回流焊常见缺陷的分析解读

南京信息职业技术学院毕业设计论文

作者王浩学号21124P29 系部机电学院

专业电子组装技术与设备(通信设备制造) 题目回流焊常见缺陷的分析

指导教师谭淑英高晴

评阅教师

完成时间：2014年05月15 日

目录

1引言 (1)

2 影响回流焊焊接质量的因素 (1)

2.1 PCB焊盘设计 (1)

2.2焊膏质量 (1)

2.3物料的质量和性能 (2)

2.4焊接过程工艺控制 (2)

3回流焊常见缺陷及解决措施 (3)

3.1锡珠 (3)

3.2芯吸 (5)

3.3曼哈顿现象 (5)

3.4桥连 (6)

3.5空洞 (8)

3.6 PCB扭曲 (8)

结论 (9)

致谢 (9)

参考文献 (10)

1引言

表面贴装(SMT)技术作为新一代电子装联技术已经渗透到各个领域，SMT

产品具有结构紧凑、体积小、耐振动、抗冲击，高频特性好、生产效率高等

优点。

典型的SMT工艺分为三步：施加焊锡膏——贴装元器件——回流焊接，回流

焊接技术作为SMT三大主要工艺之一，其焊接品质已成为影响电子组装直通率的

关键因素，尤其是在电子产品向无铅化、微小化和高密度方向发展的时代，回流

焊是SMT技术中非常关键的步骤。在回流焊接过程中对焊接缺陷的控制，对于SMT

产品质量起着至关重要作用。

2 影响回流焊焊接质量的因素

2.1 PCB焊盘设计

回流焊的焊接质量与PCB焊盘设计有直接的的关系。如果PCB焊盘设计正确,

贴装时少量的歪斜可以在回流焊时由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正(称

为自定位或自校正效应)；相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分

准确，回流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。

PCB焊盘设计要注意：

（1）两端焊盘必须对称，以保证熔融焊锡表面张力平衡；

（2）焊盘间距要能确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸，焊盘间距

过大或过小都会引起焊接缺陷（如表1)；表1 0201焊盘设计尺寸

（3）元件端头或引脚与焊盘搭接Array后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成

弯月面；

（4）焊盘宽度应与元件端头或引

脚的宽度基本一致。

2.2 焊膏质量

焊膏是回流焊工艺必需材料，它是由合金粉末（颗粒）与糊状助焊剂载体均

匀混合而成的膏状焊料。其中合金颗粒是形成焊点的主要成分，焊剂则是去除焊

接表面氧化层，提高润湿性，确保焊膏质量的关键材料。

保证锡膏的质量主要从存储和使用两个方面来体现。锡膏必须放置在冷藏柜中，温度要控制在0-10℃之间（或按厂家要求），每天都要检查冷柜的温度是否正常并做好记录，发现温度异常立即通知工程技术人员进行处理。使用方面，要坚持“先进先出”的原则，做好取用记录，保证回温时间大于四小时，最好是前一天取出第二天要用的锡膏，印刷前充分搅拌锡膏，使其粘度具有优良的印刷性和脱模性，添加完锡膏后应立即盖好锡膏罐的盖子，印刷后确保在四小时以内完成回流焊接，若回温时间不够会造成回流后锡球多，直接影响焊接质量，若存储没有做好可能会导致助焊剂减少，回流后焊点光泽度差。

2.3 物料的质量和性能

物料作为SMT贴装的重要组成元素，其质量和性能直接影响回流焊接直通率。首先，作为回流焊接的对象之一，必须具备最基本的一点就是耐高温，有铅元器件焊端或引脚可焊性要求235℃±5℃，2±0.2s，无铅器件要求250～255℃，2～3s。虽然这一点看似不会出问题，毕竟表面贴装物料已经发展了这么多年了，但是我们在实际生产过程中偶尔还会遇到某些客户采购的物料过炉后熔化，只能停产等待换料或者采用手工补装的方式解决，对生产进度、秩序和焊接质量都会造成影响。

