电路板无铅波焊常见缺点
一、选择性波焊
当底面只有很少区域需要锡波焊接,但又欲节省昂贵载具(Pallets)之花费者,虽可改用锡丝(SOlder Wire)与烙铁(Solder Iron)的手焊,但由于手焊品质不易掌握;如应力增大、死角难以进入、热量不足,或焊点较多人工成本太局等;甚至双面均需插孔波焊者,则局部性锡波之选焊法仍有其必要性。因而国外供应商们乃开发出十分特殊的选焊机器,在机械手(Robots)及输送带(Conveyor)的配合下,可对板子底面进行定点或定区之浸焊(Dip)或定点之拖焊(Dray),甚至手动式局部板面的涌焊等,现分述于后。
(一)、局部板面涌焊(Flood)
此类设备较简单,只需用到一个大锡池(例如5 0 c m×6 0 c m),池面加装一个不锈钢有开口的大盖子(Plate),大盖中央开口待焊区另外套装一个可更换有围牆的小套盖,围牆内则为熔锡的全池面或选择性池面。将已涂佈助焊剂及预热的板子,利用手动方式使平躺并固定在围牆上,然后踩下脚键使中央锡面向上升涌起来,于是将朝下的局部焊点在6—10秒内予以焊牢。此种简单涌焊法可变化的方式颇多,在许多单双板界甚爲常见,不过其共同的缺点是近距者容易短路。
图1、左爲大锡池表面所放置有开口及矮围牆的大型盖口板,右爲从开口板上涌锡浸焊的示意图。
(二)、定点浸焊(DiP)
少量熔锡从定点“涌嘴”溢出形成圆弧状表面,再用程式将板子移动到定位,并令其接触到定点锡面即可沾锡焊牢。在机械手与输送带以及软体程式配合下,可进行助焊剂涂佈、预热,以及触焊等连续流程。此法可实施单点浸焊,也可直线移动板子而进行多点的拖焊。不过自动化流程不但昂贵且十分缓慢,为了保証足够的热量起见,其锡温亦须设定在3 00℃以上以避免冷焊。如此将会使不锈钢的铁份,更容易被高锡量銲料与长期强热所腐蚀。下图说明单点浸焊的机条组,及单点助焊剂喷涂机与喷点之分佈情形。
图2、右下图爲大型连接器需进孔插焊之纵横多脚,其馀二图系考虑密集多点
图3、左图及中图均爲定点浸焊专用的出口板及涌锡图,右爲孔内插脚之涌焊进孔切片图,
由于涌焊的时间比波焊稍长,故平均品质也将较好。
此种选择性浸焊法,亦可在大锡池上加装涌锡专用的出口板,而能进行长条式多样化的涌锡浸焊。甚至可改用多格栅口涌锡之不鏽钢治具,进行多点密距之浸焊以减少彼此间的短路。
(三)、移动拖焊(Drag)
大发快盈500 利用机械手将板子精确的放置在直径6mm的单嘴锡波(Fountain)之上方,再以某种速度将板子沿銲点轨迹移动,使局部小区之前后焊点得以逐一焊牢者称为拖焊。此种做法可省掉专用Nozz1e Plate的费用,但程式自动化之作业不但配套昂贵且亦非常耗时,对付少量高单价的板类尚可,因应低单价量产者则只好割爱。
大发快盈500 图4、左爲小型出口的单点浸焊装置,右爲PCB在机械手臂驱动下,
将连续待銲点跨距1吋〈20脚之连接器)拖过单点锡波而焊妥的近观。
二、无铅波焊经常出现的缺点
无铅波焊銲点之某些缺失,根本是出自其物理本性,在无法避免之下业界也只好视之为正常。因而国际通用规范IPC—A一610D,已将某些缺失纳入于允收之列,与先前有铅焊接者已经不同,读者不可不知。此外无铅波焊所发生的品质问题,与无铅回焊者又不尽相同,必须深入透析其机理,方不致张冠李戴混为一谈。若某些波焊异常现象只是出自操作与管理不当者,则仍将被认定为品质上的缺点,现举例说明如下:
(一)、插脚填锡出现銲点裂口
