电路板无铅焊接的品质问题（二）冷焊与假焊

一、锡球与锡珠

(1)遭排挤而流浪的碎小锡球

锡膏体积有半数以上是有机物，其中部份为溶剂或挥发物，甚至还会吸入水份。此等轻质者虽然预热中多数被赶走，但剩馀的活化剂与树脂等，仍会在锡粉强热癒合中被裂解成液或成气，进而发生流出或吹出的现象。一旦某些锡粉表面氧化物较厚以致助焊剂也束手下，无法参与主体(Bulk So1der)融合之际，只好随著气体液体而远离中央，过炉后成为流浪在外的细碎锡球。此点与前述波焊发生溅锡之锡球，在成因与解困上完全不同，不宜冯京马凉泾渭不分。

大发快盈500 图1、左图为锡膏中锡粉生鏽以致癒合试验之不良者，可见到许多流浪在外的碎小球粒。

大发快盈500 中图为良好锡粉经癒合成为整球且无失散者之良好画面。右图即为挥之不去俯拾皆是的锡球问题。

造成部份锡粉过度氧化而无法熔入主体之现象，当然与Profile之Soak太久有关。但配方中活性剂之天职即在保护锡粉免遭强热之氧化，否则只有採用氮气来帮忙了 。事实上在锡膏进料检验之熔融癒合时，就可看出此种品质的好坏。早期业界有一种不成文的说法，只要溅出锡球的直径小于5 mi1就不致造成短路，也就可以视若无睹了 ，不过这也要看客户而定。

图2、小型被动元件的两端焊接封头，一旦其承垫上锡膏太多，

经踩脚后可能会向中央挤出，回焊后即在封体旁形成较大的锡珠。

(2)片状小件旁的锡珠

大发快盈500 某些片状电阻器或电容器经过回焊后，其封体两侧经常会出现颗粒颇大的锡球，特称之为"锡珠"。主要成因是垫面的印膏量太多，经由贴片机在设定高度下踩脚暂贴时，两端头不免会将部份锡膏挤向腹底中央而脱离垫面主膏。此等锡膏在过炉中将自行熔融，并经有机物裂解的吹气中，从腹底滑出而成为较大号码的锡珠。其实此种黏著不牢的锡珠很容易被冲洗掉，但免洗製程之下则只好呆挂在封体旁的板面上了。此现象也与锡膏的配方有关，某些品牌就不会发生此种锡珠。

解决办法就是朝减少锡膏印量方面去想点子，如将钢板开口由正方型去掉两角，形成如棒球术语的“本垒板”型，或弯月型等，均可有效改善锡珠的麻烦。目前甚至连佈局(Layout)软体均已将此种办法纳入了。

大发快盈500 图3、解决锡珠最有效的方法，就是减少二銲垫相邻中央区域的锡膏印量，

大发快盈500 如右二图的本垒板型及左二图的缺月型即为常见的对策。

二、立碑(Tombstoning)

大发快盈500 早年在蒸气式熔焊(Vapor Phase Reflow；利用高沸点溶剂蒸气中之热量，进行锡膏熔焊製程中，即发现小型片状被动元件非常容易发生立碑现象。其原因是当某端头的锡膏先行熔融，在表面张力展现下会将另一端尚未熔融者向上拉起，形成立碑或吊桥(Drawbridge)。

图4、当小型被动元件(0402，0201)之一端已熔焊而另端尚未熔时，

则在力距不等下，将被拉起形成立碑，或自动贴片机踩脚二端深度不均时也会形成立碑。

图5、左图为0201的电阻器，其体积外形比针眼还小，无铅回焊中最容易发生立碑。

右图为0402的电容器通常其厚度要比电阻器更厚。

目前之热风回焊製程中，一旦板面最冷点与最热点之温差(△T)太大(超过1 5℃以上)，或两端焊垫之沾锡性不同，甚至一端连，接到大铜面以致失温，或印膏太厚，或两端锡量不均，或贴片机踩脚深度不等，或使用氮气内众力变大，又冷却太快时，都容易引发立碑的麻烦。而且此等片状元件愈小者(如0402，0201)也越容易发生立碑，承垫愈大者也容易立碑。彻底解决办法一时还不容易找到，只能靠品检与返工逐件修理而已。

三、扰焊(Disturbed Soldering)

