏量偏多，從而可能造成橋接。例如在高精度的電子設備生產中，對印刷精度要求很高，如果印刷機的對位精度只能達到毫米級，而產品要求的是微米級，就容易出現橋接缺陷。
貼放問題：貼放壓力過大，焊錫膏受壓后漫流是生產中多見的原因。另外，貼片精度不夠，元器件出現移位，IC引腳變形等也易導致橋接。例如貼片機在貼裝較大尺寸的元器件時，如果壓力設置過大，可能會使焊錫膏在引腳周圍漫流，當相鄰引腳距離較小時，就會造成橋接現象。
預熱問題：回流焊爐升溫速度過快，焊錫膏中溶劑來不及揮發，也可能導致橋接。例如在一些自動化程度較高的生產線中，如果回流焊爐的預熱區時間設置過短，升溫速度過快，就容易產生橋接缺陷。

（四）虛焊

虛焊表現為SMT元件末端焊點高度最小為元件可焊端寬度的75%或焊盤寬度的75%，最小焊點高度為焊錫高度加可焊端高度的25%，焊接面焊點浸潤至少270度，需要焊接的引腳或焊盤焊錫填充不足。

焊盤或引腳表面問題：焊盤或引腳表面的鍍層被氧化，氧化層的存在阻擋了焊錫與鍍層之間的接觸，會導致虛焊。例如在一些儲存條件較差的環境中，長時間放置的元器件引腳表面可能會氧化，從而在回流焊時出現虛焊現象。而且鍍層厚度不夠或是加工不良，很容易在組裝過程中被破壞，也會造成虛焊。比如某些低成本的元器件，其引腳鍍層較薄，在生產過程中容易磨損，進而影響焊接質量。
焊接溫度不夠：相對SnPb而言，常用無鉛焊錫合金的熔點升高且潤濕性大為下降，需要更高的焊接溫度來保證焊接質量。如果焊接溫度不夠，就可能出現虛焊。例如在一些小型的回流焊設備中，如果沒有根據使用的焊錫合金調整好合適的溫度，就容易產生虛焊現象。
預熱溫度偏低或助焊劑活性不夠：預熱溫度偏低或是助焊劑活性不夠，使得助焊劑未能有效去除焊盤以及引腳表面氧化膜，從而造成虛焊。比如在一些環境濕度較大的生產車間，如果助焊劑的活性不能適應這種環境，就可能無法有效去除氧化膜，導致虛焊。
鍍層與焊錫之間不匹配：鍍層與焊錫之間的不匹配也有可能產生潤濕不良現象，進而導致虛焊。例如某些特殊的鍍層材料與特定的焊錫合金在化學性質上不兼容，就會影響焊接質量。
元件尺寸影響：隨著越來越多的采用0201以及01005元件之后，由于印刷的錫膏量少，在原有的溫度曲線下錫膏中的助焊劑快速的揮發掉從而影響了錫膏的潤濕性能，容易產生虛焊。因為這些小尺寸元件的焊盤和引腳都很小，錫膏量的微小變化就可能對焊接質量產生較大影響。
釬料或助焊劑被污染：如果釬料或助焊劑被污染，也會導致虛焊。例如在生產車間，如果助焊劑容器沒有密封好，混入了雜質，就可能影響其性能，導致虛焊現象的出現。

（五）冷焊

冷焊是指SMT元件上的焊錫膏回流不完全，未完全融化的現象。

回流溫度太低：如果回流焊接溫度不足，焊料沒有足夠的熱量進行充分的熔合，就會出現冷焊特征，表面呈現顆粒狀外觀。例如在一些大型的PCB板焊接中，如果回流焊爐的加熱功率不足，或者溫度設置過低，就可能導致冷焊現象的發生。
回流時間過短：即使回流溫度設置正確，但如果回流時間過短，焊錫膏也可能無法完全融化，從而產生冷焊。比如在一些高速生產線中，為了提高生產效率，可能會縮短回流時間，如果沒有經過合理的工藝優化，就容易出現冷焊問題。

二、焊點外觀及可靠性相關的缺陷

（一）焊點不共面/脫焊

脫焊容易造成橋連、短路、對不準等現象。

元件引腳問題：元件引腳扁平部分的尺寸不符合規定的尺寸，或者元件引腳共面性差（平面度公差超過±0.002英寸），扁平封裝器件的引線浮動，這些都會導致焊點不共面或脫焊。例如一些質量較差的元器件，其引腳在生產過程中沒有經過嚴格的質量控制，尺寸偏差較大，在回流焊時就容易出現脫焊現象。
操作過程中的損傷：當SMD被夾持時與別的器件發生碰撞而使引腳變形翹曲，或者在操作過程中受到其他機械損傷，會導致焊點不共面或脫焊。比如在貼片機貼裝元器件后，在后續的傳輸過程中，如果受到震動或者與其他部件發生碰撞，就可能使引腳變形，從而影響焊接質量。
焊膏印刷與貼裝問題：焊膏印刷量不足，貼片機貼裝時壓力太小，焊膏厚度與其上的尺寸不匹配，也會造成焊點不共面或脫焊。例如在印刷焊膏時，如果模板的開口過小或者印刷壓力不足，會導致焊膏量過少，進而影響焊接質量。

