助焊劑類型對錫膏焊接過程中飛濺的影響-福英達(dá)焊錫膏
助焊劑類型對錫膏焊接過程中飛濺的影響-福英達(dá)焊錫膏
回流焊接是電子裝配中非常復(fù)雜的過程。隨著元器件封裝尺寸的減小，元器件端子數(shù)量的增加，以及鉛基焊料合金的限制，許多工藝問題出現(xiàn)了。可能的關(guān)注點包括橋接、不濕潤、脫濕、焊錫球、立碑、開路接頭、空洞、翹曲等相關(guān)問題。 其中近60％的問題可以歸因于焊錫膏焊接過程，特別是對于超細(xì)間元件。然而，許多工藝問題也與助焊劑的使用有關(guān)。助焊劑的不良副作用可能以不良濕潤、腐蝕、電化學(xué)遷移、空洞形成或助焊劑飛濺的形式出現(xiàn)。助焊劑類型也可能影響焊點微結(jié)構(gòu)和基板與焊料之間的金屬間化合物層，這與焊點的長期穩(wěn)定性和可靠性直接相關(guān)。
另一方面，采用為無鉛焊料設(shè)計的助焊劑增加了與助焊劑有關(guān)的問題數(shù)量。由于無鉛焊料合金的潤濕性能比鉛基合金差，因此它們的表面張力更高，所以需要更多化學(xué)性更強(qiáng)的助焊劑。為了滿足清潔要求，現(xiàn)代無鉛助焊劑必須含有活化劑，即鹵化物。國際標(biāo)準(zhǔn)IPC J-STD-004B根據(jù)鹵化物含量將助焊劑分為不同類別。含有鹵化物活化劑的助焊劑引起的反應(yīng)比鉛基焊料使用的助焊劑更強(qiáng)烈，以去除氧化物。此外，助焊劑的數(shù)量越多，揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的含量就越高，作為溶劑發(fā)揮作用。在助焊膏的回流期間，溶劑可能過度蒸發(fā)。這兩個因素可能導(dǎo)致一系列工藝問題。
如今，免清洗助焊劑在焊膏中廣泛使用，以避免額外的清洗過程并降低生產(chǎn)成本。根據(jù)行業(yè)分析，免清洗助焊劑的市場份額為40%。焊接過程后，板上的助焊劑殘留物應(yīng)該是固態(tài)和惰性的。 Lee指出，這樣的殘留物不應(yīng)導(dǎo)致任何可靠性問題，如焊點或接觸墊的腐蝕或氧化。然而，Zhan等人的一些以前的研究證明，免清洗助焊劑殘留物可能引起與腐蝕和電化學(xué)遷移有關(guān)的可靠性問題。除了腐蝕或電化學(xué)遷移問題外，免清洗助焊劑殘留物也可能引起與其絕緣特性有關(guān)的其他問題。
圖1.被錫膏焊劑殘留物污染的金連接焊盤。
當(dāng)焊劑在回流焊接過程中從焊膏中濺出并污染焊接周圍時，將出現(xiàn)兩個潛在的威脅。其一，焊劑殘留物附著在測試盤上，使內(nèi)部電路測試變得困難。該殘留物可能充當(dāng)障礙物，防止內(nèi)部電路探針與測試盤接觸，因此即使電路板完全功能正常，測試機(jī)也會自動將其標(biāo)記為廢品。此外，焊劑殘留物也會污染作為連接器的金連接焊盤（“金手指”），并可能使電氣接觸變差。這兩個問題在Berntson等人的研究中都有詳細(xì)的描述。可以在圖1中看到一個“金手指”被免洗錫膏焊劑殘留物污染的真實商業(yè)例子。
熔融膏飛濺原因
Berntson 等人提出了關(guān)于熔融膏飛濺根本原因的兩種理論。溶劑排放理論認(rèn)為熔融膏飛濺是由溶劑和其他易揮發(fā)成分的大量蒸發(fā)引起的。另一方面，聚合理論認(rèn)為由熔融錫表面張力引起的力作用于軟釬焊料內(nèi)部的助焊劑上。在快速加熱的情況下（例如，在回流階段的溫度升高的時候），力量足夠快速將助焊劑從熔融錫中推出。根據(jù)實驗觀察，作者偏向于第二種理論。助焊劑本身在加熱過程中未飛濺，僅當(dāng)存在于錫膏中飛濺。然而，這項研究僅限于基于Pb的焊料和為基于Pb的焊接設(shè)計的助焊劑。此外，通過增加預(yù)熱階段的溫度和時間以及使用ramp-soak-spike (RSS) 溫度曲線而不是ramp-to-spike (RTS) 曲線，可以減少熔融膏飛濺。這些情況表明溶劑的影響也很重要。
