為何電子零件的接地腳不容易上錫?操作及設計上該如何解決?

為何大多數電子零件的接地腳(grounding pin)這麼不容易上錫?尤其是在做人工焊接的時候,有些零件既使用電烙鐵對這些接地腳長時間加熱,它們依然容易出現冷焊、假焊、包焊等不潤濕(non-wetting)的現象?其實,不只手焊作業容易出現這些問題,有時候SMT或波焊製程也都對這些接地腳的焊接品質頭痛不已。

究竟為何電子零件的接地腳在焊接過程中容易出現焊錫不良的現象呢?

我們這裡先排除因為氧化所造成的焊接不良問題。接著想一下,焊錫的基本條件有哪些?工作熊這裡列出3個焊錫的主要條件:①焊接溫度必須超過焊料的熔點。②必須要有可以被潤濕的表面金屬,也就是可焊接金屬。③最好要有可清除氧化物的助焊劑來幫助焊接。

其中第②及③點的問題不大,電子零件的引腳基本上都有做金屬表面處理,可以被焊接。一般手焊用的錫絲及SMT用錫膏都內含助焊劑,就算是波焊製程也會在焊接前噴塗助焊劑。

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建議延伸閱讀:焊接原理與手動電烙鐵焊接技巧解說、手焊後復(touch-up)

剩下一個焊接條件就是溫度了,溫度應該是個可以很容易被理解且被視為理所當然的特性,但顯然地很多人嚴重的忽略了溫度在焊接過程中的影響。其實焊錫之所以會發生冷焊、假焊、包焊,其最主要原因就是溫度不足所造成,當然必須先排除掉氧化的影響。很多人在使用電烙鐵焊接時,總以為只要把烙鐵的溫度設定得比錫絲的熔點要高就可以焊接,也不能說這樣的理解完全錯誤,但是不要忘記錫絲及被焊接物的初始溫度應該都只有室溫,它們的溫度必須透過高溫的烙鐵頭經由熱交換傳導才能被加熱達到熔錫溫度形成IMC,而在加熱的過程中被焊接區域如果連接著大面積易導熱或散熱的物體,比如從零件金屬外殼連接出來的接地腳,或是PCB的焊點直接連接到大面積的接地銅箔佈線,這樣熱能就無法集中在被焊接區,因為熱能會被迅速的傳導到其他非焊接區域,也就是說焊接區無法被迅速的加熱達到熔錫的溫度,雖然直接與烙鐵頭接觸的錫絲已經融化,但是被焊接區卻仍未達到焊接的溫度,於是就形成了冷焊、假焊、包焊等現象。

這就類似用水龍頭注水進入容器,把熱能(溫度)想像成水,而容器想像成要被加熱的焊接區,當容器只是個水桶,注水應該不需要花太久的時間,水龍頭全開,大約1分鐘左右就可以注滿水,那如果容器為浴缸,要將水注滿可能得花10分鐘以上,你可能會說多開一個水龍頭應該可以縮短注水的時間吧!這個想法是正確的,這水龍頭的大小則可以對應到烙鐵頭的大小,正確來說是烙鐵頭接觸到被焊接區的大小。另外還有一個必須考慮的重點是從水塔下來水管的直徑夠不夠大,如果水管不夠粗,就算你可以同時開兩個以上的水龍頭,單位時間流出來的水依然還是被水管直徑給限制住,這個可以對應到電烙鐵的熱補償能力,就是當烙鐵頭靠放在低溫焊點上而熱能被帶走後多快可以回復到原來的溫度,或者說溫度是否可以一直維持在設定的溫度,也就是烙鐵頭是否可以穩定供溫,一般來說功率(瓦數)越大的電烙鐵的熱補償能力就越好,所以常聽有些烙鐵熟手會要求使用大功率的烙鐵頭來焊接那些難焊的焊點。

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人工焊接接地腳 注水容器
熱能/溫度
被加熱的焊接區(焊墊/零件引腳) 容器(水桶或浴缸)
烙鐵頭大小 水龍頭大小
烙鐵補償能力 水管直徑大小

那有沒有什麼方法可以在手焊製程時提升電子零件接地腳的焊接品質呢?

在我們了解過烙鐵加溫的侷限之後,我們就可以根據上述的說明來微調焊接製程以提升電子零件焊接的良率,不過要強調的是,先天如果不足,後天就算再努力,也是杯水車薪。(是不是有點打擊人,但是先天不足又不努力就幾乎沒有成功的可能了)

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透過設計來提升電子零件接地腳的焊接品質

其實往往設計上的一小步改善,就可以大大增加製程的組裝能力,就看研發給不給力。以下這些設計的建議基本上只能幫助到PCB接地焊墊的加熱,目前對零件引腳本身連接到大面積鐵片並沒有太好的設計建議。也就是說如果零件本身就容易散熱的,目前的最佳建議還得從預熱來下手,如果是波焊製程最好選擇有上預熱裝置的設備,可以直接對零件來預熱。

如果你想要改善的是SMT在接地引腳的焊接問題,除了可以設計「限熱焊墊(thermal relief pad)」外,剩下的就是調整回焊爐的profile溫度了。你應該先去了解回焊過程中預熱(preheat)、吸熱(soak)、回焊(reflow)、冷卻(colling)等四個溫區的作用,並且先去了解何謂馬鞍式(RSS)與斜昇式(RTS)爐溫曲線。這裡有幾篇文章建議你先閱讀一下,相信你會有所收穫


延伸閱讀:

 
 
訪客留言內容(Comments)

THERMAL RELIEF 對生產製造很有幫助,
但對設計的角度而言,當密度比較高的時候,
對GROUND 完整性會造成傷害。

Denny,
這就必須trade-off了,別設計美好,製造卻殘酷,或是顛倒都不好。


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