PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼?

PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼?

很多朋友可能都沒有細想過焊錫吃得好與不好的原理是什麼?有哪些因素會造成零件空焊?

一般IPC工業標準的英文版本以Wetting(潤濕)來形容吃錫確實非常傳神,把焊錫想像成「水」的樣子,有「潤濕 」就表示吃錫吃得好,沒有被「潤濕 」就是「不潤濕 」則表示吃錫吃得不好,或甚至沒吃錫。

那是什麼因素影響了「潤濕」的程度呢?潤濕的終極表現可以用有沒有形成IMC(Intermetallic Compound)來做最終確認,而IMC其實是一種化學反應的結果,如果是銅基地的PCB(OSP是也)則板子上的銅會與錫膏中的錫生成Cu6Sn5,如果是鎳基地的PCB(ENIG是也)則板上金層下面的鎳會與錫膏中的錫生成Ni3Sn4,IMC的生成物是一種化合物,而想要讓焊錫形成化學反應就需要「熱能」,熱能又取決於溫度,這裡可能要再加上時間,但能不能直接以Reflow溫度曲線下的面積(溫度 x 時間)來計算就有待商榷。

Soaking type 典型浸潤式回流焊溫度曲線Slumping type 斜升式回流焊溫度曲線

總之,到目前為止【溫度】就是決定錫膏潤濕(吃錫)是否良好的主要因素,也就是說當給予的溫度高於錫膏熔錫的溫度使其可以形成IMC就可以形成良好的吃錫,換個比較學術的說法,當給予的熱能高過PCB的表面處理及錫膏的「表面能」,就能形成化學反應,所謂的「表面能」是創造物質表面時,破壞分子間化學鍵所需消耗的能量。

以上是理想的狀態,那如果PCB的表面處理或是錫膏氧化了,它們的表面能就會隨著氧化程度而增加,但SMT的回焊(Reflow)溫度卻是固定的,因為有些零件設計不可以耐到更高溫,於是給予的熱能不變,但表面能增加的情況下就會造成潤濕不良的情形,當氧化程度不是很嚴重時,就會發生部份可以潤濕,部份不潤濕的縮錫(De-Wetting)現象,大陸稱「縮錫」為「退潤濕」,當氧化非常的嚴重就會造成不沾錫/不潤濕(Non-Wetting)的現象。

所以影響焊錫潤濕的因素為「溫度」與「氧化」程度。

請注意:這裡的溫度指的是要錫膏與需要生成焊接位置的溫度,既使環境溫度已經達到了融錫溫度,但需要焊接的位置如果仍然未超過其表面能的溫度,就會發生錫膏融化了但卻流動到鄰近已經焊墊或零件焊腳溫度已經上升到超過表面能的位置。

所以有時候SMT工廠會有某些焊錫不良的現象是:焊錫全部集中在零件腳或是全部集中在PCB焊墊的位置,而其他地方則沒有焊錫,就是有一方的表面處理可能已經氧化,造成其表面能升高,當一方可以吃錫,另一方不能吃錫,就會形成這樣的缺陷。

另外一個現象是PCB的焊墊上鋪設了大面積的銅箔,銅箔面積越大就需要供給更多的熱能才能使其昇溫,可是零件腳因為直接暴露在環境大氣中,所以昇溫很快,這時候如果回焊爐的溫度曲線調得不夠好,板子進度回焊區(reflow zone)前彼此的溫差太大,也會造成焊錫全部跑到零件腳的情形,所以有些PCB 會特意在這種焊墊上設計熱阻(Thermal Relief)來降低其影響。

請注意!以上觀念只是個人心得,不見得都是最正確,服用前請三思~


延伸閱讀:
迴流焊的溫度曲線 Reflow Profile
如何挑選錫膏 (Solder paste selection)
電路板上常見的焊錫缺點中英文對照與解釋
BGA虛焊NWO(Non-Wet-Open)形成的原因及可能解決方法

 
 
訪客留言內容(Comments)

PCB的殘銅率確實會影響銲錫品質

殘銅率(Residual coper rate)在PCB業界的用語是指銅箔被蝕刻後留存的線路面積比,通常在壓合多層板時我們拿來計算玻纖膠片(Prepregs)填充厚度的基礎。一般設計工程師計算阻抗例如2116: 4.2mil那是未計算殘銅率的Scal flow,如果計算殘銅率後就會在3.8-4.4之間漂移。以上並未加入Resuin content考量,也就是說若以2116MR,2116HR則結果是不一樣的。

你好!
对于葡萄球现象是是浸润不良的一种有其形成原因也与温度有关,但是通过温度调节又很难排除这种问题。能不能针对葡萄球现象加以分析。谢谢

大雁,
你所說的「葡萄球现象」可能是錫珠(Solder bead)吧!如果是,這個問題你只要在網路上找就一大堆了,主要原因為錫膏氧化、溢錫、噴錫…等。也可以在部落格內搜尋「錫珠」也可以找要一些文章。

熊老师,对于焊盘或引脚不上锡的问题,如果炉温调试OK,那么是不是就可以基本认定是PCB的焊盘或物料引脚有问题,即使是从表面直接观察并无氧化现象(比如焊盘或引脚发黑)。还有就是PCB表面镀层的处理是不是也会影响最终的焊接效果?比如喷锡板如果表面镀层比较薄,或者沉金板在镀层过程中里面杂质过多都会影响最终的焊接效果,但是这些问题在没有专业设备的情况下是很难分析的,不知道熊老师有没有更好的方法呢?

