SMT焊接常見的5項工藝缺陷

現(xiàn)在，PCBA電子工廠做SMT貼片已經(jīng)越來越方便，但是，不少工程師在研發(fā)驗證階段，為節(jié)省時間，會找工廠做SMT貼片打樣，但由于工廠工藝水平不一，某些工程師曾碰到板子到手后，發(fā)現(xiàn)短路或開路，無法正常測試，一時也找不到問題在哪，無法確定是工廠的問題，還是自己設(shè)計出了錯，一來二去費時費錢...

所以本文收集了：在SMT貼片焊接制造中，較為常見的5項工藝缺陷，幫助大家了解SMT貼片工藝，少走彎路，少“翻車”。

缺陷一：

“立碑”現(xiàn)象

即片式元器件發(fā)生“豎立”。 立碑現(xiàn)象發(fā)生主要原因是元件兩端的濕潤力不平衡，引發(fā)元件兩端的力矩也不平衡，導(dǎo)致“立碑”。

回流焊“立碑”現(xiàn)象動態(tài)圖 什么情況會導(dǎo)致回流焊時元件兩端濕潤力不平衡，導(dǎo)致“立碑”？

因素A：焊盤設(shè)計與布局不合理

①元件的兩邊焊盤之一與地線相連接或有一側(cè)焊盤面積過大，焊盤兩端熱容量不均勻; ②PCB表面各處的溫差過大以致元件焊盤兩邊吸熱不均勻; ③大型器件QFP、BGA、散熱器周圍的小型片式元件焊盤兩端會出現(xiàn)溫度不均勻。

解決辦法：工程師調(diào)整焊盤設(shè)計和布局。

因素B：焊錫膏與焊錫膏印刷存在問題

①焊錫膏的活性不高或元件的可焊性差，焊錫膏熔化后，表面張力不一樣，將引起焊盤濕潤力不平衡。 ②兩焊盤的焊錫膏印刷量不均勻，一側(cè)錫厚，拉力大，另一側(cè)錫薄拉力小，致使元件一端被拉向一側(cè)形成空焊，一端被拉起就形成立碑。 解決辦法：需要工廠選用活性較高的焊錫膏，改善焊錫膏印刷參數(shù)，特別是鋼網(wǎng)的窗口尺寸。

因素C：貼片移位Z軸方向受力不均勻

會導(dǎo)致元件浸入到焊錫膏中的深度不均勻，熔化時會因時間差而導(dǎo)致兩邊的濕潤力不平衡，如果元件貼片移位會直接導(dǎo)致立碑。

解決辦法：需要工廠調(diào)節(jié)貼片機工藝參數(shù)。

因素D：爐溫曲線不正確

如果再流焊爐爐體過短和溫區(qū)太少就會造成對PCB加熱的工作曲線不正確，以致板面上濕差過大，從而造成濕潤力不平衡。 解決辦法：需要工廠根據(jù)每種不同產(chǎn)品調(diào)節(jié)好適當(dāng)?shù)臏囟惹€。

缺陷二：

錫珠

錫珠是回流焊中常見的缺陷之一，它不僅影響外觀而且會引起橋接。錫珠可分為兩類：一類出現(xiàn)在片式元器件一側(cè)，常為一個獨立的大球狀（如下圖）;另一類出現(xiàn)在IC引腳四周，呈分散的小珠狀。

位于元器件腰部一側(cè)（來源網(wǎng)絡(luò)）

錫珠產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：

因素A：溫度曲線不正確

回流焊曲線可以分為預(yù)熱、保溫、回流和冷卻4個區(qū)段。預(yù)熱、保溫的目的是為了使PCB表面溫度在60～90s內(nèi)升到150℃，并保溫約90s，這不僅可以降低PCB及元件的熱沖擊，更主要是確保焊錫膏的溶劑能部分揮發(fā)，避免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。 解決辦法：工廠需注意升溫速率，并采取適中的預(yù)熱，使溶劑充分揮發(fā)。

因素B：焊錫膏的質(zhì)量

①焊錫膏中金屬含量通常在(90±0.5)℅，金屬含量過低會導(dǎo)致助焊劑成分過多，因此過多的助焊劑會因預(yù)熱階段不易揮發(fā)而引起飛珠； ②焊錫膏中水蒸氣和氧含量增加也會引起飛珠。由于焊錫膏通常冷藏，當(dāng)從冰箱中取出時，如果沒有充分回溫解凍并攪拌均勻，將會導(dǎo)致水蒸氣進(jìn)入；此外焊錫膏瓶的蓋子每次使用后要蓋緊，若沒有及時蓋嚴(yán)，也會導(dǎo)致水蒸氣的進(jìn)入； ③放在鋼網(wǎng)上印制的焊錫膏在完工后，剩余的部分應(yīng)另行處理，若再放回原來瓶中，會引起瓶中焊錫膏變質(zhì)，也會產(chǎn)生錫珠。 解決辦法：要求工廠選擇優(yōu)質(zhì)的焊錫膏，注意焊錫膏的保管與使用要求。

