SMT生产工艺中产生锡珠的原因分析及防控措施

随着电子产品迅速朝小型化、便携式、网络化 和多媒体化方向发展，这种市场需求对电路组装技 术提出了更高的要求，其中主要包括高密度化、高 速化、高 性 能 、高 可 靠 性 、低 功 耗 、小 尺 寸 和 多 引脚等。SMT(SurfaceMounted Technology)技术作 为电子行业最流行和应用最广的工艺技术，因其具 备组装密度高、电子产品体积小、可靠性高和易于 实现自动化等特点，已成为电子组装行业里最重要 的一种工艺和技术。但在实际规模生产过程中，还 是有各种各样的问题发生，锡珠是最主要的缺陷。 另外，越来越多的电子焊接采用焊后“免清洗”工 艺，但是如果焊后板面有“锡珠”出现，则不可能 达到“免清洗”的要求，因此“锡珠”的预防与控 制在实施“免清洗”过程中就显得格外重要。“锡 珠”的出现不仅影响板级产品外观，更为严重的是 由于印制板上元件密集，在使用过程中有可能造成 短路等状况，从而影响产品的可靠性。
由此可见，锡膏的质量及选用也影响着锡珠产 生。锡膏中金属及其氧化物的含量、金属粉末的粒 度、锡膏抗热坍塌效果等都在不同程度地影响着 “锡珠”的形成。
2)设备角度——印刷机，贴片机，回流焊机 (1)锡膏在印制板上的印刷厚度及印刷量。锡膏 的印刷厚度是生产中一个主要参数，印刷厚度通常 在 0.15～0.20 mm 之间，过厚或过多都容易导致 “坍塌”从而形成“锡珠”，过少会影响焊接质量。 (2)如果在贴片过程中贴装压力过大，元件压在 锡膏上时就可能有一部分锡膏被挤在元件下面或有 少量锡粉飞出，在焊接段这部分焊粉熔化从而形成 “锡珠”。 (3)回流焊机如果温区较少或回流焊机的长度 不够，都会因升温较快而产生锡珠。 3)工艺角度 (1)印刷工艺 锡膏印刷时发生的塌陷使锡膏留在阻焊层上, 从而会在回流焊时产生焊锡珠。塌陷与锡膏特性、 模板、印刷参数设定有很大关系。锡膏的黏度较低、 保形性不好,使印刷后容易塌陷；如果模板内孔壁粗 糙不平,会造成锡膏从模板脱落,印出的锡膏也容易 发生塌陷。过大的刮刀压力会对锡膏产生比较大的 冲击力,使锡膏外形被破坏,发生塌陷的概率也会大 大增加。因此,相对应的解决方法是选择黏度较高的 锡膏，采用激光切割模板来提高孔壁光滑度以降低 刮刀压力参数。有时在生产过程中，印刷线路板印 错后需要将线路板上已经印制的锡膏清洗干净。若 清洗不干净，印制板表面和过孔内就会有残余的锡
1)物料角度——锡膏 锡膏是一种均质混合物，由合金焊料粉、糊状 焊剂和一些添加剂混合而成的具有一定黏性和良好 触变性的膏状体。当被加热到一定温度时(通常 183℃)，随着溶剂和部分添加剂的挥发及合金粉的
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熔化，使被焊元器件和焊盘连在一起，冷却形成永 久连接的焊点。合金焊料粉是锡膏的主要成分，约 占锡膏重量的 85％～90％。常用的锡膏分以下几 种：锡铅(Sn – Pb)、锡铅银/铜(Sn – Pb – Ag/Cu)和 锡(铅)铋(Sn – Pb – Bi)。目前锡铋为低温锡膏，比 较容易出现“锡珠”，锡膏产生的原因主要是由锡膏 的配方及成分所引起。
(1)锡膏中的金属含量。锡膏中金属含量的质量 比约为 89%～91%，体积比约为 50%左右，如图 2(a) 所示。通常金属含量越多，锡膏中的金属粉末排列 越紧密，锡粉的颗料之间就有更多机会结合而不易 在气化时被吹散，因此不易形成“锡珠”； 如果金 属含量减少，则出现“锡珠”的机率增高。