热量不足无法使锡膏完全熔合者谓之冶焊；而所谓“扰焊”者，则是指处于液态或浆态之非共熔性(Non—Eutectic)銲料，在其固化之半途中遭到外力的干扰(如抖动震动等)，以致固化后的微结构(Microstructure)不扎实，外观很不平顺，容易在老化过程中提早发生开裂，在后续可靠度(Reliability)方面带来很大的隐忧。此种缺失在具体外观上可见到有应力线(Stressline)的呈现，或外表凹凸起皱者即为已发生扰焊之徵兆。而且在TAL中发生抖动时，还会造成小件的偏斜与短路等麻烦。事实上波焊也有相同的问题，成因方面也并无不同。

图6、凡銲料未能形成共熔组成者必定有浆态存在，当其输送移动中若尚未完全固化时，

一旦出现抖动振动就会造成銲点的扰焊，后续可靠度亦将为之不足。但右图却为冷焊的外观。

四、冷焊Cold Soldering

大发快盈500 回焊中电路板某处锡膏由于热量不足，无法使锡粉完成癒合而成为整体銲点(Bu1k Joint)时，则外观仍将呈现锡粉之颗粒，而且引脚或銲垫之介面处也全未长出良好的IM C，亦即毫无强度可言者，谓之冷焊(Cold Soldering)或虚焊。此种缺点在无铅回焊中并不罕见。若其外观原本光亮者此时将呈现灰暗与粗糙之表面，但外观原本不亮的SAC305则无法由此法去做判断。

大发快盈500 图7、锡膏回焊热量不足未能彻底熔合癒合时銲点将呈现颗粒状外观，或散锡不良或有气孔等冷焊现象。

有时通孔插脚波焊时，其上锡到了某高度时即停止不再向上爬了，若其附近引脚通孔之上锡性都还良好时，即应检讨该特定通孔是否已有“失热”或“散热”现象以致液锡爬不上去，也就是说其介面间无法形成IM C者，当然就无法沾锡吃锡了。此种现象虽也由于是“冷”所造成的，但却不会形成所谓的冷焊之銲点。除非是快速移动硬生生将熔锡拉出，外观上的沾锡角也已超过9 0度，其介面间根本没长出良好的IM C者，则也是另一种冶焊现象。

大发快盈500 图8、此为波焊或浸焊输送速度太快，或锡温不足以致流动性迟钝下，经常造成沾锡角超过90度，鍚量过多的另类冷焊。

五、白色或灰色残渣

当锡膏中的锡粉完成癒合并凝聚成为銲点主体之际，所有固态或液态辅料均因比重较轻而被排挤出去。大部份溶剂与小分子挥发物，都会早期气化而被抽风而抽出炉外室外，但亦有少部份会黏著在板面上成为白色残渣。此残渣成份十分複杂，可残馀物，活化剂清除氧化物反应后所生成的副产物，以及其他再料并围绕在銲点的四周，虽不致造成漏电但也很讨人厌。而且还妨碍“在线测试”(ICT)，甚至某些残渣还会附著在探针的接触尖部。此等残渣只要在溼气中尚不致拉低 “表面绝缘电阻”(SIR)者，仍可允许其存在。但2007年以后一旦禁用"挥发性有机物"时，则水溶性助焊剂上场后势必又要恢复水洗流程，以减少产品各种失效的危险。

图9、免洗波焊或回焊之銲垫外缘，经常出现有机物残渣，虽不致造成后续可靠度的问题，

但却会影响电测探针的整洁，进而影响到所测电性之正确性

六、点胶不牢遗失零件

当採双面混合製程时(指正面回焊+反面波焊)其正常工序为：

(1)先在PCB的顶面(即早期称呼的Component Side)或主面，利用钢板对全部SMD之焊垫印刷锡膏，以及大零件腹底的点胶。然后再进行小零件的高速贴片，与大零件的正确放置，之后即进行回焊而使之全部焊牢黏牢。、

图10、左为自动点胶机的多枚注射器外观，中图最下位的电阻器连同所点的红胶也一併遗失，也许是局部板面不洁所致。

大发快盈500 右图可见到另一种高温胶带的保护。

大发快盈500 (2)次于PCB的底面(即Solder Side)或反面，另外印刷上或点著上定位黏牢用的红胶或黄胶，然后再贴附上小零件或大零件(如Q F P)，并利用性能较差已閒置的回焊炉进行烤胶固化的动作。

大发快盈500 (3)再回到顶面将必须插脚波焊的大件，将其引脚逐一在通孔中插妥，如此即可进行底面的波焊，如此可同时将顶面插件与底面贴件一併焊牢。此种一波两焊的工法，不但能让板子所受折磨得以减轻，而且成本上也较便宜(通常锡膏回焊的成本是波焊的两倍以上)。