其他因素還有：

①印刷太厚，元件下壓后多余錫膏溢流； ②貼片壓力太大，下壓使錫膏塌陷到油墨上； ③焊盤開口外形不好，未做防錫珠處理； ④錫膏活性不好，干的太快，或有太多顆粒小的錫粉； ⑤印刷偏移，使部分錫膏沾到PCB上； ⑥刮刀速度過快，引起塌邊不良，回流后導(dǎo)致產(chǎn)生錫球...

缺陷三：

橋連

橋連也是SMT生產(chǎn)中常見的缺陷之一，它會引起元件之間的短路，遇到橋連必須返修。

電子元器件IC芯片橋連示意圖 造成橋連的原因主要有：

因素A：焊錫膏的質(zhì)量問題

①焊錫膏中金屬含量偏高，特別是印刷時間過久，易出現(xiàn)金屬含量增高，導(dǎo)致IC引腳橋連; ②焊錫膏粘度低，預(yù)熱后漫流到焊盤外; ③焊錫膏塔落度差，預(yù)熱后漫流到焊盤外。 解決辦法：需要工廠調(diào)整焊錫膏配比或改用質(zhì)量好的焊錫膏。

因素B：印刷系統(tǒng)

①印刷機重復(fù)精度差，對位不齊(鋼網(wǎng)對位不準(zhǔn)、PCB對位不準(zhǔn))，導(dǎo)致焊錫膏印刷到焊盤外，尤其是細(xì)間距QFP焊盤； ②鋼網(wǎng)窗口尺寸與厚度設(shè)計失準(zhǔn)以及PCB焊盤設(shè)計Sn-pb合金鍍層不均勻，導(dǎo)致焊錫膏偏多。 解決方法：需要工廠調(diào)整印刷機，改善PCB焊盤涂覆層。

因素C：貼放壓力過大

焊錫膏受壓后滿流是生產(chǎn)中多見的原因，另外貼片精度不夠會使元件出現(xiàn)移位、IC引腳變形等。

因素D：再流焊爐升溫速度過快，焊錫膏中溶劑來不及揮發(fā)

解決辦法：需要工廠調(diào)整貼片機Z軸高度及再流焊爐升溫速度。

缺陷四：

芯吸現(xiàn)象

芯吸現(xiàn)象，也稱吸料現(xiàn)象、抽芯現(xiàn)象，是SMT常見的焊接缺陷之一，多見于氣相回流焊中。焊料脫離焊盤沿引腳上行到引腳與芯片本體之間，導(dǎo)致嚴(yán)重的虛焊現(xiàn)象。

芯吸：是指熔化的焊料潤濕元件引腳并向上流動而脫離PCB焊盤區(qū)域，未與PCB焊盤產(chǎn)生潤濕或部分潤濕，從而形成開路或焊點強度不足現(xiàn)象，此缺陷經(jīng)常發(fā)生在QFP、SOP、PLCC等翼型形引腳和J形引腳的器件中。如下圖所示。

芯吸現(xiàn)象-焊錫脫離PCB焊盤區(qū)域

產(chǎn)生原因：

通常是因引腳導(dǎo)熱率過大，升溫迅速，以致焊料優(yōu)先濕潤引腳，焊料與引腳之間的潤濕力遠(yuǎn)大于焊料與焊盤之間的潤濕力，引腳的上翹回更會加劇芯吸現(xiàn)象的發(fā)生。 解決辦法：需要工廠先對SMA（表面貼裝組件）充分預(yù)熱后在放爐中焊接，應(yīng)認(rèn)真的檢測和保證PCB焊盤的可焊性，元件的共面性不可忽視，對共面性不好的器件不應(yīng)用于生產(chǎn)。

注意：

在紅外回流焊中，PCB基材與焊料中的有機助焊劑是紅外線良好的吸收介質(zhì)，而引腳卻能部分反射紅外線，故相比而言焊料優(yōu)先熔化，焊料與焊盤的濕潤力就會大于焊料與引腳之間的濕潤力，故焊料不會沿引腳上升，從而發(fā)生芯吸現(xiàn)象的概率就小得多。

缺陷五：

BGA焊接不良

BGA：即Ball Grid Array（球柵陣列封裝），BGA封裝由于優(yōu)勢明顯，封裝密度、電性能和成本上的獨特優(yōu)點讓其取代傳統(tǒng)封裝方式。隨著市場對芯片集成度要求的提高，對集成電路封裝更加嚴(yán)格。