其次，元器件的外形要适合自动化表面贴装，且其形状要标准化并具有良好的尺寸精度，否则会带来较多的抛料和物料损耗，同时也会增加停机时间。

最后，元器件的包装形式要适合贴片机自动贴装的要求。这一点对大批量的产品生产来说一般不会有问题，但是对于小批量研发中试的产品来说就不是都能保证了。有的客户一种产品可能只生产一到两块，为了节省成本每种物料都不会采购很多，用量少物料的料带甚至只有几厘米长，根本无法满足上机贴装的要求，我们建议此类客户应从长远考虑，可将常用的阻容件成盘采购建立一个物料库，每次生产时只用从中调用就可以了，这样既提高了生产的效率，实际上也降低了每次采购的成本。

2.4 焊接过程工艺控制

焊接过程主要包括丝印、贴片和回流，每一个环节都至关重要。首先是丝印，前面提到了在PCB设计和网板设计正确、元器件和电路板质量都良好的前提下，表贴焊接的缺陷有60%~70%是因为印刷缺陷造成的。由于定位不准、刮刀速度

和刮刀压力不合适、脱模速度不恰当会造成印刷错位、踏边、连点、缺锡、拉尖等问题，丝印环节一定要加强对印刷质量的检查，有问题及时调试，杜绝有印刷缺陷的PCB流到下一环节。

接下来是贴片环节，众所周知，保证贴装质量的三要素是“元件正确”、“位置准确”和“贴装压力合适”。“元件正确”即要保证物料名称或料值合乎焊接BOM要求，供料器位置按优化顺序摆放，上料完成后及班组交接时也一定要复查物料名称和位置是否正确。“位置准确”就是贴装坐标一定要正确，保证物料能准确贴装到焊盘上，而且还要特别注意贴装角度，保证极性器件方向正确，编程时就要把所有器件角度和坐标调整好，并在生产前上机检视，确保实际生产时不用再调整，保障生产的流畅性。“贴装压力合适”是指贴装后将物料压入锡膏的厚度，不能太小也不能太大。其影响因素有程序项里PCB厚度的设定、封装项里物料厚度的设定以及贴片机吸嘴压力的设定，现在新型的贴片机都装配有贴装压力回馈系统，会根据贴装情况自动进行调节。

最后是回流的控制，贴装的质量直接体现在回流效果之中，而保证回流焊接质量的核心就是正确的温度曲线设定。温度曲线的控制点主要是升温斜率、峰值温度和回流时间三个方面。有铅无铅温度曲线的分析大家都很熟悉了，在此就不再介绍了，下面主要向大家介绍温度曲线的设定依据：

（1）依据所使用的锡膏推荐的温度曲线进行设置。因为锡膏的成分决定了其活化温度及熔点，这在根本上决定了设置的方向。

（2）根据PCB板材、尺寸大小、厚度和重量来设定。

（3）根据元件类型、大小和密度来设定，还要注意特殊器件的最高焊接温度限制。

（4）根据回流炉结构和温区长度来设定，不同的回流炉要设定不同的温度曲线。

（5）要根据环境温度和气流情况来设定，特别是温区短，进出口气流密封不太好的炉子。

3 回流焊常见缺陷及解决措施

3.1 锡珠

锡珠类似于焊球，但尺寸较大，直径在0.2mm～0.4mm之间，经常出现在矩

形片式元件两侧或细间距引脚之间。锡珠是在焊接过程中形成，当焊膏被贴片器件压出焊盘或塌陷或印刷过多时，经回流焊后，在元件侧面或底面容易形成锡珠。

锡珠不仅影响了PCBA外观，也对产品质量埋下了隐患，脱落后容易造成引脚短路，影响电子产品质量。锡珠还可能导致电路工作异常，主要看其所在的位置和大小，电阻旁边的锡珠对电路没有什么影响，而电容或电感旁边的锡珠对电路有很大的影响，锡珠对电路影响较大的所在位置主要是紧贴在电容或电感两侧的中心位置，而且尺寸往往较大，如图1所示，焊剂的残留物已将元器件两端连通。