0.6 焊
0.5
锡珠”，所用线路板在焊接后必须被清洗或将锡珠手 工去除。
图 1 常见的锡珠形态及其尺寸标识照片
1.2 “锡珠”产生的原因 焊锡珠的存在不仅影响了电子产品的外观，也
对产品的质量埋下了隐患。现代化电子线路印制 板元件密度高、间距小，在使用时锡珠可能会脱 落。有的用户在使用端有二次回流的需要，锡珠 造成元器件或电路连接短路，影响电子产品的质 量。因此，很有必要弄清锡珠产生的原因，并进 行有效地控制及改进。在“SMT 表面贴装”焊接 工艺中，锡珠是在回流炉中产生，但回流焊的“温 度、时间、锡膏的质量、印刷厚度、钢网(模板)的 制作、装贴压力”等因素都有可能造成“锡珠”的 产生。锡珠其实就是由于锡膏受热太快，锡膏中的 水分爆裂而使得焊锡飞溅，从而在电路板上产生多 余的锡珠。所以原因主要从物料角度、设备角度和 工艺操作角度三个方面来分析。
2.3 工艺控制 1)模板的设计和制作 一般情况下，生产厂家往往根据印制板上的焊
(3)回流焊工艺 回流焊温度曲线是决定焊珠形成的一个重要参 数，温度曲线如图 3 所示。回流过程中不同阶段 的温度和升温速度会导致不同的问题产生。经典 的回流温度曲线将整个回流过程分为 5 个区域:预 热、保温、升温、焊接、冷却。每个区域的曲线斜 率不同，升温速率分别为 1.5℃/s、0.5℃/s、1.5℃/s、 2.5℃/s，冷却区域小于 4℃/s。特别是在焊接区，由 于升温速度较快，水分爆裂就容易形成锡珠。采 取较适中的预热温度和预热速度来控制锡珠的 产生。
(4)锡膏一般冷藏在冰箱中，使用前将其从冰 箱中拿出后不应立即开盖(立即开盖会使水汽凝结 在锡膏上)，而应在使用环境下回温，待温度稳定 后再开盖使用。锡膏中助焊剂的量太多会造成锡膏 局部塌落，从而容易产生锡珠。另外，焊剂的活性 小导致焊剂的去氧化能力弱，也容易产生锡珠。免 清洗锡膏的活性较松香型和水溶型锡膏要低，因此 就更有可能产生焊锡珠。 2.2 设备选用
Paste C (Sn 63, -200/325)
0.4 珠
0.3
0.2 率
0.1
0.0 88
89
90
91
(a)
0.5 焊
0.4
Paste D (90% Sn 63, -200/325)
0.3 珠
0.2
0.1
率 0.0
0.00 0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
(b) 图 2 锡膏成分与锡珠率对照曲线
1 “锡珠”产生主要因素分析 1.1 关于的“锡珠”形态及标准
根据电子产品生产现场质量检验标准及无铅的 验收标准(IPC-A-610C 标准)中规定“每平方英寸少 于 5 个”。最小绝缘间隙 0.13 mm，直径小于 0.13 mm 的锡珠被认为是合格的，常见的锡珠形态及其尺寸 照片如图 1 所示。而直径大于或等于 0.13 mm 的锡 珠是不合格的，制造商必须采取纠正措施，避免这 种现象的发生。在最新版 IPCA-610D 标准中没有对 无铅焊接中锡珠现象做更清楚的规定，另外 MIL-STD-2000 标准中规定“不允许有锡珠”，在有 关汽车和军用产品的标准中则是“不允许出现任何