正常的BGA焊接

不良癥狀①：連錫

連錫也被稱為短路，即錫球與錫球在焊接過程中發(fā)生短接，導(dǎo)致兩個焊盤相連，造成短路。 解決辦法：工廠調(diào)整溫度曲線,減小回流氣壓,提高印刷品質(zhì)。

紅圈部分為連錫（來源網(wǎng)絡(luò)）

不良癥狀②：假焊

假焊也被稱為“枕頭效應(yīng)(Head-in-Pillow,HIP)”，導(dǎo)致假焊的原因很多（錫球或PAD氧化、爐內(nèi)溫度不足、PCB變形、錫膏活性較差等）。BGA假焊特點是“不易發(fā)現(xiàn)”“難識別”。類似一個人把頭靠在枕頭上的形狀而得名，"枕頭效應(yīng)"是BGA封裝的一種典型且特有的失效模式。

枕頭效應(yīng)發(fā)生在BGA器件的回流過程中，由于器件、電路板的板翹或者其他原因?qū)е碌淖冃?，使BGA焊球和錫膏分開，各自的表面層被氧化，當(dāng)再接觸時就形成枕頭形狀的焊接，而不是完整的良好焊接。BGA焊接失效，大部分原因是在生產(chǎn)過程中某些環(huán)節(jié)的工藝控制有所欠缺導(dǎo)致。 另外，枕頭效應(yīng)(HIP)一般也很難從現(xiàn)在的2DX-Ray檢查機發(fā)現(xiàn)得到，因為X-Ray大多只能由上往下檢查，看不出來BGA錫球斷頭的位置，如果可以有上下旋轉(zhuǎn)角度的X-Ray應(yīng)該可以觀察得出來。有些時候或許可以經(jīng)由板內(nèi)測試(ICT, In Circuit Test)及功能測試(FVT, FunctionVerification Test)檢測出來，因為這類機器通常使用針床的作業(yè)方式，需要添加額外的外界壓力于電路板上，讓原本互相挨著的錫球與錫膏有機會分開，但還是會有許多的不良品流到市場，通常這類不良品很快的就會被客戶發(fā)現(xiàn)有功能上的問題而遭到退貨，所以如何防治枕頭效應(yīng)的發(fā)生實為SMT的重要課題。 另外，也可以考慮透過燒機(Burn/In)的方式來篩選出有HIP的板子（如果單板燒機要加溫度），因為燒機的時候會有升高板子的溫度，溫度會讓板子變形，板子有變形，空/假焊的焊點就有機會浮現(xiàn)出來，所以燒機的時候還得加上程序作自我診斷測試，如果HIP的位置不在程序測試的線路上，就查不出來了。 目前比較可靠可以分析HIP不良現(xiàn)象的方法是使用染紅試驗(Red Dye Penetration)，以及微切片分析(Cross Section)，但這兩種方法都屬于破壞性檢測，所以非到必要不建議使用。

新近【3DX-Ray CT】的技術(shù)有了突破，可以有效的檢查到這類HIP或是NWO(Non-Wet-Open)焊接缺點，而且也慢慢普及了起來，但機臺的費用還是不夠便宜就是了。

下圖為BGA虛焊的 3D形貌及截面斷層掃描圖，畫面左側(cè)金色球體為BGA焊球3D形貌圖，紅色圓圈中的焊球為虛焊焊球；畫面右側(cè)為焊球的斷層掃描截面圖，紅色圓圈中為虛焊焊球。

BGA虛焊的3D形貌及截面圖 枕頭效應(yīng)檢測： 與虛焊類似，枕頭效應(yīng)也很難通過二維X射線檢測來觀測，而是需要借助3D斷層掃描來檢測。

BGA焊球枕頭效應(yīng)X射線3D形貌

BGA焊球枕頭效應(yīng)截面斷層掃描形貌

BGA假焊示意圖

BGA“枕頭效應(yīng)”側(cè)視圖

以下是幾個形成枕頭效應(yīng)(HIP)缺點的可能原因：

1、BGA封裝(Package)如果同一個BGA的封裝有大小不一的焊球(solderball)存在，較小的錫球就容易出現(xiàn)枕頭效應(yīng)的缺點。 另外BGA封裝的載板耐溫不足時也容易在回流焊的時候發(fā)生載板翹曲變形的問題，進(jìn)而形成枕頭效應(yīng)。 2、錫膏印刷(Solder paste printing)錫膏印刷于焊墊上面的錫膏量多寡不一，或是電路板上有所謂的導(dǎo)通孔在墊(Vias-in-pad)，就會造成錫膏無法接觸到焊球的可能性，并形成枕頭效應(yīng)。 另外如果錫膏印刷偏離電路板的焊墊太遠(yuǎn)、錯位，這通常發(fā)生在多拼板的時候，當(dāng)錫膏熔融時將無法提供足夠的焊錫形成橋接，就會有機會造成枕頭效應(yīng)。