图1 回流焊接过程中锡珠现象

焊剂残留物一般是不会引起电路工作异常的，但产生锡珠以后其结果发生很大变化。假设焊盘两端间距为0.8 mm，锡珠直径为0.3 mm，那么相当两焊盘间距为0.5 mm，使得PCB表面绝缘值降低，且残留物越多PCB表面绝缘值就下降越大，漏电流增加导致工作异常，若长度超过1/2的引脚间距或大于0.3 mm（即使小于1/2的脚间距）为不合格。因此，焊锡与焊盘和器件引脚润湿性差是导致锡珠形成的根本原因。

3.1.1焊料润湿性差的原因及解决措施

（1）回流温度曲线设置不当。焊膏的回流与温度和时间有关，如果未到达足够的温度或时间，焊膏就不会回流。预热区温度上升速度过快，时间过短，使锡膏内部的水分和溶剂未完全挥发出来，到达回流焊温区时，引起水分、溶剂沸腾溅出锡珠。实践证明，将预热区温度的上升速度控制在l～4℃／s是较理想的。

（2）如果总在同一位置上出现锡珠，就有必要检查金属模板设计结构。模板开口尺寸腐蚀精度达不到要求，焊盘尺寸偏大，以及表面材质较软(如铜模板)，会造成印刷焊膏的外轮廓不清晰互相连接，这种情况多出现在对细间距器件的焊盘印刷时，回流后必然造成引脚间大量锡珠的产生。因此，应针对焊盘图形的不同形状和中心距，选择适宜的模板材料及模板制作工艺来保证焊膏印刷质量。

（3）如果从贴片至回流焊的时间过长，则因焊膏中焊料粒子的氧化，焊剂变质、活性降低，会导致焊膏不回流，产生锡珠。选用工作寿命长一些的焊膏(一般至少4h)，则会减轻这种影响。

（4）焊膏错印的印制板清洗不充分，会使焊膏残留于印制板表面及通孔中，回流焊之前贴放元器件时，使印刷锡膏变形，这些也是造成锡珠的原因。因此应加强操作者和工艺人员在生产过程中的责任心，严格遵照工艺要求和操作规程进行生产，加强工艺过程的质量控制。

3.2芯吸

芯吸现象又称抽芯现象，多见于汽相回流焊中。芯吸现象是焊料脱离焊盘沿引脚与芯片本体之间会形成严重的虚焊现象。

产生的原因通常是原件引脚的导热率大、升温迅速，以致焊料优先润湿引脚，焊料与引脚之间的润湿力远大于焊料与焊盘之间的润湿力，引脚的上翘更会加剧芯吸现象的发生。在红外回流中，PCB基材与焊料中的有机助焊剂是红外线的优良吸收介质，而引脚却能部分反射红外线，相比而言，焊料优先熔化，它与焊盘的润湿力大于它与引脚之间的润湿力，故焊料会沿引脚上升，发生芯吸现象的概率就小很多。

解决办法是：在汽相回流焊时应首先将SMA充分预热后再放入汽相炉中，应认真检查和保证PCB板焊盘的可焊性，可焊性不好的PCB不应用于生产，元件的共面性不可忽视，对共面性不好的器件不应用于生产。

3.3 曼哈顿现象

矩形片式元件的一端焊接在焊盘上,而另一端则翘立，这种现象就称为曼哈顿现象。引起该现象的主要原因是元件两端受热不均匀，焊膏熔化有先有后所致。在下列情况下会造成元件两端受热不均匀：

（1）有缺陷的元件排列方向设计。我们设想在回流焊炉中有一条横跨炉子宽度的回流焊限线,一旦焊膏通过它就会立即熔化。片式矩形元件的一个端头先通过回流焊限线，焊膏先熔化，完全浸润元件的金属表面，具有液态表面张力，而另一端未达到183℃液相温度，焊膏未熔化，只有焊剂的粘接力，该力远小于回流焊焊膏的表面张力，因而,使未熔化端的元件端头向上直立。因此,要保持元件两端同时进入回流焊限线，使两端焊盘上的焊膏同时熔化，形成均衡的液态表

