回流焊常见缺陷概述与电路板回流焊后清洗介绍

发布时间：2024-11-21 👁 2007 Tags：回流焊常见缺陷 PCBA电路板回流焊后清洗

回流焊常见缺陷概述

回流焊过程中可能出现多种缺陷，这些缺陷受多种因素影响，包括设备、工艺、材料等方面。以下是一些常见的缺陷：

一、焊接不良相关的缺陷

（一）立碑现象（曼哈顿现象）

在回流焊工艺中，片式元器件常出现一端焊接在焊盘上，而另一端翘立的情况，这就是立碑现象，也被称为曼哈顿现象。其根本原因是元器件两边的润湿力不平衡，从而导致两端的力矩不平衡。

焊盘设计与布局不合理：如果元器件的两边焊盘之一与地线相连接，或者有一侧焊盘面积过大，就会造成焊盘两端热容量不均匀。而且PCB表面各处的温差过大也会致使元器件焊盘两边吸热不均匀，像大型器件QFP、BGA、散热器周围的小型片式元器件焊盘两端容易出现温度不均匀现象，这些情况都会导致立碑现象的发生。例如在一些高密度布线的PCB板上，小型片式电容旁边有大型的芯片散热器件时，电容就较容易出现立碑现象。
焊锡膏与焊锡膏印刷问题：焊锡膏的活性不高或者元器件的可焊性差时，焊锡膏熔化后表面张力不一样，也会引起焊盘润湿力不平衡。并且两焊盘的焊锡膏印刷量不均匀，多的一边会因焊锡膏吸热量增多，熔化时间滞后，进而导致润湿力不平衡。比如在印刷过程中，模板窗口堵塞或者磨损，可能造成焊锡膏印刷量不均匀。
贴片问题：Z轴方向受力不均匀，会使元器件浸入到焊锡膏中的深度不均匀，在熔化时由于时间差而导致两边的润湿力不平衡。而且元器件偏离焊盘会直接导致立碑。例如贴片机的贴装精度不够，就可能造成元器件在焊盘上的位置偏移，从而在回流焊时出现立碑现象。
炉温曲线问题：对PCB加热的工作曲线不正确，使得板面上温差过大，通常回流焊炉炉体过短和温区太少时就容易出现这些缺陷。比如炉温曲线的预热区升温过快，可能导致元器件两端受热不均匀，进而引发立碑现象。
N2回流焊中的氧浓度问题：采用N2保护回流焊会增加焊料的润湿力，但如果氧含量过低，发生立碑的现象反而增多；通常认为氧含量控制在(100 - 500)×10⁻⁶mg/m³左右最为适宜。

（二）锡珠（焊料球）

锡珠是回流焊常见的缺陷之一，可分为两类，一类出现在片式元器件一侧，常为一个独立的大球状；另一类出现在IC引脚四周，呈分散的小珠状。

温度曲线不正确：回流焊曲线分为预热、保温、再流和冷却四个区段。如果预热、保温的目的没有达到，例如PCB表面温度未能在60 - 90s内升到150℃，并且保温约90s，这不仅会使PCB及元器件受到较大热冲击，更主要的是会导致焊锡膏的溶剂不能部分挥发，在回流焊时因溶剂太多引起飞溅，造成焊锡膏冲出焊盘而形成锡珠。例如，若预热区升温速率过快，溶剂快速挥发，就可能在后续过程中产生锡珠。
焊锡膏的质量问题：焊锡膏中金属含量通常在(90±0.5)%，如果金属含量过低会导致助焊剂成分过多，过多的助焊剂在预热阶段不易挥发就会引起飞珠。而且焊锡膏中水蒸气和氧含量增加也会引起飞珠。比如，焊锡膏从冰箱取出后没有足够的恢复时间就使用，会导致水蒸气进入；焊锡膏瓶的盖子每次使用后未盖紧，也会使水蒸气进入。另外，放在模板上印制后剩余的焊锡膏如果再放回原来瓶中，会引起瓶中焊锡膏变质，从而产生锡珠。
印刷与贴片问题：在焊锡膏的印刷工艺中，由于模板与焊盘对中会发生偏移，若偏移过大则会导致焊锡浸流到焊盘外，加热后容易出现锡珠。此外，印刷工作环境不好也会导致锡珠的生成，理想的印刷环境温度为(25±3)℃，相对湿度为50% - 65%。贴片过程中Z轴的压力也是引起锡珠的一项重要原因，部分贴片机Z轴头依据元器件的厚度来定位，如Z轴高度调节不当，会引起元器件贴到PCB上的一瞬间将焊锡膏挤压到焊盘外的现象，这部分焊锡膏会在焊接时形成锡珠，这种情况下产生的锡珠尺寸稍大。
模板的厚度与开口尺寸问题：模板厚度与开口尺寸过大，会导致焊锡膏用量增大，也会引起焊锡膏漫流到焊盘外，特别是用化学腐蚀方法制造的模板。一般模板开口面积为焊盘尺寸的90%时，会改善锡珠情况。