由于美、曰业界早巳认定SAC为波焊的主流銲料,并经长期研究而在众多可靠度的数据支持下,几乎已成为最佳的选择。事实上SAC不但较贵、可焊性欠佳、容易自PCB上咬铜,而且还会出现粗糙不亮与收缩裂口。不过只要裂口不致穿透到底者(指引脚表面或板上垫面),IPC-A-610D认定其品质无碍可以允收。若将銲料改爲较便宜的时,则表面反而更爲平滑,其开裂的发生也大爲减少。
大发快盈500 图5、左爲SAC波焊面引脚焊点之俯视画面,其颗粒状粗糙外表与收口裂缝均清晰可见。
大发快盈500 其馀二图爲其切片之暗视放大情形。
(二)、銲点浮离(Fillet Lifting)
由于无铅波焊(SAC或SCN)之热量大增,造成板材的Z膨胀(55—60ppm/℃) 与銲料本身热胀系数 (CTE) 之间,发生很大的落差或失配 (MiSmat Chment),以致在强胀后的快速冷却收缩中,当銲点銲料(20—22ppm/℃)跟不上板材的回缩下,一旦其间IM C的生长又不良者,将会造成铜环与銲料之间的分离。若其间之工M C够强时,则又可能会将铜环从板面上拉脱,或是銲料本身的开裂等现象。至于有铅焊料者由于其本性十分柔软,故极少发生此种缺失,除非是厚板深孔才偶而会出现,避免之道应著眼于:
(1) 不可使用铋合金銲料,因其冷却收缩率很大。
大发快盈500 (2) 避免铅污染所造成局部低熔点区的麻烦。且少量的铅与铋还会在熔融中往铜面移动,进而妨碍IMC的生长以致强度不足。
大发快盈500 (3) 焊后宜加速冷却,以减少其CTE落差出现的机会。
图6、由于PCB板材之Z膨胀远超过銲料,故冷却收缩过程中会出现.铜环翘起(左),
焊料与铜环分离(中/㈠以及銲料本身的撕裂(右)等不同情况。
(三)、搭桥(Bridging)
大发快盈500 当SAC或SCN等合金銲料发生多量铜污染时,将带来熔点(mp)上升的负面效应,碍于操作焊温无法同步调高下,致使液料之黏度(Viscosity)增加,在原定产速下(例如110cm/min)难免会引发前后相邻引脚间的搭桥短路(。降低产速虽可应付一时,但溶铜现象还将更为恶化。而无铅焊接在这方面的不良又更甚于有铅者。釜底抽薪的办法就是降低锡池中的铜含量,或添加时改用不含铜的銲料(例SAC30或SN等)去作为补充,以降低其黏度与提升其流动性(F1uiditY),而使搭桥得以舒解。此外良好的助焊剂也可减少搭桥的发生,某些设计不良彼此太近者,则应将间距予以放宽。採用氮气者也可增加液锡的活性而降低搭桥;或在容易短路的密距QFP出波之尾部,加设牺牲打用途可将多馀銲料予以聚集而成爲"锡贼"的做法。
图7、左图爲大型元件QFP经点胶及波焊而完成的无铅波焊画面,可见到通过锡波的尾部设有延长锡贼,
大发快盈500 两翼亦设有扇形锡贼,但前导体的领头处却未加锡贼,右图爲另一SOIC四角的锡贼。
(四)、发生锡球(Solder Balling)
不管是波焊或回焊,无论为有铅或无铅,锡球一向总是如影随形难以根绝的毛病,其成因多半出自直接杀手之溅锡(Spattering)通常助焊剂中之溶剂在预热中未能全数赶走,则顶面易从孔内向外溅出碎球。绿漆硬化不足致使高温中变软或太平滑者,则底面容易发生黏著现象,两板面出现碎球的原因不同。有时OSP皮膜处理不均、或放置太久以致底铜发生氧化(例如库存超过半年),或锡膏清洗后又重印者,其OSP皮膜已遭醇类所栘除,导致裸铜生锈而发生沾锡性不良,其拒锡过程中亦可能造成溅锡。某些劣质通子L发生吹孔(Blow Hole)时也会溅锡成球,此时调降扬波器泵浦的转速或波压,将可减少锡球的溅出。
图8、左图爲底板面多脚近距间出现极多不良锡球,甚至表面刻意印了白漆者,
大发快盈500 仍无法避免锡球的著落(右图)。
(五)、锡尖