圖 2.擴(kuò)散通量的表面張力平衡圖。
后續(xù)的研究集中于焊錫球產(chǎn)生問題，這也與焊膏濺射有關(guān)，盡管還有其他影響因素，例如焊膏中金屬顆粒的氧化。Tan等人對鉍錫焊膏進(jìn)行了實驗，他們得出結(jié)論，焊球產(chǎn)生的概率隨著回流階段溫度梯度的增加而增加。Chansa-ngavej和Kasemsomporn證實了溫度梯度和預(yù)熱階段對由濺射引起的焊球產(chǎn)生的強(qiáng)烈影響。
然而，許多研究表明修改溫度曲線并不總是一種合適的解決方案，因為它也強(qiáng)烈影響焊接接頭的創(chuàng)建以及其特性。此外，在工業(yè)實踐中通常不可能更改溫度曲線，因為熱調(diào)節(jié)需要大量的時間，在大規(guī)模生產(chǎn)中不能浪費。因此，正在研究其他可能減少或消除此問題的方法。更改焊接技術(shù)也是有益的，例如，在焊接過程中使用超聲波。Hu等人表示，超聲處理有助于焊料潤濕和界面反應(yīng)，因此可以減少焊膏的數(shù)量，從而降低濺油的概率。另一種有前途的技術(shù)是蒸汽相焊接，在該技術(shù)中，PCB表面受到惰性焊液層的保護(hù)，不受助焊劑污染。然而，在實踐中，技術(shù)的改變通常是不可行的。
關(guān)于焊劑濺射的評估
從表中焊膏的明顯差異可以看出，這可能主要是由于不同的化學(xué)組成造成的。在含有較少活性焊膏和較少鹵素的Paste B的情況下，與Paste A相比，焊膏殘留物的數(shù)量平均減少了63％。同時，Paste A的平均焊膏殘留物尺寸比Paste B小。理論上，使用Paste B焊接后留下的較高污染率增加了液滴覆蓋電路測試墊的概率，從而威脅了整個電路板的功能測試。另一方面，由于殘留物較少，總污染面積也減少，因此這種情況的概率也減少了。對于Paste B，所有焊膏殘留物的總面積較小，因此從焊膏中釋放和濺出的總量也較小。可以得出，含有較少鹵素的焊膏顯著減少了濺灑效應(yīng)。
表 1.助焊劑擴(kuò)散和飛濺評估的結(jié)果。
結(jié)果說明了選擇焊劑（焊膏）在處理焊渣濺散問題時至關(guān)重要。使用含有更多鹵素的ROL1焊劑，與ROL0焊劑相比，焊渣濺散的可能性增加，因此ROL0焊劑在實踐中是首選的。然而，必須考慮焊劑潤濕可能受到影響。
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參考文獻(xiàn)
Petr Vesely, Karel Du?ek, Denis Fro?. (2022). Toward reducing no-clean flux spatter during reflow soldering: Investigating the effect of flux type, solder mask, and solder pad design. Journal of Manufacturing Processes, vol. 81, pp.696-706.
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