焊锡原理——精选推荐

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V APOR)
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。

P LF
[图形1-3]热平衡的润湿图
依上图﹐得知﹕P SF﹦P LS+P LF COSθ,P SF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﹐P SF>P LS+P LF COSθ﹐此时开始扩散﹐当角度逐渐变小﹐
P LF COSθ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P SF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。

2﹑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﹑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﹑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。

白色残留物
焊锡或清洗过后﹐有时会发现基上有白色残留物﹐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﹐再经焊锡及清洗﹐就形成白色残留物。

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﹐总是有白色的残留物﹐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色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色的松香残留物﹐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色残留的水渍。

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。

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)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
7﹑输送带速度太慢﹐锡无法快速滴回﹐需调快输送带
8﹑板面的可焊性不佳﹐将板面清洁之
9﹑基板中玻璃材料渗出。

在焊接前检查板面是否有玻璃物突出
10﹑阻焊膜失效﹐检查阻膜型式和使用方式
11﹑板面污染﹐将板面清洁之
暗色有粒子的接点
多起因于焊锡被污染及熔锡中混入的氧化物过多﹐形成焊点结构太脆﹐须注意勿与使用含锡成份低的焊锡造成的暗色混淆
焊锡本身成从产生变化﹐杂质含量过多﹐需加纯锡或更换锡焊
斑痕
玻璃织维积层起物理变化﹐如层与层之间发生分离现象﹐但这种情形并非焊点不良
原因是基板受热过高﹐需降低预热及焊锡温度或增加基板行进速度
焊点呈金黄色
焊旬度过高所致﹐需调低锡温度
焊接粗糙
不当的时间---温度关系﹐可在输送带速度上改正焊接预热温度以建立适当的关系
焊锡成份不正碓﹐检查焊锡之成份﹐以决定焊锡之形式和对某合金的适当焊接温度
焊锡冷却前因机械上这震动而造成﹐检查输送带﹐碓保基板在焊接时与凝固时﹐不致碰撞或摇动
焊锡被污染﹐检查引起污染之不纯物形式及决定适当方法以减少或消除锡槽之污染焊锡(稀释或更换焊锡)
焊接成块与焊接物突出
输送带速度太快﹐调慢输送带温度
焊接温度太低﹐调高锡炉温度
二次焊接波形偏低﹐重新调整二次焊接波形
波形不当或波形和板面角度不当及出端波形不当﹐可重新调整波形及输送带角度
板面污染及可焊性不佳﹐须将板面清洁之及改善其可焊性
深色残留物及浸蚀痕迹
在基板的线路及焊点表面﹐双层板的上下两面都有可能发现此情形﹐通常是因为助焊剂的使用及清除不当﹕
1﹑使用松香助焊剂时﹐焊锡后未在短时间内清洗﹐时间拖延过长﹐才清洗﹐造成基板上残留此类痕迹2﹑酸性助焊剂的遗留亦将造成焊点发暗及有腐蚀痕迹﹐解决方法为在焊锡后立即清洗﹐或在清洗过程加入中和剂
３﹑因焊锡温度过高而致焦黑的助焊剂残留物﹐解决方法为查出助焊剂制造厂所建义的焊锡温度﹐使用可容许较高的温度的助焊剂可免除此情况的发生
４﹑焊锡杂质含量不符合要求﹐需加纯锡或更换焊锡
针孔及气孔
外表上﹐针孔及气孔的不同在针孔的直径较小﹐现于表面﹐可看到底部﹐针孔及气孔都代表着焊点中有气泡﹐只是尚未扩大至表层﹐大部分都发生在基板底部﹐当底部的气泡完全扩散爆开前己冷凝时﹐即形成了针孔或气孔﹐形成的原因如下；
在基板或零件的线脚上沾有机污染物﹐此类污染材料来自自动插件机﹐零件成型机及储存不良等因素﹐用普通的溶剂即可轻易的去除此类污染物﹐但遇上ＳＩＬＩＣＯＮＯＩＬ及类似含有ＳＩＬＩＣＯＮ产品则较困难﹐如发现问题的造成是因为ＳＩＬＩＣＯＮＯＩＬ﹐则须考虑改变润滑油或脱模剂的来源﹐
基板含有电镀溶液和类似材料所产生之水气﹐如果基板使用较廉价的材料﹐则有可能吸入此类水气﹐焊锡时产生足够的热﹐将溶液气化因而造成气孔﹐装配前将基板在烤箱中烘烤﹐可以改善此问题
基板储存太多或包装不当﹐吸收附件环境的水气﹐故装配前需先烘烤
助焊剂槽含有水份﹐需定期更换助焊剂
发泡及空气刀用压缩空气中含有过多的水份﹐需加装滤水器﹐并定期排气
预热温度过低﹐无法蒸发水气或溶剂﹐基板一旦进入锡炉﹐瞬间也高温接触﹐而产生爆裂﹐故需调高预热温度
锡温过高﹐遇有水份或溶剂﹐立刻爆裂﹐故需调低锡炉温度
基板零件面遇多的焊锡
锡炉太高或液面太高﹐以致溢过基板﹐调低锡波或锡炉
基板夹具不适当﹐致锡面超过基板表面﹐重新设计或修改基板夹具
导线线经与基板焊孔不合﹐重新设计基板焊孔尺寸﹐必要时更换零件
基板变形
夹具不适当﹐致使基板变形﹐重新设计夹具
预热太高﹐降低预热温度
锡温太高﹐降低锡温
输送带速度太慢使基板表面温度太高﹐增加输送带速度
基板各零件排列后之重量不分布不平均﹐及设计不妥﹐重新设计板面﹐消除热气集中于一区域﹐以及重量集中于中心
基板储存时或制程中发生堆积叠压而造成变形
结论
以上各项焊锡不良问题﹐除斑点及白色残留物﹐都将影响电气特性或功能﹐甚至使整个基板线路故障发生尽早在生产过程中查出并适当的处理﹐以减少及避免昂贵的修理工作﹐经由适当的基板﹐设计及良好的制程管制﹐定可减少许多发生的缺点进而达到零缺点的目标
使用高品质焊锡﹐选择适当合应用的助焊剂﹐留意并改善零件的可焊性﹐焊锡过程中各项变量控制适当﹐定可保证达到高品质的焊接效果。