将溅锡的影响减到最小
罗丝 . 伯恩逊、大卫 . 斯比罗里和杰弗里 . 安卫勒 ( 美 )
在回流之后，内存模块的连接器“金手指”可能出现溅锡的污染，这意味着产品的品质和可靠性问题和制造流程问题。
溅锡只是表面污染的一种，其它类型包括水渍污染和助焊剂飞溅。这些影响较小，但由于焊锡飞溅，焊锡已实际上熔湿了“金手指”的表面。
“小爆炸”
溅锡有许多原因，不一定是回流焊接时热的或熔化的焊锡爆发性的排气结果。例如，通过观察过程，以保证锡膏丝印时的最佳清洁度，溅锡问题可以减少或消除。
任何方法，如果使锡膏粉球可能沉积在金手指上，并在回流过程时仍存在，都可以产生溅锡。包括：
• 在丝印期间没有擦拭模板底面 ( 模板脏 )
• 误印后不适当的清洁方法
• 丝印期间不小心的处理
• 机板材料和污染物中过多的潮汽
• 极快的温升斜率 ( 超过每秒 4 ° C)
在后面的原因中，助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊接点中的小爆炸，促使焊锡颗粒变成在回流腔内空中乱飞，飞溅在 PCB 上，污染连接器的“金手指”。 PCB 材料内夹住潮气的情况是一样的，和助焊剂排气有相同的效果。类似地，板表面上的外来污染也引起溅锡。
溅锡的影响
虽然人们对溅锡可能对连接器接口有有害的影响的关注，还没有得到证实，但它仍然是个问题，因为轻微的飞溅“锡块”产生对连接器金手指平面的破坏。这些锡块是不柔顺的，锡本身比金导电性差，特别是遭受氧化之后。
第一个最容易的消除溅锡的方法是在锡膏的模板丝印过程。如果这个过程是产生溅锡的原因的话，那么通过良好的设备的管理及保养来得到控制，包括适当的丝印机设定和操作员培训。如果原因不在这里，那么必须检查其它方面。
水印污染 ：其根本原因还未完全理解，虽然可能涉及许多根源。因为已经显示清洁的、未加工的、无锡膏的和没有加元件的板，在回流后也会产生水印污染，所以其中包括了许多的原因： PCB 制造残留、炉中的凝结物、干助焊剂的飞溅、清洗板的残留和导热金的变色等。
水印污染经常难于发现，但其对连接器接口似乎并无影响。事实上内存模块的使用者并不关心这类表面污染，常常看作为金的变色。
助焊剂飞溅：一般理解为，助焊剂水滴在回流炉中变成空中乱飞，分散和附着在整个板上，包括金手指。有两种理论试图说明助焊剂飞溅：溶剂排放理论和合并理论 ( 丝印期间的清洁再次认为有影响，但可控制 ) 。
- 溶剂排放理论 ：认为锡膏助焊剂中使用的溶剂必须在回流时蒸发。如果使用过高温度，溶剂会“闪沸”成气体 ( 类似于在热锅上滴水 ) ，把固体带到空中，随机散落到板上，成为助焊剂飞溅。
为了证实或反驳这个理论，使用热板对样板进行导热性试验，并作测试。使用的温度设定点分别为 190 ° C ， 200 ° C 和 220 ° C 。膏状的助焊剂 ( 不含焊锡粉末 ) 在任何情况下都不出现飞溅。可是，锡膏 ( 含有粉末的助焊剂 ) 在焊锡熔化和焊接期间始终都有飞溅。表一和表二是结果。 $Page_Split$
表一、溶剂排气模拟试验
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测试描述 |
材料 |
结果 |
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助焊剂载体 ( 无粉末 ) 印于铜箔试样，放于设定为 190 ° C 、 200 ° C 和 220 ° C 的热板上 |
助焊剂载体 B 助焊剂载体 D |
在试样上没有明显的助焊剂飞溅，第二次结果相似 |
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将锡膏印于铜箔试样，放于设定为 190 ° C 、 200 ° C 和 220 ° C 的热板上回流 |
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两种金属含量都可以看到助焊剂飞溅，金属含量较高的产生飞溅可能较少，但很难说。第二次结果相似 |
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助焊剂 A ： Kester244 ，助焊剂 B ： 92 ，助焊剂 C ： 92J ，助焊剂 D ： 51SC ，助焊剂 E ： 73D ，助焊剂 F ： 75 |
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表二、从金属焊接中的助焊剂飞溅模拟试验
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测试描述 |
材料 |
结果 |
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锡膏 ( 有粉末 ) 印于铜箔试样，放于设定为 190 ° C 、 200 ° C 和 220 ° C 的热板上 |
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保温区 ( 干燥 ) 模拟 -- 锡膏印于铜箔试样，在设定不同的温度热板上预热不同的时间，保温范围 150 ° C~170 ° C ，时间 1~4 分钟。试样然后转到第二块热板上，以 220 ° C 回流，并观察助焊剂飞溅。 |
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Sn62 的锡膏和 Sn63 的锡膏比较，看是否 Sn62 较慢的结合速度会减少飞溅 |
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助焊剂 A ： Kester244 ，助焊剂 B ： 92 ，助焊剂 C ： 92J ，助焊剂 D ： 51SC ，助焊剂 E ： 73D ，助焊剂 F ： 75 |
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可以推断，如果助焊剂沸腾引起飞溅，那么当助焊剂单独加热时应该看到。可是，由于飞溅是在焊锡结合时观察到的，这里应该可找到其作用原理。测试说明溶剂排气理论不能解释助焊剂飞溅。