面张力，以保持元件位置不变。

（2）在进行气相焊接时印制电路组件预热不充足。气相焊是利用惰性液体蒸汽冷凝在元件引脚和PCB焊盘上释放出热量而熔化焊膏，气相焊分平衡区和蒸汽区，在饱和蒸汽区焊接温度高达217℃,在生产过程中如果被焊组件预热不充分,经受100℃以上的温度变化,气相焊的气化力很容易将小封装尺寸的片式元件起,从而产生立片现象。我们通过将被焊组件在145"150℃的温度下预热l"一2min左右，最后缓慢进入饱和蒸汽区焊接，可消除立片现象。

（3）焊盘设计质量的影响。若片式元件的一对焊盘尺寸不同或不对称，也会引起印刷的焊膏量不一致，小焊盘对温度响应快，其上的焊膏易熔化，大焊盘则相反，所以当小焊盘上的焊膏先熔化后会在焊膏表面张力作用下将元件拉直竖起，焊盘的宽度或间隙过大，也可能出现片立现象，严格按照标准规范进行焊盘设计是解决该缺陷的先决条件。

3.4 桥连

桥连即元件两个引脚被焊锡连接起来形成短路，如图2所示。桥连最初是由于细间距引脚焊膏错印和偏印等原因形成，随着焊接温度和时间变化，液态钎料开始润湿焊盘，桥连就会自动断开，如断不开或断开之前冷却，桥连就会保持。

图2 细间距引脚产生的桥连

3.4.1 桥连产生机理

回流焊接中，由于熔融合金与被焊金属之间的合金化作用对焊点形态的影响很小，因此可以忽略。在此前提下，回流焊焊点的成型过程可认为是熔融合金在表面张力和重力作用下成型的过程，假设焊接过程中熔融合金表面张力恒定，熔融合金在引线和焊盘表面润湿角不变，忽略合金冷却过程中的收缩作用，忽略气孔等焊接缺陷，建立焊点成型三维数学模型，当合金润湿铺展达到平衡时，由焊

盘、熔融合金和引线组成的焊点系统处于能量最小的稳定状态。

随着焊膏量的增多，焊点平衡能量逐渐上升，当焊膏量达到并超过某一值时，系统能量变化将不再出现阶段变化，而是在整个焊点成形过程中平稳变化，也就是说平衡焊点将发生桥连。由此可见，当焊盘尺寸、间隙高度和焊膏成分等参数一定时，系统存在一个维持平衡焊点发生桥连的最低焊膏量，把此阈值称之为临界焊膏量Vk。

系统的临界焊膏量只与焊点系统的焊点结构以及材料性能有关，而与系统的焊膏量无关。因此，避免焊点桥连的最佳办法就是通过改变焊盘设计、调整引线与焊盘间相对位置及采用不同的焊接材料等办法来提高系统临界焊膏量，从而抑制桥连的发生。

3.4.2 造成桥连缺陷的主要原因

（1）焊膏质量问题。锡膏中金属含量偏高，特别是印刷时间过久后，易出现金属含量增高，焊膏黏度低，焊膏塌落度差，预热后漫流到焊盘外，这均会导致IC引脚桥连,需要选用符合工艺要求的优质焊膏。

（2）印刷系统精度不够。印刷机重复精度差，对位不齐，锡膏印刷到铜铂外，这种情况多见于细间距QFT生产，钢板对位不好和PCB对位不好以及钢板窗口尺寸厚度设计不对,与PCB焊盘设计合金镀层不均匀，导致锡膏量偏多，这均会造成桥连。解决方法是调整印刷机，改善PCB焊盘涂覆层。

（3）贴放问题。贴放压力过大，锡膏受压后浸沉是生产中多见的原因，应调整Z轴高度，若有贴片精度不够，元件出现移位及IC引脚变形，则应针对原因改进。

（4）预热问题。回流焊的预热升温速度过快，锡膏中溶剂来不及挥发，应重新设置预热区的温度上升曲线的斜率。

3.5 空洞

空洞是焊点作X光或截面检查时经常发现的缺陷。它是焊点内的微小“气泡”，是再流焊接过程中锡球熔塌在焊锡膏上，使得焊锡膏的气体不能正常排出，使得气体或助焊剂被夹住在焊点内部所致，它将使得焊点的强度不足，焊点易致破裂，影响产品的质量。造成空洞的主要原因是：回流焊峰值温度不够、再流时间不够、升温阶段升温速率过高。为避免上述情况引起的空洞，应注意调整回流焊的温度

