焊锡原理
在研究焊接工程所用的材料和设备之前﹐我们必须先清楚的了解焊锡的基本原理。否则﹐我们便无法用目视来检验锡焊成形的焊点的工程上各不同零件的效果。
润湿
从焊接的定义中得知润湿是焊接行业的主角﹐其接合即是利用液态焊锡润湿在基材上而达到接合的效果﹐这种现象正如水倒在固体表面上完全一样﹐不同的是当温度降低后﹐焊锡凝固而形成接事业。录焊锡润湿在基材上时﹐基材常因常受空气及周围环境的侵蚀﹐而会有一层氧化层﹐阴挡焊锡而无法达到好的润湿效果﹐其现象正如水倒在满是油脂的盘子上﹐水只聚集在部分地方﹐无法全面均匀的分布在盘子上﹐如果我们未能将氧化层除去其结合力量还是非常的弱。 焊接与胶合
当两种格料用胶粘合在一起﹐其表面的相互粘着是因胶给他们之间一机械键所致﹐光亮的表面无法象粗糙或蚀刻的表面粘阗得那幺好﹐因为胶不易固定﹐胶合是一表面现象﹐当胶是
潮湿状态时﹐它可从原来的表面上被擦掉。
焊接是在焊锡和金属之间形成一分子键﹐焊锡的分子穿入基材金属的分子结构中﹐而形成一坚固﹐完全金属的结构﹐当焊锡溶解时﹐也不可能完全从金属表面上把它擦掉﹐因为它己变为基材金属的一部分。
润湿与不润湿
一涂有油脂的金属薄板浸到水中﹐没有润湿现象﹐不管它上面所涂的油层多薄﹐它可能完全看不到﹐但水会形成球状的小滴﹐一摇即掉﹐因此﹐水并未润湿或粘在金属薄板上。
如将此金属薄板放入热清洗剂中加以清洗﹐并小心地干燥﹐再把它浸入水中﹐液体将完全地扩散到金属薄板的表面而形成一均匀的膜层﹐再怎样摇也不会掉﹐即它以经润湿了此金属板﹐
清洁
当金属薄板非常干净时﹐水便会润湿其表面﹐因此﹐当焊锡表面和金属表面也很干净时
﹐焊锡一样会润湿金属表面﹐其清洁水准的要求比金属薄板上还要高很多﹐因为焊锡和金属之间必须是紧密的连接﹐否则的话﹐在它们之间会形成一层很薄的污染层﹐不幸的是﹐几乎所有的金属在暴露于空气中时﹐都会立刻氧化﹐这种极薄的氧化层将防碍金属表面上焊锡的润湿作用。
毛细管作用
如将两个干净的金属表面合在一起后﹐浸入熔化的焊锡中﹐焊锡将润湿此两种金属表面并向上爬长﹐以填满相近表面之间的间隙﹐此为毛细管作用。
假如金属表面不干净的话﹐便没有润湿作用﹐焊锡将不会填满。
当一电镀贯穿孔的印制线路板经过一波焊炉时﹐便是毛细管作用的力量将焊锡填满此孔﹐并在印刷线路板上面形成一焊锡带﹐而不是波的压力将焊锡推进此孔。 表面张力
我们都看过昆虫在池塘的表面行走而不润湿它的脚﹐那是因为有一看不到的压力或力量
支持着它﹐这便是水的表面张力﹐同样的力量使水在涂满油脂的金属薄板上维持水滴状﹐用溶剂加以清洗会减少表面张务力﹐水便会润湿和形成一薄层﹑
我们知道助焊剂在金属的作用就溶剂对涂有油脂的金属薄板一样﹐溶剂去除油脂﹐让水润湿金属表面和减少表面张力﹐助焊剂将去除金属和焊锡间的氧化物﹐让焊锡润湿金属表面。 在焊锡中的污染物会增加表面张力﹐因此必须小心地管制。锡焊温度计也会影响表面张力﹐即浊度越高﹐表面张力。
润湿的热动力平衡
焊接工程不可缺少的材料是焊锡﹐助焊剂和基层金属﹐我们假设基层金属的表面是完全清洁﹐无氧化物。当一滴焊锡滴在基层金属上﹐助焊剂在焊锡的四周时﹐简称
A﹑焊锡为L:LIQUID
B﹑助焊剂为F:FLUX(或VAPOR)
C﹑基层金属为S:SOLID BASE METAL
当焊锡润湿在基层金属上静止下来时﹐亦即是力平衡的状态。
PLF
VAPOR,V
(OR FLUX,F)
θ LIQUID,L
SOLID,S
PSF PLS
[图形1-3]热平衡的润湿图
依上图﹐得知﹕PSF﹦PLS+PLFCOSθ,PSF是液体在固体上扩散的力量。
当焊锡滴在固体表面上呈圆形球状时﹐PSF>PLS+PLFCOSθ﹐此时开始扩散﹐当角度逐渐变小﹐PLFCOSθ值变大﹐直到力量平衡为止。
如果整个系统力量达到平衡时θ>90度﹐则表示PSF值小﹐亦即其液体的扩散力差。
以角度来说﹕θ>90度时称为退润湿(DEWET).