（二）焊點錫瘟

在13℃或更低的溫度條件下Sn會發生同素異形轉變，由灰白色的β - Sn（四角形晶體結構）轉變為白色脆性的粉末狀α - Sn（立方晶體結構），該轉變速度在 - 30℃的時候達到最大值。航空以及軍事電子經常在該轉變溫度范圍內作業，其長期可靠性受到了極大的挑戰。使用無鉛釬料合金同樣發現錫瘟現象的存在。例如在一些航空航天設備中，如果其電子組件在低溫環境下工作，就需要考慮錫瘟現象對焊點可靠性的影響。

（三）焊點空洞

空洞是由于助焊劑的殘留或助焊劑清潔焊接端子產生的廢氣不能完全排出焊料，在焊內部產生沒有焊料填充的區域，在X - Ray光線檢查下，呈現亮白區域或在剖面狀態下，呈現發暗的區域。空洞的存在可能會降低產品電氣性能或影響焊點可靠性。

錫粉氧化問題：如果錫粉氧化，錫膏中有較多的氧分子存在，回流時，會產生更多的廢氣，這些廢氣不能完全排除出去，殘留于焊點形成空洞。例如在一些儲存不當的焊錫膏中，錫粉可能被氧化，使用這種焊錫膏進行回流焊時就容易產生空洞。
升溫速率問題：升溫速率太快，特別是預熱階段，助焊劑中的稀釋劑不能完全排除出來，或助焊劑反應后產生的廢氣不能完全排除，這也會導致產生空洞問題。比如在一些回流焊工藝中，如果預熱區的升溫速率設置過高，就容易產生空洞現象。
錫膏問題：過期錫膏的使用或錫膏不能充分地解凍回溫，錫膏中的助焊劑可能發生變化，也會增加空洞的發生概率。由于無鉛工藝的實施，需要增加助焊劑含量以提升印刷性能及焊接效果，但過多的助焊劑也意味著會有更多的廢氣產生而增加空洞發生的機率。

三、其他缺陷

（一）黑焊盤

黑焊盤指焊盤表面化鎳浸金(ENIG)鍍層形態良好，但金層下的鎳層已變質生成只要為鎳的氧化物的脆性黑色物質，對焊點可靠性構成很大威脅。

化鎳層氧化問題：化鎳層在進行浸金過程中鎳的氧化速度大于金的沉積速度，所以產生的鎳的氧化物在未完全溶解之前就被金層覆蓋從而產生表面金層形態良好，實際鎳層已發生變質的現象。例如在一些電鍍工藝控制不當的情況下，鎳槽中的化學成分比例失調，就可能導致鎳的氧化速度加快，進而產生黑焊盤現象。
金層結構問題：沉積的金層原子之間比較疏松，金層下面的鎳層得以有繼續氧化的機會。在GalvanicEffect的作用下鎳層會繼續劣化。例如在一些長期使用的電子設備中，由于金層的結構特性，隨著時間的推移，鎳層可能會在金層下逐漸氧化變質，形成黑焊盤。

（二）助焊劑殘留

板面存在較多的助焊劑殘留的話，既影響了板面的光潔程度，同時對PCB板本身的電氣性也有一定的影響。

助焊劑選型錯誤：比如要求采用免清洗助焊劑的場合卻采用松香樹脂型導致殘留較多。例如在一些對板面清潔度要求較高的電子產品生產中，如果錯誤地選擇了松香樹脂型助焊劑，就會在板面留下較多的助焊劑殘留。
助焊劑質量問題：助焊劑中松香樹脂含量過多或是品質不好容易造成殘留過多。例如一些低質量的助焊劑，其松香樹脂的純度不夠或者含有較多的雜質，在回流焊后就容易在板面留下較多殘留。
清洗問題：清洗不夠或是清洗方法不當不能有效清除表面殘留；工藝參數不相匹配，助焊劑未能有效揮發掉，也會造成助焊劑殘留。例如在清洗過程中，如果清洗液的濃度不夠或者清洗時間過短，就可能無法徹底清除助焊劑殘留。而且如果回流焊的工藝參數（如溫度、時間等）設置不當，助焊劑不能充分揮發，也會在板面留下殘留。