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膏，回流焊时就会形成锡珠，在这一过程中，人员 因素的影响显得尤为突出。因此要加强操作员在 生产过程中的责任心，严格按照工艺要求进行生 产，加强工艺过程的质量控制。
(2)贴片工艺 如果在贴装时压力太大，锡膏就容易被挤压到 元件下面的阻焊层上，在回流焊时焊锡熔化在元件 的周围形成锡珠。可以减小贴装时的压力，调整贴 装压力并设定包含元件本身厚度在内的贴装吸嘴的 下降位置，要注意元器件的物理尺寸，设置正确的 元件高度。
2 生产中“锡珠”的防控措施 2.1 锡膏选用
(1)锡膏中金属颗粒的含量、锡膏的氧化度、锡 膏中焊料球的粗细度、锡膏吸湿及锡膏中助焊剂的 量以及焊剂的活性都能影响锡珠的产生。锡膏中金 属含量的质量比约为 88%～92%，体积比约为 50%。 当金属含量增加时，锡膏的黏度增加，就能有效地 抵抗预热过程中汽化产生的力。另外，金属含量的 增加使焊料球排列紧密，使其在熔化时更容易结合 而不被吹散。此外，金属含量的增加也可以减小锡 膏印刷后的塌陷，因此，选用金属含量高的锡膏不
图 3 回流焊温度曲线图
(4)其他辅助工艺 湿度敏感的元器件及印制板长时间暴露在空 气中会吸收水分并发生焊盘氧化,导致可焊性变 差,极易引起焊锡珠现象。对这些湿度敏度元件和 印制板要进行湿度敏感度控制,控制的原则是在运 输、储存、备料及生产过程中一定要严格按照元器 件及印制板的湿度敏感等级进行控制,暴露时间超 标时必须及时用低温(40℃)或者高温(120℃) 在 干燥箱中进行 24 h 的烘烤,并且用湿度敏感指示卡 进行跟踪且要进行真空封装，这样可以有效地减少 锡珠产生。
(4)锡膏抗热坍塌效果。在回流焊预热段，如果 锡膏抗热坍塌效果不好，在焊接温度前(焊料开始熔 融前)已印刷成型的锡膏开始坍塌，并有些锡膏流到 焊盘以外。当进入焊接区时焊料开始熔融，由于内 应力的作用，锡膏收缩成焊点并开始浸润爬升至焊 接端头。有时因为焊剂缺失或其他原因导致锡膏应 力不足，有一少部分焊盘外的锡膏没有收缩回来， 当其完全熔化后就形成了“锡珠”。
(1)印刷机的选用。印刷机本身应选用压力适 中、控制精确的全自动印刷机。特别是与印刷机相 匹配的钢网。钢网的开孔和印刷的压力是印刷工艺 阶段主要控制因素。
(2)贴片机的选用。主要是贴片的压力和位置 精确度，一般选择全自动的贴片机。主流贴片机一 般都能达到使用要求。
(3)回流焊机的选用。回流焊机是引起锡珠的 主要原因，在实际生产加工一款遥控器电路板时出 现锡珠的可能性较多，选用的回流焊炉是 HW-8800 的 8 温区。开始一直以为是印刷工艺出现的问题，后 来发现回流焊机的温控曲线在低温时的控制不是很 好，回流焊机常用的温度是在 230℃，但由于这款遥 控器电路板的问题只能选用低温锡膏，在温度测试 时正常，但过板是温度有一点偏差；后选用另一条 生产线的回流焊炉，锡珠的出现率大大降低。
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易产生焊锡珠。 (2)锡膏接触空气后，金属颗粒表面可能产生
氧化。金属氧化度越高，在焊接时颗粒越不易结合， 锡膏与焊盘及元件之间就越不浸润，从而导致可焊 性降低。而试验证明锡珠的发生率与锡膏氧化物的 百分率成正比。一般锡膏的氧化物应控制在 0. 03% 左右，最大值不要超过 0. 15%，所以锡膏不宜长时 间暴露的空气中。