曲线，将峰值温度应设置在215℃左右，再流时间为30～60s。升温速度控制在l～2℃／s。

3.6 PCB扭曲

PCB扭曲问题是SMT生产中经常出现的问题，它会对装配及测试带来相当大的影响，因此在生产中应尽量避免这个问题的出现。

PCB扭曲的原因有以下几种：

（1）PCB本身原材料选用不当，PCB的Tg低，特别是纸基PCB，其加工温度过高，会使PCB变弯曲。

（2）PCB设计不合理，元件分布不均匀会造成PCB热应力过大，外形较大的连接器和插座也会影响PCB的膨胀和收缩，乃至出现永久性的扭曲。

（3）双面PCB，若一面的铜箔保留过大(如地线)，而另一面铜箔过少，会造成两面收缩不均匀而出现变形。

（4）回流焊中温度过高也会造成PCB的扭曲。

其解决办法如下：

在价格和空间容许的情况下，选用Tg高的PCB或增加PCB的厚度，以取得最佳长宽比；合理设计PCB双面的铜箔面积应均衡；在没有电路的地方布满钢层，并以网络形式出现，以增加PCB的刚度；在贴片前对PCB进行预热(105℃x4h)；调整夹具或夹持距离，保证PCB受热膨胀的空间，焊接工艺温度尽可能调低。已经出现轻度扭曲时，可以放在定位夹具中，升温复位，以释放应力，一般会取得满意的效果。

结论

表面贴装技术的应用越来越广泛,SMT焊接质量问题也越来越引起人们的高度重视。回流焊接工艺中出现的焊接缺陷很多，诸如锡珠、桥连、芯吸、空洞、曼哈顿现象、PCB扭曲等，针对具体的一种缺陷，导致其产生的原因也很多，比如焊锡与焊盘和器件引脚润湿性差、原件引脚的导热率大、元件两端受热不均匀焊膏质量问题、回流焊峰值温度不够、PCB原材料选用不当等，任何一个材料特性的选择与工艺参数设置不当，都可能造成潜在的缺陷，所以在实际生产中，一方面要严格控制工艺过程，另一方面要具体问题具体分析。不仅要注重提高工艺人员分析、判断和解决这些问题的能力。而且还要完善工艺管理、提高工艺质量控制技术。这样才能优化工艺并消除缺陷,保证电子产品的最终质量。

最近几年来，随着众多电子产品往小型，轻型，高密度方向发展，特别是手持设备的大量使用，在元器件材料工艺方面都对原有SMT技术提出了重大的挑战，也因此使SM得致到了飞速发展的机会。IC发展到0.5mm，0.4mm.0.3mm脚距;BGA 已被广泛采用，CSP也崭露头角，并呈现快速上涨趋势。析料上免清洗低残留锡膏得到广泛用。所有这些都给回流焊工艺提出了新的要求，一个总的趋势就是要求回流焊采用更先进的热传递方式，达到节约能源，均匀温度，适合双面板PCB 和新型器件封装方式的焊接要求，并逐步实现对波峰焊的全面代替。

致谢

时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

这篇论文是在我的指导老师谭淑英老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，谭老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，并且在耐心指导论文之余，谭老师仍不忘拓展我们的社会知识，让我们感受到了人生要不断的努力去追寻。值得一提的是，谭老师对学生认真负责，在她的身上，我可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向谭老师表示最衷心的感谢!

此外，本文最终得以顺利完成，也是与学院其他老师的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，他们是郝秀云老师、李薇老师、高晴老师等，在此向他们表示深深的感谢!

最后要感谢的是我的父母，他们为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望，我一定会好好孝敬和报答他们!

参考文献

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6.李凯.表面贴装系统的优化设计和实现.西南交通大学，2003 年

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