θ﹦180度时称为未润湿(NOWET)
90度>θ>M﹐我们称为边际润湿(MARGINAL WETTING),通常的M>75度﹐这种润湿也是不能接受 的程度﹑
θ<M﹐此称为良好润湿(GOOD WETTING),在品质要求的产品﹐M值的要求可低于75度﹑
由上述说明θ角度越小表示润湿越好。
吃锡不良
现象为线路板的表面有部分未沾到锡﹐原因为﹕
1﹑表面附有油脂﹑杂质等﹐可以用溶剂洗净。
2cwmp﹑基板制造过程时的打磨粒子遗留在线路表面﹐此为印刷电路板制造厂家的问题﹐ 3﹑短址SILICON OIL﹐一般脱模剂及润滑油中含有此种油类﹐很不容易被完全清洗干净﹐所以在电子零件的制造过程中﹐应尽量避免化学品含有SILICON OIL者﹐焊锡炉中所有的氧化防止油也须留意不是此类的油﹐
4﹑由于储存时间﹑环境或制程不当﹐基板或零件的锡面氧化及铜面晦暗情形严重﹐换用助焊剂通常无法解决此问题﹐重焊一次将有助于吃锡效果。
5﹑助焊剂使用条件调整不当﹐如发泡所需的空气压力及高度等﹐比重亦是很重要的因素之一﹐因为线路表面助焊剂分布数量的多寡受比重所影响﹐检查比重亦可排除因标点贴错﹐
储存条件不良等原因而致误用不当助焊剂的可能性。
6﹑焊锡时间或温度不够﹐一般焊锡的操作温度应较其熔点温度高55度至80度。
7﹑不适合之零件端子材料﹐检查零件﹐使得端子清洁﹐浸沾良好。
8﹑预热温度不够﹐可调整预热温度﹐使基板零件侧表面温度达到要求之温度约90度至110度。
9﹑焊锡中杂质成份太多﹐不符合要求﹐可按时测量焊锡中之杂质﹐若不合规定超标准﹐则更换合于标准之焊锡。
冷焊或焊点不光滑
此情况可被列为焊点不均匀的一种﹐发生于基板脱离锡波正在凝固时﹐零件受外力影响移动而形成的焊点。
保持基板在焊锡过后的传送动作平稳﹐例如加强零件的固定﹐注意零件线角方向等﹐总之﹐待焊过的基板得到足够的冷却后再移动﹐可避免此一问题的发生﹐解决的办法为再一
次锡波。
至于冷焊﹐锡温太高或太低都有可能造成此情形。
焊点裂痕
造成的原因基板﹐贯穿孔及焊点中零件脚等热膨胀收缩数方面配合不当﹐可以说实际上不算是焊锡的问题﹐而是牵涉到线路及零件设计时﹐材料及尺寸在热方面的配合。
另﹐基板装配品的碰撞﹐重叠也是景因之一﹐因此﹐基板装配品皆不可碰撞﹑堆积。又用切断机剪切线脚更是主要杀手﹐对策是采用自动插件机或事先剪脚或购买不必要剪脚的尺寸的零件。
锡量过多
过大的焊点对电流的流通并无帮助﹐但对焊点的强度则有不良影响﹐形成的原因为﹕
1﹑基板与焊锡的接触角度不当﹐改变角度(1度至7度)﹐可使熔锡脱离线路滴下时有较大的接力﹐而得到较薄的焊点。
2﹑焊锡温度过低或焊锡时间太短﹐使熔锡在线路表面上未及完全滴下便己冷凝。
3﹑预热温度不够﹐使助焊剂未完全发挥清洁线路表面的作用。
4环视制作者﹑调高助焊剂的比重﹐亦将有助于避免在焊点的发生﹐然而﹐亦须留意比重太高﹐焊锡过后基板上助焊剂残余物愈多。
锡尖
在线路上或零件脚端形成﹐是另一种形状的焊锡过多。