结合理论： 当焊锡熔化和结合时熔化材料的表面张力 D 一个很大的力量 D 在被夹住的助焊剂上施加压力，当足够大时，猛烈地排出。这一理论得到了对 BGA 装配内焊锡空洞的研究的支持，其中描述了表面张力和助焊剂排气之间的联系 ( 助焊剂排气率模型 ) 。因此，有力的喷出是助焊剂飞溅最可能的原因。接下来的实验室助焊剂飞溅模拟说明了结合的影响，甚至当锡膏在回流前已烘干。尽管如此，完全的烘干大大地减少了飞溅 ( 表三 ) 。
表三、来自金属结合的助焊剂飞溅模拟 D 烘干研究
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温度 |
一分钟 |
二分钟 |
三分钟 |
四分钟 |
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150oC |
观察到飞溅 |
1-2 飞溅 |
无飞溅 |
无飞溅 |
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160oC |
1-2 飞溅 |
无飞溅 |
无飞溅 |
无飞溅 |
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170oC |
无飞溅 |
无飞溅 |
无飞溅 |
无飞溅 |
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用锡膏 B 90% Sn63/Pb37 合金作试验 |
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熔湿速度
因为结合模型看来会成功，所以调查了各种材料的熔湿速度。熔湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境的影响。如图一所说明，温度对熔湿速度有戏剧性的影响，温度越高，速度越快。
图一、一种焊锡配方在不同温度测试的熔湿速度，影响因素包括合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境。
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李宁成博士在其论文，“通过缺陷机制分析优化回流曲线”中说，惰性气体 ( 氮 ) 也会增加熔湿速度。 S M T 专栏作家珍尼 . 黄博士和其它人的报告说，共晶合金的熔湿速度倾向于比非共晶材料快。因此， Sn63/Pb37 一般比 Sn62/Pb36/Ag2 熔湿速度更快。影响熔湿、从而影响结合和潜在飞溅的因素如表四所示。
表四、可能引起溅锡的因素
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因素 |
机制 |
对飞溅的影响 |
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助焊剂载体 活性剂 |
不同的活性剂在回流时提高不同程度的湿润和结合速度 |
快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。 |
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助焊剂载体溶剂及其含量 |
溶剂类型和含量将影响预热期间烘干程度 |
增加溶剂含量将引起受夹住焊剂更激烈的排出 |
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合金类型 |
合金影响回流期间的湿润和结合速度 |
快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。 |
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回流气氛 |
惰性 ( 氮 ) 环境增加回流期间的湿润和结合速度 |
快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。 |
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焊锡熔化温度 |
更高的熔化温度增加回流期间的湿润和结合速度 |
快速的结合将增加助焊剂被夹住的可能性，将可能增加受夹助焊剂的压力，因此引起助焊剂爆发性的排出。 |
溅锡的解决方案
预防 ：防止溅锡沉积的一个方法就是在金手指上涂敷一层可驳除的阻焊层，在丝印锡膏后涂敷，回流后拿掉。这个方法还没有印证，可能成本高，因为牵涉手工作业，涂敷板上选择性区域会造成困难，中断生产流水作业。另外可选择在金手指上贴临时胶带。这个方法也有同样的缺点。
最小化 ：优化助焊剂载体的化学成份，和回流温度曲线，将溅锡减到最低。为了证明这一点，得到内存模块制造商的支持，通过评估对材料和回流温度曲线优化的影响，来评价表准锡膏系统。清楚地表明活性剂、溶剂、合金和回流温度曲线对溅锡程度有重要影响。因此，有信心着手解决问题，这些参数的适当调整可以将溅锡减到最小。
非标准材料，如聚合助焊剂系统由于成本高、货架寿命丝印寿命短、工艺变化范围小、并返工困难，不包括在本研究范围。但是，聚合助焊剂有希望最终提供一个可能最小化的溅锡解决方案，因为潜在的飞溅材料在温度激化的聚合过程中被包围。因此，没有液体助焊剂留下来产生飞溅。
测试样板是一块六个小板的内存模块，没有贴装元件。 ( 已发现元件回减小溅锡的影响，因为元件会阻隔助焊剂从金手指上排出 ) 。现有生产材料和温度曲线作基本的试验条件 ( 表五 ) 。生产电路板的飞溅水平大约每 100 块组合板有一个飞溅锡球。两个工程师通过 20 倍的显微镜观察所有的板，以评估溅锡程度。 $Page_Split$
表五、测试材料
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助焊剂载体 |
描述 |
相对湿润速度 |
溶剂含量 |
回流环境 |
溶剂挥发性 |
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助焊剂 A |
现有生产材料 ( 内存模块制造商的 ) 中等残留， RMA 型 |
未知 |
中 |
推荐惰性 |
高 |
|
助焊剂 B |
高级、高性能、长丝印寿命，中等残留 |
快 |
中 |
空气或惰性 |
低 |
|
助焊剂 C |
高级、高性能、长丝印寿命，中等残留 |