（三）桥接

桥接是SMT生产中常见的缺陷之一，它会引起元器件之间的短路，遇到桥接必须返修。

焊锡膏质量问题：焊锡膏中金属含量偏高，特别是印刷时间过久后，易出现金属含量增高，导致IC引脚桥接；焊锡膏黏度低，预热后漫流到焊盘外；焊锡膏塌落度差，预热后也容易漫流到焊盘外。例如在长时间的印刷过程中，随着焊锡膏中的溶剂挥发，其黏度和塌落度等性质会发生变化，如果初始焊锡膏的性质就不太稳定，就容易在印刷后出现桥接问题。
印刷系统问题：印刷机重复精度差，对位不齐（如钢板对位不好，PCB对位不好），致使焊锡膏印刷到焊盘外，这种情况多见于细间距QFP的生产；钢板窗口尺寸与厚度设计不对，以及PCB焊盘设计Sn - Pb合金镀层不均匀，导致焊锡膏量偏多，从而可能造成桥接。例如在高精度的电子设备生产中，对印刷精度要求很高，如果印刷机的对位精度只能达到毫米级，而产品要求的是微米级，就容易出现桥接缺陷。
贴放问题：贴放压力过大，焊锡膏受压后漫流是生产中多见的原因。另外，贴片精度不够，元器件出现移位，IC引脚变形等也易导致桥接。例如贴片机在贴装较大尺寸的元器件时，如果压力设置过大，可能会使焊锡膏在引脚周围漫流，当相邻引脚距离较小时，就会造成桥接现象。
预热问题：回流焊炉升温速度过快，焊锡膏中溶剂来不及挥发，也可能导致桥接。例如在一些自动化程度较高的生产线中，如果回流焊炉的预热区时间设置过短，升温速度过快，就容易产生桥接缺陷。

（四）虚焊

虚焊表现为SMT元件末端焊点高度最小为元件可焊端宽度的75%或焊盘宽度的75%，最小焊点高度为焊锡高度加可焊端高度的25%，焊接面焊点浸润至少270度，需要焊接的引脚或焊盘焊锡填充不足。

焊盘或引脚表面问题：焊盘或引脚表面的镀层被氧化，氧化层的存在阻挡了焊锡与镀层之间的接触，会导致虚焊。例如在一些储存条件较差的环境中，长时间放置的元器件引脚表面可能会氧化，从而在回流焊时出现虚焊现象。而且镀层厚度不够或是加工不良，很容易在组装过程中被破坏，也会造成虚焊。比如某些低成本的元器件，其引脚镀层较薄，在生产过程中容易磨损，进而影响焊接质量。
焊接温度不够：相对SnPb而言，常用无铅焊锡合金的熔点升高且润湿性大为下降，需要更高的焊接温度来保证焊接质量。如果焊接温度不够，就可能出现虚焊。例如在一些小型的回流焊设备中，如果没有根据使用的焊锡合金调整好合适的温度，就容易产生虚焊现象。
预热温度偏低或助焊剂活性不够：预热温度偏低或是助焊剂活性不够，使得助焊剂未能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜，从而造成虚焊。比如在一些环境湿度较大的生产车间，如果助焊剂的活性不能适应这种环境，就可能无法有效去除氧化膜，导致虚焊。
镀层与焊锡之间不匹配：镀层与焊锡之间的不匹配也有可能产生润湿不良现象，进而导致虚焊。例如某些特殊的镀层材料与特定的焊锡合金在化学性质上不兼容，就会影响焊接质量。
元件尺寸影响：随着越来越多的采用0201以及01005元件之后，由于印刷的锡膏量少，在原有的温度曲线下锡膏中的助焊剂快速的挥发掉从而影响了锡膏的润湿性能，容易产生虚焊。因为这些小尺寸元件的焊盘和引脚都很小，锡膏量的微小变化就可能对焊接质量产生较大影响。
钎料或助焊剂被污染：如果钎料或助焊剂被污染，也会导致虚焊。例如在生产车间，如果助焊剂容器没有密封好，混入了杂质，就可能影响其性能，导致虚焊现象的出现。

（五）冷焊

冷焊是指SMT元件上的焊锡膏回流不完全，未完全融化的现象。

回流温度太低：如果回流焊接温度不足，焊料没有足够的热量进行充分的熔合，就会出现冷焊特征，表面呈现颗粒状外观。例如在一些大型的PCB板焊接中，如果回流焊炉的加热功率不足，或者温度设置过低，就可能导致冷焊现象的发生。
回流时间过短：即使回流温度设置正确，但如果回流时间过短，焊锡膏也可能无法完全融化，从而产生冷焊。比如在一些高速生产线中，为了提高生产效率，可能会缩短回流时间，如果没有经过合理的工艺优化，就容易出现冷焊问题。