再次焊锡可将此尖消除﹐有时此情形亦与吃锡不良有不吃锡同时发生﹐原因如下﹕
1﹑基板的可焊性差﹐此项推断可以从线路接点边缘不良及不吃锡来确认﹐在此情形下﹐再次过锡炉并不能解决问题﹐因为发前所述﹐线路表面的情况不佳﹐如此处理方法将无效。
2﹑基板上未插零件的大孔﹐焊锡进入孔中﹐冷凝时孔中的焊锡因数量太多﹐被重力拉下而形成冰柱
3﹑在手焊锡方面﹐烙铁头温度不够是主要原因﹐或是虽然温度够﹐但烙铁头上的焊锡太多﹐亦会有影响
4﹑金属不纯物含量高﹐需加纯锡可更换焊锡。
焊锡沾附于基材上
若有和助焊剂配方不兼容的化学品残留在基板上﹐将会造成如此情况﹐在焊锡时﹐这些材料因高温变软发粘﹐而沾住一些焊锡﹐用强的溶剂如酮等涉及洗基板上的此类化学品﹐将有僵于改善﹐如果仍角发生焊锡附于基板上﹐则可能是基板要烘烤过程中处理不当
基板制造工厂在积层板烘干过程处理不当﹐在基板装配前先放入烤箱中以80度至100度烘烤2-3小时﹐或可以改善此问题。
焊锡中的杂质及氧化物与基板接触亦将造成此现象﹐此为一设备维护之问题。
白残留物
焊锡或清洗过后﹐有时会发现基上有白残留物﹐虽然不影响表面电阻值﹐但因外观的
因素而仍不能被接受﹐造成的原因为﹕
1﹑基材本身己有残留物﹐吸收了助焊剂 番茄采摘机﹐再经焊锡及清洗﹐就形成白残留物。在焊锡前保持基板无残留物是很重要的
2﹑积层板垢烘干不当﹐偶而会发现某一批基板﹐总是有白的残留物﹐而使用下一基板时﹐问题又自动消失人﹐因为此种原因而造成的白残留物一般可以用溶剂涉及洗干净。
3﹑铜面氧化防止剂之配方不兼容﹐在铜面板上一定有铜面氧化防止剂﹐此为基板制造厂所涂抹﹐以往铜面氧化防止都是松香为主要原料﹐但在焊锡过程却有使用水溶性助焊剂者﹐因此在装配线上清洗后的基板就呈现白的松香残留物﹐若在清洗过程加一咸化剂便可解决此问题﹐目有亦己有水溶性铜面氧化防止剂。
4﹑基板制造进各项制程控制不当﹐使基板变质。
5﹑使用过旧的助焊剂﹐吸收了空气中水份﹐而在焊锡过程后形成白残留的水渍。
6﹑基板在使用松香助焊剂时﹐焊锡过后时间停留太久才清洗﹐尽量缩短焊锡与清洗之间的延迟时间﹐将可改善此现象。
自动钎焊设备7﹑清洗基板的溶剂中水份含量过多﹐吸收了溶剂中的IPA的成份局部积存﹐降低清洗能力﹐解决方法为适当的去除溶剂中水份﹐如使用水分离器或置吸收水份的材料于分离器中等。
短路
1﹑焊垫设计不当﹐可由圆形焊垫改为椭圆形﹐加大点与点之间的距离
2﹑零件方向设计不当﹐如SOIC的脚旭与锡波平行﹐便易改零件方向﹐使其与锡波垂直﹐
3﹑自动插件弯脚所致﹐由于IPC规定线脚的长度为2mm以下(无短路危险时)硅铁合金及担心弯脚角度太大时零件会掉﹐故易因此而造成短路﹐需将焊点离开线路2mm以上
4﹑基板孔太大﹐锡由孔中穿透至基板的上侧而造成短路﹐故需缩小孔经至不影响零作装插的程度
5﹑自动插件时﹐预留的零件脚太长﹐需限制在2mm以下
6﹑锡炉温度太低﹐锡无法迅速滴回﹐需调高锡炉温度
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