焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫)的原理是什麼?

不沾錫,空焊,Nonwetting, solder empty, solder skip不沾錫,冷焊

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?是什麼因素會造成零件空焊?

一般IPC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IMC(Intermetallic Compound)有沒有形成來確認,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)會生成Cu6Sn5,如果是鎳基地的PCB(ENIG是也)會生成Ni3Sn4,IMC生成物是一種化合物,而想形成化學反應就需要的是熱能,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、錫膏的「表面能」,才能形成化學反應,所謂「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,因為有些零件不耐更高溫,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,當氧化非常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焊錫與需要生成焊接的位置,既使環境溫度已經達到了融錫溫度,但需要焊接的位置扔然未超過其表面能的溫度,就會發生焊錫融化了但卻流動到鄰近已經昇溫超過表面能的位置。

這個現象經常發生在焊錫全部集中在零件腳或是全部集中在PCB焊墊的位置,就是有一方的表面處理可能已經氧化,造成表面能升高,當一方可以吃錫,另一方不能吃錫,就會這樣。

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昇溫,可是零件的昇溫卻很快,這時候如果回焊爐的溫度曲線條得不好,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:
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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

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,只要原因為錫膏氧化、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。


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