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《Youtube》網友求助問:SMT焊點表面出現一層顆粒狀金屬球是什麼?
這個案例是一位苦主在國外論壇上貼出來的幾張關於SMT焊接後的照片,苦主說明他們家生產了一批PCBA板子,但是在SMT回焊後卻發現焊點的表面出現了一層顆粒狀的金屬球,看起來有點像雞皮疙瘩,用鑷子輕輕一刮,顆粒就可以被輕易刮掉,再用鑷子推焊點及零件焊腳則推不動,所以,苦主認為焊點強度應該是OK的(工作熊個人持懷疑態度)。
苦主有進一步說明,說他們家有重新確認過錫膏與爐溫都沒有問題。而且這款產品他們經常生產,也都使用同一條SMT線體,製程參數也都沒有修改過,就只有這一批產品生產有這樣的問題。詢問有沒有大神遇過類似的情形?這種問題該如何解決?這樣子算不良嗎?或是大家有什麼建議呢?
看倌們覺得這樣的現象到底是怎麼發生的呢?這樣子的現象是可以接受的嗎?
下面是苦主貼出來的3張關於焊點表面出現一層金屬球的照片:
我們先來看看論壇上網友們對這個問題的看法!
其實大部分的論談網友在看過照片後,大多覺得這種有顆粒狀現象的焊點就是冷焊的表現,因為錫膏本身就是由一粒粒的小錫粉與助焊劑混合而成的,焊點出現有金屬顆粒不是很明顯嗎?就是錫粉沒有完全融化的表現啊!順便也質疑起了苦主說過「有重新確認過錫膏與爐溫都沒有問題?」是如何確認的。
更有一位網友直接指出來,照片上,尤其是第3張照片,很明白的顯示,焊墊並沒有被完全潤濕,這就是冷焊的證據啊。
(工作熊覺得真的該給這位觀察入微的網友按個讚呢。)
建議延伸閱讀: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?
而比較有經驗的網友則明確的點出,這就是「葡萄球現象」,認為應該是助焊劑在進入回焊前就提早揮發所致,要苦主檢查溫度曲線有無問題,並建議苦主上網搜尋一下《葡萄球現象》的關鍵字,就可以找到一大堆的資料。甚至還有人鐵口直斷,說這應該就是錫膏的品質出了問題!
後面還有其他網友建議。要將回焊的溫度曲線改成RTS,應該可以解決這種問題。
(關於這位網友的提議,工作熊個人是持保留態度的,後面我們可以再來詳談原因,或許也可以稍微提一下RTS與RSS溫度曲線的差異,如果沒有時間,就留待下一次吧!)
更有一位網友提議,應該要開氮氣(N2)來試一下,如果還是發現有一樣的現象,應該就是錫膏的問題了。
(工作熊覺得這位網友可能是把氮氣當成萬靈丹了,要知道,氮氣只能提供PCB焊店及錫膏在進入回焊爐後的氧化保護,降低SMT的潤濕過程中氧氣對焊點的作用,如果錫膏在進入回焊爐前就已經氧化,或是助焊劑因為暴露空氣中過久而提前揮發,氮氣根本就無效。)
在經過網友們的輪番洗禮之後,苦主最終有跳出來做了補充說明,並澄清一些問題。
第1點. 苦主說這種現象只出現在IC零件上,其他零件則沒有。
工作熊個人見解:關於苦主的這個補充說明,工作熊先偷偷地吐槽一下:明明苦主貼出來的第二張照片,就是電阻零件啊,而且它的焊點上面也出現有葡萄球現象啊,怎麼還硬要說只出現在IC零件的焊點上呢。
2. 苦主覺得這樣的焊錫應該不是冷焊,就只是焊點的表面有顆粒,把顆粒刮掉就好了,焊點便面看起來還是很光亮的,而且強度也是OK的。
工作熊個人見解:關於苦主的這一點澄清,工作熊覺得苦主可能根本就沒有搞清楚這葡萄球現象是怎麼發生的,才會下這樣的定論。工作熊個人也不知道苦主是如何推論這個的焊錫強度沒有問題,如果是工作熊個人,則會拿一片良品來當作標準品,然後做推力實驗來互相比較之後做判斷。只是從前面的討論中得知焊墊似乎並未被完全潤濕,這樣的焊錫強度會好到哪裡,個人是存疑的。至於把錫珠顆粒刮掉是一定要的,如果不做處理,這些殘留在焊點表面沒有完全融化的錫珠,也不知道在那天就會因為震動而從焊點上掉落下來,卡在某些電路上造成短路,成為不定時炸彈。
3. 因為有人質疑苦主家用的錫膏品質可能有問題,或是錫膏使用不當,造成錫膏中的助焊劑提前揮發,所以苦主說他們有將同一罐錫膏拿去另外一條SMT線體生產,並沒有發現有相同的問題。所以,苦主也覺得錫膏沒有問題。
4. 針對網友質疑回焊爐溫及錫膏管控的問題,苦主解釋說爐溫他們有量測過的,沒有發現問題,而且錫膏的儲存也都合乎規定。
工作熊個人見解:工作熊個人怎麼覺得,苦主好像是個在立法院為自己政策辯護的官員,苦主不是要來尋求網友幫忙找出發生問題可能原因的嗎?不是應該要在網友提出可能原因後,逐步驗證排除。苦主說爐溫有量過沒有問題,可是又沒有貼爐溫曲線,說錫膏儲存合乎規定,是怎樣的規定也沒有說。隱約感覺苦主似乎是希望有人告訴他,焊點有這樣的表面金屬顆粒是沒有問題的,可以繼續生產…這是希望有人可以幫他背書的意思嗎?