当无铅锡池因溶铜过多以致黏度过大时,容易出现牵拖拉扯的短路或锡尖。凡锡池中溶铜量增加0.1%byw t时,其熔点将上升3℃在原本焊温已法同步提高下,其热量之不足势必造成流动性(FluiditV)变差,离波时将无法及时把多馀的锡量顺利拉回而形成锡尖。此刻若具备双波时,后面的平流波会将多馀的锡量溶回。合理的管理方法是不让板面溶入的铜量超过0.9%bywt,否则就要进行除铜的行动以增加液锡的流动性。
大发快盈500 图9、当锡池之铜污染增多致使銲料黏度变大,或锡温不足,或行速太快之际,
大发快盈500 拖泥带水拉拉扯扯下经常会形成锡尖与锡锥。
(六)、PTH銲点空洞
凡任何銲点中出现圆形空洞者,不管大小应皆出自于气体吹胀均匀推开液锡所致,发生气体(Qutga Sing)的主因是有机物的裂解(DecOmposition)。而有机物的来源则可能出于助焊剂或溶剂之卷入銲点中,在外表已固化而未能及时逸出之际,则只好原地裂解发气形成圆球型空洞。
大发快盈500 除了助焊剂、溶剂或板材吸潮之水份外,板面可焊性皮膜(如化学银或OSP等)强热中也会释出有机气体造成空洞。不过此等空洞多半体积很小且多聚集在铜垫或铜壁上,较少机会逸入銲料之中。空洞太多太大当然会影响到銲接强度。从切片的画面上可清楚看到空洞的位置,不管是孔铜壁面或插脚表面,凡已有空洞附著者,则一定无法生长出所必须的的IMC。
(七)、PTH吹孔
大发快盈500 凡PTH之钻孔不良又加上孔壁镀铜太薄或分佈不佳时,则于无铅波焊的高热中,其Z方la]的拉扯极可能会将孔铜拉断或形成破洞(Void)。倘若板材中又已吸入水份时,则将瞬间形成水蒸气而向孔内之液锡强力喷tti形成很大的空洞,特称吹孔(B1ow Ho1e)。这种缺.点完全是PTH製作不良所造成,与后来组装参数之关系不大。波焊后板子可先从So1der Side~目检,一旦某些填锡孔出现隆起鼓出者,则锡柱内部很可能就已经吹气了。原因是板子底面接触鍚板温度较高而慢冷,当其填锡处尚未固化时,即可能被内部强大气压向外吹破,故知真正的“吹孔”则只能在底板面上才能看到吹破。吹孔不但是PCB业者的责任,而且还更是很不应该发生的恶行。
大发快盈500 图10、当PTH通孔电镀铜品质不良在高热中剧裂Z膨胀拉裂铜壁下,内藏水气会经常往孔中液锡强力吹出而造成吹孔。
这完全是PCB品管不良所致,与下游组装全无关系。
改善吹孔的方法有:
(1) 改善钻孔减少孔壁粗糙,增加孔铜厚度与均度,深孔者还要提升镀铜层的延伸率(Elongation)至2 0%以上,以避免孔中央被拉断。
(2) 避免板子吸水减少气体来源
(3) 既成事实下只好在焊接前烘烤空板,并儘快波焊以减少再度吸水。
大发快盈500 图11、吹孔之切片检查是否能找到眞相全靠运气,不一定每次都会逮到吹口的画面。
左图的吹口可能落在直入纸面的正对面,也可能早已被磨掉;
但右图底板面之右上孔经填锡后却向外鼓出者,即可能锡柱中已发生了吹孔。
三、总结
大发快盈500 此文付梓之际,欧盟及日本已进入无铅焊接正式执法之开始,2007美国与中国之法令也要相继落实无铅化的展开。而电子电器产品之焊接技术,虽已步入锡膏回焊多年,但单价较低的波焊仍无法自低阶产品中彻底消失。目前多数品牌商虽已指定或倾向mP217℃的SAC305为波焊用料,但事实上此种SAC在銲点品质、单价与生产管理方面都逊于后起之镍铜镍SCN合金,故波焊与喷锡之用料实应捨SAC而就SCN;然而业界明瞭内情者还真的不多,特此赘言以表寸心。
图12、上图爲鍚铅波焊后的外观,下图爲鍚铜镍波焊后的品质,相较之下后者并未逊色。