二、焊点外观及可靠性相关的缺陷

（一）焊点不共面/脱焊

脱焊容易造成桥连、短路、对不准等现象。

元件引脚问题：元件引脚扁平部分的尺寸不符合规定的尺寸，或者元件引脚共面性差（平面度公差超过±0.002英寸），扁平封装器件的引线浮动，这些都会导致焊点不共面或脱焊。例如一些质量较差的元器件，其引脚在生产过程中没有经过严格的质量控制，尺寸偏差较大，在回流焊时就容易出现脱焊现象。
操作过程中的损伤：当SMD被夹持时与别的器件发生碰撞而使引脚变形翘曲，或者在操作过程中受到其他机械损伤，会导致焊点不共面或脱焊。比如在贴片机贴装元器件后，在后续的传输过程中，如果受到震动或者与其他部件发生碰撞，就可能使引脚变形，从而影响焊接质量。
焊膏印刷与贴装问题：焊膏印刷量不足，贴片机贴装时压力太小，焊膏厚度与其上的尺寸不匹配，也会造成焊点不共面或脱焊。例如在印刷焊膏时，如果模板的开口过小或者印刷压力不足，会导致焊膏量过少，进而影响焊接质量。

（二）焊点锡瘟

在13℃或更低的温度条件下Sn会发生同素异形转变，由灰白色的β - Sn（四角形晶体结构）转变为白色脆性的粉末状α - Sn（立方晶体结构），该转变速度在 - 30℃的时候达到最大值。航空以及军事电子经常在该转变温度范围内作业，其长期可靠性受到了极大的挑战。使用无铅钎料合金同样发现锡瘟现象的存在。例如在一些航空航天设备中，如果其电子组件在低温环境下工作，就需要考虑锡瘟现象对焊点可靠性的影响。

（三）焊点空洞

空洞是由于助焊剂的残留或助焊剂清洁焊接端子产生的废气不能完全排出焊料，在焊内部产生没有焊料填充的区域，在X - Ray光线检查下，呈现亮白区域或在剖面状态下，呈现发暗的区域。空洞的存在可能会降低产品电气性能或影响焊点可靠性。

锡粉氧化问题：如果锡粉氧化，锡膏中有较多的氧分子存在，回流时，会产生更多的废气，这些废气不能完全排除出去，残留于焊点形成空洞。例如在一些储存不当的焊锡膏中，锡粉可能被氧化，使用这种焊锡膏进行回流焊时就容易产生空洞。
升温速率问题：升温速率太快，特别是预热阶段，助焊剂中的稀释剂不能完全排除出来，或助焊剂反应后产生的废气不能完全排除，这也会导致产生空洞问题。比如在一些回流焊工艺中，如果预热区的升温速率设置过高，就容易产生空洞现象。
锡膏问题：过期锡膏的使用或锡膏不能充分地解冻回温，锡膏中的助焊剂可能发生变化，也会增加空洞的发生概率。由于无铅工艺的实施，需要增加助焊剂含量以提升印刷性能及焊接效果，但过多的助焊剂也意味着会有更多的废气产生而增加空洞发生的机率。

三、其他缺陷

（一）黑焊盘

黑焊盘指焊盘表面化镍浸金(ENIG)镀层形态良好，但金层下的镍层已变质生成只要为镍的氧化物的脆性黑色物质，对焊点可靠性构成很大威胁。

化镍层氧化问题：化镍层在进行浸金过程中镍的氧化速度大于金的沉积速度，所以产生的镍的氧化物在未完全溶解之前就被金层覆盖从而产生表面金层形态良好，实际镍层已发生变质的现象。例如在一些电镀工艺控制不当的情况下，镍槽中的化学成分比例失调，就可能导致镍的氧化速度加快，进而产生黑焊盘现象。
金层结构问题：沉积的金层原子之间比较疏松，金层下面的镍层得以有继续氧化的机会。在GalvanicEffect的作用下镍层会继续劣化。例如在一些长期使用的电子设备中，由于金层的结构特性，随着时间的推移，镍层可能会在金层下逐渐氧化变质，形成黑焊盘。

（二）助焊剂残留

板面存在较多的助焊剂残留的话，既影响了板面的光洁程度，同时对PCB板本身的电气性也有一定的影响。

助焊剂选型错误：比如要求采用免清洗助焊剂的场合却采用松香树脂型导致残留较多。例如在一些对板面清洁度要求较高的电子产品生产中，如果错误地选择了松香树脂型助焊剂，就会在板面留下较多的助焊剂残留。
助焊剂质量问题：助焊剂中松香树脂含量过多或是品质不好容易造成残留过多。例如一些低质量的助焊剂，其松香树脂的纯度不够或者含有较多的杂质，在回流焊后就容易在板面留下较多残留。
清洗问题：清洗不够或是清洗方法不当不能有效清除表面残留；工艺参数不相匹配，助焊剂未能有效挥发掉，也会造成助焊剂残留。例如在清洗过程中，如果清洗液的浓度不够或者清洗时间过短，就可能无法彻底清除助焊剂残留。而且如果回流焊的工艺参数（如温度、时间等）设置不当，助焊剂不能充分挥发，也会在板面留下残留。