工作熊個人對這個案例的看法:
而工作熊個人對這個問題的看法也比較傾向是《葡萄球現象》或稱為《葡萄球錫珠現象》,英文為《Graping Solder》,因為嚴重的時候,不良現象看起來就會像是一串串堆疊在一起的葡萄。
工作熊之前在部落格中有寫過一篇相關的文章《什麼是SMT葡萄球錫珠現象(Graping Solder)?該如何解決? 》可以參考。
其實這種《葡萄球錫珠現象》不難理解,而且這種《葡萄球錫珠現象》一般只也會發生在使用錫膏印刷焊錫的回焊製程上,而幾乎不會發生在波焊及手焊,製程上。這是因為錫膏原本就是由一粒粒的錫粉與助焊劑充分混合而成的,大家可以把錫膏想像成是很黏稠的珍珠奶茶,珍珠也就是粉圓則是錫粉,而黏稠的牛奶則是助焊劑。一旦助焊劑在回焊前就提早揮發後,剩下的就是一粒粒疊在一起的圓形錫粉了,而這就是嚴重時的《葡萄球錫珠現象》。
所以,從這個思路我們可以推敲出《葡萄球錫珠現象》發生可能的原因,應該就是錫膏中錫粉未被回焊高溫融化聚合在一起,或者只融化聚合了一部分的錫粉,剩餘那些未被融化聚合的錫粉就成顆粒狀的錫珠聚集在焊點的表面。
而造成錫膏無法融化的原因不外乎下列幾種:
一、錫膏受潮氧化
「錫膏氧化」基本上為葡萄球現象的主要原因,而錫膏氧化又可以分成許多類別,比如說人員操作不慎、錫膏過期或儲存不當、錫膏回溫/攪拌不良,造成錫膏吸濕受潮,都是可能造成錫膏氧化的原因。
有些鋼板在使用溶劑清潔後未完全乾燥就上線使用,造成溶劑汙染錫膏,也是可能的原因之一。
工作熊還曾經看過SMT產線的氣槍有水噴出來的問題,還看過有作業員為了加速鋼板清洗後乾燥,而用嘴巴吹乾造成口水沾附在鋼網上的,這些原因都可能造成錫膏吸濕而氧化。
二、錫膏中助焊劑提前揮發
錫膏中的助焊劑(flux)是另一個可能影響錫膏融錫的重要因素,助焊劑的目的除了是用來去除金屬的表面氧化物外,它其實還有另一個目的,就是用來包覆住錫粉,保護它免於在焊接前與空氣直接接觸。所以,助焊劑如果提前揮發了,就無法達到去除金屬表面氧化物的效果,也無法起到保護錫粉免於氧化的目的,所以錫膏拆封後要依照規定在一定的時間內用完,否則助焊劑將會提前揮發讓錫膏變乾並氧化。
另外,回焊中的預熱區(preheat zone)如果過長或溫度過高,也會讓助焊劑提早地過度揮發,就有機會發生葡萄球錫珠現象。這也就是為何前面有網友建議苦主,可以考慮將回焊的溫度曲線改為RTS(ramp-to-spike,斜昇式)的原因,因為斜昇式的預熱區比較短,可惜~並不是所有的PCBA都適合使用RTS曲線的,當板子上的零件尺寸差異較大,也就是吸熱的速率差異過大時,就不適合使用RTS,否則就容易造成溫度不均勻的問題。
關於SMT回焊曲線的選擇可以參考工作熊寫過的這篇《回流焊的爐溫曲線應該使用RSS(馬鞍)型?還是RTS(斜昇)型?》文章。
三、回焊溫度不足
當回焊溫度不足以提供錫膏完全融化的條件時,錫膏就有機會出現葡萄球現象。也就是錫膏融化不完全。
整體而言,這個案例的葡萄球錫珠現象其實並不算是太嚴重,但也不能說不嚴重,從整體外觀看起來,就是大部分的錫粉在經過回焊高溫後融合在一起,剩下少數的錫粉則因為某些原因未被融化,所以殘留聚集在焊點的表面。
從苦主照片上的跡象觀察,可以發現其焊墊並未被錫膏完全潤濕,而錫膏與焊墊間的潤濕角度(θ)又大於90°,所以可以初步判定有non-wetting現象,也就是不沾錫現象,這通常意味著錫膏或焊墊可能已經氧化、或回焊的溫度不足。加上焊點上觀察到葡萄球現象,基本上可以先把焊墊氧化的問題暫時排除,再加上苦主補充說明,他們有將同一罐錫膏拿去別的線體作業沒有發生問題,所以答案應該就比較偏向是回焊爐溫不足所造成,當然也不能排除是錫膏印刷後擺放過久造成助焊劑揮發所導致。
基本上這類問題,應該都可以在回焊後的目視檢查或AOI檢查中馬上偵測出來,並反饋給前面製程做出相應的處置,將不良品遏止在出現的初期,也可以在真因還未被抹除前就及時發現,避免事後花更大力氣尋找驗證真因的時間。
YouTube:網友求助問:SMT焊點表面出現一層顆粒狀金屬球是什麼?
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