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波焊製程發生吹氣泡及針孔炸錫透錫不良的原因與解決方法(2):吸潮、氧化、異物、設計問題
延續前一篇文章,除了波焊工藝不良外,其他如PCB板材潮濕、插件引腳或PCB孔壁氧化或有異物沾汙、PCB通孔鑽孔工藝不良造成毛邊、孔洞、縫隙,或是PCB佈線設計問題時未考慮插件引腳與通孔內壁的適當間隙等問題也都有機會在過【波焊(wave soldering)】時在電路板的焊點處發生針孔(pin holes)、吹孔或氣孔(blow holes)、透錫不良等吃錫不飽滿的焊接缺陷。
板材潮濕
水氣是電路板組裝高溫焊接中造成不良的隱形殺手,因為一旦環境溫度上升超過100˚C後,水(H2O)的相態就會立刻從液態轉變為氣態,體積也隨之成等級倍數增長,板材如果吸濕在通孔元件波焊的高溫焊接過程中就有機會化作水氣並且吹爆焊錫形成吹氣孔、針孔或炸錫。
板材潮濕的原因大部分來自保存環境與產線車間(shop floor)環境,少部分可能來自板材本身(有興趣的朋友可以參考【PCB爆板的真因剖析與防止對策】一文),所以要確實檢查PCB的存放環境以及作業環境是否有濕度管控,無濕度管控的SMT車間之生產品質就如同看天吃飯的行業。而一般SMT產線的濕度建議在35~65%RH,而IPC-J-STD-020文件定義的暴露車間濕度為60%RH。
解決方法:
解決板材潮濕問題除了嚴格管控環境溫溼度外,對於存放時間超過一定期限的PCB建議爐前烘烤。
建議參考文章:PCB如何烘烤?烘烤條件與方法,為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過回焊爐?
零件引腳或PCB孔壁氧化或有異物沾汙
當插件(THD)引腳或PCB的通孔(PTH)孔壁有氧化或異物沾汙時將會使得通孔焊接不完全,造成局部拒焊問題。如果有拒焊情形發生建議要使用可以調整傾斜角的X-Ray或人工調整傾斜角來觀察拒焊是發生在插件引腳或PCB孔壁處,並且層別不良是否集中在某一批次(lot)的插件或PCB。建議還要在放大鏡或顯微鏡底下檢查空板(光板)看孔內壁鍍層有無被破壞或分佈不均的情形。
另外,如果是緊配合(pressed fit)或干涉配合(interference fit)等需使用治具或作業員需要用力才能將插件置入PCB的作業,插件時零件引腳有機會摩擦破壞PCB通孔內壁鍍銅並造成缺焊後果,建議要切片檢查孔壁鍍銅厚度是否均勻且符合規定。
PCB鑽孔工藝不良造成毛邊、縫隙
PCB的通孔製作通常使用機械鑽孔工藝,而其鑽頭在使用一段時間後就會因為磨耗、折損而需要更換,為一消耗品,有些板廠為了節省生產成本會故意延長鑽頭的使用壽命,使用已經鈍化的鑽頭所鑽出來的孔壁表面會比較粗糙,甚至會有拉扯撕裂板材中玻纖(glass fiber)造成毛邊、孔洞以及縫隙等缺點,就算後續通孔完成電鍍銅工藝,這些由於玻纖被破壞後所形成的缺點也不容易消失,甚至會成為隱藏水氣的最佳處所,PCB過波焊時水氣就會因為高溫而轉變為水蒸氣並噴出形成類似火山口型的吹氣孔。
這些缺點雖然大多會被鍍銅所覆蓋,但缺點處的覆銅厚度通常會比較薄,如果整體鍍銅又偷斤減兩,那些潛藏在鍍銅背後的水氣就會伺機從這些鍍銅較薄的位置逃逸而出造成氣孔。
電鍍通孔(Plating Through Hole)的孔銅的厚度一般要求至少要滿足0.8mil(20um)的要求(IPC)。
檢查孔銅厚度時通常需要截面積切片然後逐層分析檢查。
設計問題:插件引腳與通孔內壁間隙
為了方便插件(insertion parts)可以順利插入PCB的通孔,所以一般都會在插件引腳(焊腳)與電鍍通孔間保留一定的間隙,這個間隙當然是越大就越容易讓引腳插入,尤其是針對多腳或是軟腳等不易對準通孔的零件,較大的間隙也可以降低插件作業的工時,順暢流水線;但這個間隙如果太大了,則容易在波焊時造成通孔填錫不飽滿、氣孔或架橋短路(兩孔環間隙縮小)等不良現象。
電路板組裝(PCBA)業界普遍要求手插作業時,插件引腳外徑與電鍍通孔(PTH)內徑孔壁間的距離不可以超過0.4mm。不過這個間隙應該要隨著插件引腳直徑大小而適當調整其大小。
以下數字只是建議值,還是要依照實際情況適當調整。
針對人工插件:
- D≤1.0mm, R=D+0.30mm(12mil)
- 1.0mm<D≤2.0mm, R=D+0.40mm(16mil)
- D>2.0mm, R=D+0.50mm(20mil)
如果是方形引腳,建議以最小間隙為基礎,並酌減直徑。
如果是長條扁平型引腳,建議PTH為符合引腳形狀的槽型(slot)開孔。
如果為非電鍍通孔(NPTH)一般建議間隙在0.15+/-0.1mm。
如果是自動插件(AI)作業,可以在不影響焊錫品質的情況下比照手插件尺寸並適當擴大其間隙。
設計問題:插件(HTD)未設計架高排氣機構
市面上有許多的插件(Through Hole Device)在其底部並未設計或留有墊高/架高(standoff)機構以利排氣及爬錫,波焊時這些插件的底部會完全覆蓋住通孔,一方面將使得錫液無法順利爬升到零件面形成弧形外觀加強焊接強度,而且還可能在零件底部與PCB表面間的縫隙中形成錫珠造成不確定的品質風險,另一方面則會阻擋助焊劑在波焊中的形成的氣體及殘留的空氣無法從零件面順利排出形成空洞。
系列文章:
延伸閱讀:
波焊(Wave soldering)時零件擺放的設計規範
使用【偷錫焊墊(拖錫焊盤)】來解決波焊時排腳零件的短路問題
波峰焊接錫珠不良原因問題整理與解決對策(wave soldering beads)
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你好~先謝謝你的專業分享。想問問~
D>0.2mm, R=D+0.50mm(20mil)→→→此處是不是筆誤?要表達的是D>2.0mm?謝謝。