大发快盈500 图11、左为底面的QFP在进行波焊前腹底必须点胶予以固定。右图採锡膏回焊的另一大型的，

其腹底也必须点胶固定，以防翻板后二次回焊或波焊时，再度受热而可能的脱落。

不过点胶黏胶等多出的製程中，一旦腹底固黏不牢，波焊后经常会发生遗失零件的麻烦。

此时绿漆应以雾面者为宜，不但可加强对红胶的接著力，而且一旦发生各种流浪式的锡球时，也会降低其著床的力道。

七、热量不足BGA内球之假焊

当板面装有大型B G A时，一旦其腹底内部之热量不足，无铅球与无组合，经常会出现无铅膏本身之先行癒合，与无铅球之软化变扁，但两者间的合流。出现类似睡觉时脑袋与枕头彼此接触的关系，特称为Pi11ow的“头枕接触”式的假焊问题，两者间当然不会出现应有的强度决之道就是在测取回焊曲线(Profi1e)时，一定要将BGA腹底PCB钻通，并将一具感热测头自板底伸入BGA之腹底区内，先行焊牢然后再另行贴焊一枚确实瞭解该死角处回焊温度倒底如何?

图12、左图为昍八球脚与銲垫上锡膏二者未能彼此彻底互熔的外观，右为SEM微切片所见强度不足的"枕头效应"。

事实上大型BGA的腹底中央，通常在设计时即不敢设有用的鍚球。即使设球也只是较次要的散热球或接地球，或无功能但有支撑力的假球而已。因而即使发生此等冷焊（Co1d Soldering)时，也不容易被在线之电测所逮到。不过一旦到了客户手上，即使鸡毛也成了令箭，铁証如山下也只好割地赔款了 ！至于其他零件之回焊，也常因热量不足而出现锡膏并未彻底熔合之外观，也正是冷焊的症状，事实上其介面也根本未长出IM C 。不过要注意的是当附近其他銲点都寻E常良好时，则须深入检讨该规律性发生冶焊之焊垫组成，是否仍全部与大地铜面相连(只用绿漆隔开而已)，进而失温所造成?果其如此则解决办法很简单，只要在佈局时留下导电的脐带即可，根本无需全部相连。某些銲垫就近连到通孔者，或多层板孔壁直接通到内层大铜面者，焊接时都会发生规律性热量不足的问题。

图13、大型BGA回焊后，利用X-ray在45度倾斜透视下，可见到上下銲点的好坏，此图上排左三球的载板处上銲点即未焊牢。

八、銲锡之不良爬升

大发快盈500 SMT之锡膏回焊技术，可将各种零件引脚(例如鸥翼伸脚、J型钩脚、B G A球脚与被动元件之封头等)，在PCB各式銲垫上焊牢。由于锡膏中之有机物体积约占了一半，故完成回焊后元件会稍形下降而更贴近板面，而且锡粉癒合熔合后还会因沾锡力量(wetting ForCe)而将銲锡往引脚的高处推升。凡当元件回焊中热量过度时，经常会导致熔锡沿著引脚爬升，不但造成元件本体被烫伤，而且也将导致引脚底部的锡量不足，进而引发可靠度与强度的隐忧。此种异常向上爬锡的现象，在QFP或SOIC等鸥翼伸脚(Gu11wing)上部，处于过热情况或二次受热下最易发生。

图14、左中图鸥翼脚过度热量造成回焊中锡量向上爬升，以致脚底下锡量不足，

而在右上图见到居间狭窄銲锡与上下IMC之间的极度缺料之窘态，与受外力而浮裂之眞像

笔者常提到三句口诀“人往高处攀，水往低处流，锡往热处爬”。当板子进入热风区中，由于金属引脚吸热很快，且热容量(Therma1 Mass)很小，故很快就达“很热”的状态。反之PCB不但体积大热容量大，而且不良导体的板材又使得銲垫的热度更加不如引脚了。于是造成銲垫上的锡量逐渐往引脚热处高处爬升。加以鸥翼脚上部弯折弧形的内表面，更因熔锡的内聚力造成众多锡量的聚集处，其锡量甚至远超过同高弧形之外表面。

大发快盈500 图15、当QFP长型焊垫距离导通用PTH太近时，其焊垫锡膏熔焊时，

大发快盈500 经常被通孔铜壁所抽吸而造成缺锡，最好採绿漆堵孔以改善之。

解决过度爬锡的办法，首要者当然是选用正确的？避免急速加热与热量过度，或将助焊中活化剂的活化啓动温度提高，抑制其太早活化，以减少过早与过多的爬锡。另一种做法就是加强回焊炉底面热量的输送，增加PCB本身的温度，减少引脚上部与板面焊垫在热量方面的落差，消除脚底部锡膏被迫向上虹吸的效应。