3、貼片機的精度不足(Pick&Place)貼片機如果精度不足或是置件時XY位置及角度沒有調(diào)好，也會發(fā)生BGA的焊球與焊墊錯位的問題。 另外，貼片機放置IC零件于電路板上時都會稍微下壓一定的Z軸距離，以確保BGA的焊球與電路板焊墊上的錫膏有效接觸，這樣在經(jīng)過回流焊時才能確保BGA焊球完美的焊接在電路板的焊墊。如果這個Z軸下壓的力量或形成不足，也有機會讓部份焊球無法接觸到錫膏，而造成HIP的機會。

4、回流焊溫度(Reflow profile)當(dāng)回流焊(reflow)的溫度或升溫速度沒有設(shè)好時，就容易發(fā)生沒有融錫或是發(fā)生電路板及BGA載板板彎或板翹…等問題，這些都會形成HIP?？梢詤⒖糂GA同時空焊及短路可能的原因一文，了解BGA載板與電路板因為CTE的差異過大，以及TAL(Time Above Liquids)過長，而造成的板彎板翹所形成的BGA空焊及短路的分析。 另外，要注意預(yù)熱區(qū)的溫度升溫如果太快的話容易驅(qū)使助焊劑過早揮發(fā)，這樣就容易形成焊錫氧化，造成潤濕不良。其次最高溫度(Peak Temperature)也最好不要調(diào)得過高及過久，建議最好參考一下零件的溫度及時間的建議。

5、焊球氧化(Solder ball Oxidization)BGA在IC封裝廠完成后都會使用探針來接觸焊球作功能測試，如果探針的潔凈渡沒有處理的很好，有機會將污染物沾污于BGA的焊球而形成焊接不良。其次，如果BGA封裝未被妥善存放于溫濕度管控的環(huán)境內(nèi)，也很有機會讓焊球氧化至影響焊錫的接合性。

如何改善與防止HIP(Head-In-Pillow)焊接不良 既然已經(jīng)知道HIP形成的原因最主要來自電路板的FR-4以及IC載板高溫變形，所以要防止或避免HIP發(fā)生就有兩個方向可以進(jìn)行。 方法一：是提高電路板板材及IC載板的剛性。一般會才用較高（Tg≥ 170℃）的材料，不過費用也會跟著提高。一般無鉛制程電路Tg板的材質(zhì)使用中Tg（Tg≥150℃）。 方法二：是增加錫膏量來填補電路板及IC載板因為高溫翹曲所形成的間隙，也就是在所有的回焊過程中讓BGA錫球與印刷在電路板上的錫膏都保持接觸的狀態(tài)，不過要小心錫膏量如果增加太多反而會造成焊接短路的問題，不可不慎。

不良癥狀③：冷焊

冷焊不完全等同與假焊，冷焊是由于回流焊溫度異常導(dǎo)致錫膏沒有熔化完整，可能是溫度沒有達(dá)到錫膏的熔點或者回流區(qū)的回流時間不足導(dǎo)致。 解決辦法：工廠調(diào)整溫度曲線,冷卻過程中,減少振動。

不良癥狀④：氣泡

氣泡（或稱氣孔）并非絕對的不良現(xiàn)象，但如果氣泡過大，易導(dǎo)致品質(zhì)問題，氣泡的允收都有IPC標(biāo)準(zhǔn)。氣泡主要是由盲孔內(nèi)藏的空氣在焊接過程中沒有及時排出導(dǎo)致。 解決方法：要求工廠用X-Ray檢查原材料內(nèi)部有無孔隙,調(diào)整溫度曲線。

BGA氣泡示意圖

一般說來，氣泡大小不能超過球體20%

不良癥狀⑤：錫球開裂

不良癥狀⑥：臟污

焊盤臟污或者有殘留異物，可能因生產(chǎn)過程中環(huán)境保護(hù)不力導(dǎo)致焊盤上有異物或者焊盤臟污導(dǎo)致焊接不良。 除上面幾點外，還有： ①結(jié)晶破裂（焊點表面呈玻璃裂痕狀態(tài)）； ②偏移（BGA焊點與PCB焊盤錯位）； ③濺錫（在PCB表面有微小的錫球靠近或介于兩焊點間）等。

審核編輯 ：李倩