什么是錫珠？錫珠產(chǎn)生的原因和改善對策

錫珠產(chǎn)生機(jī)理解析與改善實(shí)戰(zhàn)

什么是錫珠?

在IPC標(biāo)準(zhǔn)中，有一個(gè)術(shù)語叫做“solder ball”，中文版早期翻譯為“錫球”，現(xiàn)在翻譯為“焊料球”。IPC標(biāo)準(zhǔn)對“焊料球”的定義見下圖：

由定義可知，“焊料球”包括了“焊接后留下的球形焊料”和“焊膏中的焊料粉”。而前者就是業(yè)界常說的“錫珠”，尺寸通常大于100μm，在焊接過程中由多個(gè)錫粉熔合而成(見圖5-31);而后者我們通常稱之為“錫粉”，尺寸在幾十μm不等(見圖5-32)。大量”錫粉”的產(chǎn)生通常是由于印刷不良和貼片不良，極個(gè)別的錫粉對絕大多數(shù)產(chǎn)品沒有危害，故不在本次研討范圍之內(nèi)，本文所要分析和解決的是前者“錫珠”。

錫珠在回流焊、波峰焊、手工焊各種焊接階段都可能發(fā)生，是困擾從業(yè)者的一大難題。

錫珠產(chǎn)生的原因：

不同的焊接工藝，產(chǎn)生錫珠的機(jī)理不同，本文重點(diǎn)解析回流焊的錫珠。

在回流焊過程中，錫珠產(chǎn)生的可能原因如下：

設(shè)計(jì)：PCB封裝庫設(shè)計(jì)的不合理是錫珠產(chǎn)生的最主要原因。

PCB：噴錫板的過孔(Via)內(nèi)藏錫，也會(huì)導(dǎo)致回流焊時(shí)錫從孔中飛濺出來形成錫珠。表面看是物料問題，實(shí)際也可以通過設(shè)計(jì)改良來規(guī)避。

鋼網(wǎng)：鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理也會(huì)導(dǎo)致錫珠產(chǎn)生。

錫膏：錫膏印刷過程中吸潮，導(dǎo)致回流焊時(shí)水汽氣化產(chǎn)生“炸錫”。

爐溫：預(yù)熱溫度和時(shí)間不夠，助焊劑中溶劑揮發(fā)不充分導(dǎo)致回流焊時(shí)“炸錫”。

改善對策：

1. PCB封裝庫設(shè)計(jì)不合理的分析與改善

錫珠較常發(fā)生在片式元件(上面有圖示)、BTC元件(底部端子元件)的本體側(cè)邊，像是被擠出來的。下圖是一個(gè)TO-263-5封裝的元件的錫珠案例：

憑我多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，我可以斷定這是一個(gè)設(shè)計(jì)問題，毫無疑問。但是很多工藝工程師首先想到的是從鋼網(wǎng)開孔設(shè)計(jì)角度去改善。我們分析問題要問5個(gè)WHy，要找到“問題冰山”，找到真因，從源頭解決，這樣才能避免問題重復(fù)發(fā)生，否則只能不停地為拙劣的設(shè)計(jì)“擦屁股”。鋼網(wǎng)制造商設(shè)計(jì)開孔的依據(jù)就是PCB圖或gerber圖，他們做內(nèi)切、外擴(kuò)或者防錫珠開孔都是在焊盤的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，如果設(shè)計(jì)的焊盤與實(shí)物差異很大，他們是無法預(yù)知的。

我們來看一下這個(gè)物料的PCB設(shè)計(jì)與物料尺寸圖對比，果然不出我所料，下圖左是PCB設(shè)計(jì)，下圖右是物料底部視圖：

從上圖可知，PCB的大焊盤比物料本體底部焊端寬很多。貼片后，大量錫膏會(huì)被擠壓到焊盤邊緣，也即物料底部焊端之外?；亓骱傅纳郎仉A段和恒溫階段，錫膏會(huì)進(jìn)一步坍塌擴(kuò)散溢出焊盤之外。進(jìn)入回流階段后，液態(tài)焊料由于表面張力的固有特性影響會(huì)往焊盤中心和物料焊端中心回縮，但物料底部兩側(cè)的塑封材料是無法與焊料潤濕的，其會(huì)阻礙焊料回縮，因此在本體兩側(cè)容易產(chǎn)生錫珠。

正確的設(shè)計(jì)應(yīng)該是根據(jù)物料的焊端尺寸來設(shè)計(jì)焊盤，大焊盤的寬度不應(yīng)大于物料底部焊端的寬度。而TO-263系列封裝有很多變種，絕大多數(shù)技術(shù)人員是不會(huì)關(guān)注這一點(diǎn)的，胡亂設(shè)計(jì)，因此此類元件的錫珠問題是比較常見的。下圖從左至右依次為(我親自設(shè)計(jì)的)TO-263、TO-263-5、TO263-5-plus、TO263-5-thin的PCB封裝庫效果圖，可以看出這幾種封裝的底部端子尺寸差異非常之大，所以設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意物料的實(shí)際尺寸。

2. 噴錫板過孔藏錫珠問題的分析與改善

噴錫板在制造過程中有個(gè)工序是將PCB浸入焊料槽后再提出，此時(shí)用高溫的風(fēng)刀從PCB的正反兩面猛吹，目的是將焊盤上的錫盡量吹平，以及將金屬化孔中的錫吹走，所以這個(gè)工藝又叫做熱風(fēng)整平(HASL)。金屬化孔中，焊盤(Pad)的鍍覆孔(PTH)需要容納元件的引腳，所以孔徑較大，通常不小于0.6mm;而過孔(Via)不用于焊接，所以有些過孔的孔徑小至0.3mm甚至更小，風(fēng)刀不易將孔中的錫吹凈，因此容易藏錫，回流焊時(shí)板材中的水分蒸發(fā)可能將孔中的錫“炸出”形成錫珠。

解決方案是過孔孔徑≤0.45mm時(shí)，要求PCB廠家做油墨塞孔處理。小孔徑的過孔載流量不夠時(shí)，就需要增大孔徑，建議孔徑不小于0.6mm。這是因?yàn)?.45mm到0.6mm之間的過孔有點(diǎn)尷尬，塞孔做不好，風(fēng)刀也可能吹不凈孔里的錫。還有一種半塞孔處理的過孔，孔內(nèi)也容易藏錫，若是處于BTC元件的散熱端子上，元件貼片后可避免錫珠外濺，所以問題不大。

3. 其它因素導(dǎo)致的錫珠問題

鋼網(wǎng)開孔設(shè)計(jì)都有比較成熟的規(guī)范，只要PCB設(shè)計(jì)合理，鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)工程師按照規(guī)范設(shè)計(jì)就不會(huì)有太大問題。

錫膏吸潮問題也極少發(fā)生，需要注意嚴(yán)格按照錫膏管控要求，在使用前應(yīng)有正確的充足的回溫時(shí)間。

回流焊的爐溫曲線也比較容易管控，一般不會(huì)是錫珠產(chǎn)生的主要原因。

總結(jié)

對于回流焊工藝中的錫珠問題，設(shè)計(jì)是源頭，遇到問題首先查設(shè)計(jì)問題，絕大多數(shù)問題都是由于設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致的。其它鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)、錫膏管控、爐溫曲線都是次要因素。

波峰焊、手工焊接工藝中的錫珠產(chǎn)生機(jī)理不同，需要進(jìn)行針對性的分析和改善。

作者：Leo老師

審核編輯：湯梓紅