快 |
中 |
空气或惰性 |
低 |
|
助焊剂 D |
高性能、 RMA 型，长丝印寿命，中等残留 |
慢 |
中 |
空气或惰性 |
低 |
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助焊剂 E |
低残留，高溶剂含量，空气或氮气回流 |
慢 |
高 |
推荐惰性 |
中 |
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助焊剂 F |
极低残留，惰性回流 |
慢 |
高 |
惰性 |
中 |
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助焊剂 A: Kester244, B: 92, C: 92J, D:51SC, E: 73D, F:75 |
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在线研究中使用不同特性的表准锡膏。根据其不同的湿润速度和溶剂性能来选择这些材料。为减少研究中的变量参数，所有锡膏使用同一种合金： Sn63/Pb37 ，粒度 -325/+500 目。
最小化试验结果
回流温度曲线的选择：试验期间得到明确，回流曲线和材料类型两者都必须调整以使飞溅最小。测试使用的两条主要的回流曲线不同在于其保温区的特性。没有平坦保温区的线性上升温度曲线 ( 图二 ) 结果是所有材料都存在一些溅锡，在原来的生产材料上增加了溅锡。因此，这个曲线形状没有作继续研究。基于飞溅机制的假设，这个线性的曲线没有充分烘干助焊剂。
一个更有前途的基本曲线形状包括一个 160oC 的高温保温 ( 烘干 ) ，以蒸发所有溶剂 ( 图三 ) 。这种溶剂失散增加助焊剂剩余的粘性，减少挥发成份，因此减少飞溅。可是，这样烘干的潜在问题包括熔湿变差和产生空洞。使用惰性气体 ( 氮气 ) 可以帮助改善熔湿和减少空洞，但对飞溅却无效果。这个曲线也是一个“长”曲线，消除了过快温升率的需要 ( 最高每秒 175oC) 。
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图二、线性温升曲线，没有保温平台区，对任何焊锡和助焊剂材料都造成一些溅锡
图三、有一个高温保温区的温度曲线，溶剂的消失提高余下的助焊剂粘性，因此减少溅锡
所有温度曲线研究的结果在图四和表六中总结。光板上测得的飞溅程度，在已贴装元件的生产板上大大减少。估计表明，光板上少于 10-20 个飞溅锡球，将在贴装元件板上不产生飞溅。因此，助焊剂类型 D ， E 和 F( 表五 ) 都提供了可行的溅锡解决方案。 D 型助焊剂载体有其它有点，工艺范围大和可以空气回流。三种材料的特点都是熔湿速度慢，但溶剂种类不同，这显示所有溶剂都可以有效烘干，熔湿速度才是助焊剂飞溅的关键因素。
图四、每一种材料在内存模块六合一板上的飞溅结果。
Series1: 平坦、滞色的助焊剂小滴数量
Series2: 有形、光泽的助焊剂小滴数量
表六、材料研究结果
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锡膏类型 |
Series1 |
Series2 |
带速 |
环境 |
|
助焊剂 A |
0 |
34 |
26 ” /min |
氮气 |
|
助焊剂 A |
0 |
42 |
26 ” /min |
氮气 |
|
助焊剂 B |
12 |
5 |
26 ” /min |
氮气 |
|
助焊剂 B |
4 |
20 |
26 ” /min |
氮气 |
|
助焊剂 B |
0 |
21 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 B |
0 |
21 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 B |
0 |
21 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 B |
0 |
29 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 C |
2 |
7 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 C |
0 |
35 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 D |
0 |
0 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 D |
0 |
2 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 D |
0 |
2 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 D |
0 |
4 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 E |
0 |
3 |
26 ” /min |
空气 |
|
助焊剂 E |
0 |
3 |
26 ” /min |
氮气 |
|
助焊剂 F |
2 |
0 |
26 ” /min |
氮气 |
|
助焊剂 F |
1 |
0 |
26 ” /min |
氮气 |
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助焊剂 A: Kester244; B: 92; C: 92J; D: 51SC; E: 73D; F: 75 |
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检查与清洁
如果在清洁的连接器内产生溅锡，那么检查和清洁是对溅锡的昂贵和费时的改正行动。当然，通过锡膏残留中配方的变化，检查可以通过染色和荧光化学品来简化。清洁也可以用适当的残留构思来改进。不幸的是，和预防措施一样，成本和时间使得检查和清洁是人们所不希望的。
结论
锡膏结合正确的温度曲线，可以达到实际消除焊锡和助焊剂的飞溅。相对易挥发溶剂含量高和熔湿速度慢的锡膏可达到最好的效果。遮盖连接器手指和检查与清洁可提供临时的解决办法，但没有找到溅锡的根本原因。