LiMing,
焊錫其實是很直觀的。
當給予的溫度高於表面處理的熔點,就可以潤濕。
如果都已經確定達到熔點溫度了,卻無法潤濕,就一定是焊膏或PCB或零件引角的表面處理變化了,氧化是金屬回歸自然界穩定狀態的一種自然現象,可以參考最近寫的文章【原來腐蝕發生的原因只是人家元素想要有一個穩定的未來,談金屬腐蝕(1)】。
一般輕微的氧化經常很難用肉眼看得出來,想要知道是否氧化,最簡單的方法就是利用新鮮的錫液測試表面處理,一般會用「沾錫天平」來測試焊錫性,有的會拿去小錫爐過一下看看,就是做沾錫測試,看能不能沾得上錫。

熊老师,现在我们这里遇到的问题是比如一批板,几十块到一百多块不等,其中就会掺杂,一块,几块甚至十几块的不上锡板子,很多时候都是PCB焊盘不上锡,通过外表观察又很难,又没有多余的板子去做上锡实验,客户问我们要原因,我们只能给客户说是PCB焊盘氧化的问题,处境很尴尬。

LiMing;
既然知道是板子的問題,就直接把板廠找來一起處理,板子不上錫問題很多,鍍層品質、鍍層厚度、保存環境、是否過期…等。

ipc-a-610g 談到短路Solder short只有短短幾個字 我有一個狀況提出
遇到一個說法是若{同線路可接短路}是客戶可接受還是ipc有講到?

che wei,
不會有文件定義你這樣的狀況的。你自己想想如果你要訂文件,你會如何定義你的情況?IPC不會特別去定義這種特例的。
這種短路一般屬於缺點,但不影響功能,如果設計上是需要短路的,那就沒有問題。
如果設計上是沒有短路,可實際卻短路了,那就是缺點。如果你出的是整機,或許你可以忽略它,可如果你出的是PCBA,它就是一個明顯的缺點,客戶有很大的機會退你的件。

熊老師您好:
想詢問J-STD-003其中一個項焊錫性測試:Solder Float Test,我們測試時發現,密集的BGA會有吃錫不良的問題,這樣算是正常現象嗎,是否有機會優化,謝謝

Seal,
我沒有J-STD-003資料,所以不是很清楚你的測試條件。

熊老師您好:
我們的測試手法是
1. 樣本裁至5*5 cm內
2. 板子塗上液體助焊劑
3. 將樣本浸入錫爐內5秒
4. 取出樣本,待冷卻觀察上錫狀態

較大的點位都能成功吃錫,但密集的BGA偶爾會有幾顆未吃錫的現象,故想詢問老師的建議,謝謝

Seal,
如果你想排除操作的問題,可以試試下列方法:
1.確實清潔樣本。因為樣本經過裁切可能不潔或沾異物影響焊錫。
2.塗助焊劑的時候至少來回塗兩次,確保所有焊墊確實有被塗抹到。
3.樣品浸入錫爐時確保需沾錫面朝上,而且浸入速度不要太快,保持垂直或一定角度浸入,避免任何陰影效應或包覆氣泡影響焊錫。
4.錫爐的錫液表面需先清除氧化物及錫渣。

請問IC用PPF框架或電鍍框架在reflow 設定上是否會有不同? 感謝!

Ray,
個人沒有這方面的研究,所以無法提供你資訊。
一般reflow對IC封裝的影響因素不外乎熱應力與孔洞。

工作熊前輩您好,
想請問目前廠內有發現一種狀況,在QFN元件與PCB PAD上的錫膏有些微搭上的情況下,經過REFLOW後,錫卻無爬上QFN上PIN的側壁,且接近QFN膠體中心的PIN上的錫膏皆無吃錫,PCB上的PAD呈現集中於PAD外側,內側的錫膏有被往外拉的狀態。該元件打成分後皆無異物及汙染成分,因此懷疑是QFN與錫膏接觸面積太小,造成錫膏集中於PCB PAD,且錫不會爬上QFN側壁與QFN內側。但這點我不知該以哪些學理說明,向熊大請教

QFN |
_________|
_____/////\\\\___
PAD

米丘,
QFN側壁爬錫的爭議是個老問題了,首先你應該看一下你發現無法爬錫的QFN側壁是否有露銅或是有其他的電鍍表面處理,一般市場上的QFN都是將導線架(leadframe)切斷(trim)後就不再做表面處理了,所以會有露銅的情形發生,這類的QFN能吃到錫的就是底部,因為底部的端子沒有被切斷,所以保留有原來導線架的表面處理,而QFN側面端子想要吃上錫就只能靠運氣。試著想像一下你的焊錫能否直接焊在銅面上?新鮮的銅應該可以,但是銅只要暴露在空氣中就會開始氧化,氧化後的銅對焊錫就不再那麼友善了,也就是會拒焊。你說對該元件打了成分後未發現異物及汙染,正常的情況下你應該也打不到其他的奇怪元素的,那有沒有打到氧(O)?氧的比率如果很高就是原因,因為氧化了。你可以在我的部落格內搜尋【QFN】關鍵字,應該可以找到一些相關的文章,也可以到網路上看看其他人的文章,看過了瞭解後還是不清楚再來討論。


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