助焊劑類型對錫膏焊接過程中飛濺的影響-福英達焊錫膏
助焊劑類型對錫膏焊接過程中飛濺的影響-福英達焊錫膏
回流焊接是電子裝配中非常復雜的過程。隨著元器件封裝尺寸的減小，元器件端子數量的增加，以及鉛基焊料合金的限制，許多工藝問題出現了。可能的關注點包括橋接、不濕潤、脫濕、焊錫球、立碑、開路接頭、空洞、翹曲等相關問題。 其中近60％的問題可以歸因于焊錫膏焊接過程，特別是對于超細間元件。然而，許多工藝問題也與助焊劑的使用有關。助焊劑的不良副作用可能以不良濕潤、腐蝕、電化學遷移、空洞形成或助焊劑飛濺的形式出現。助焊劑類型也可能影響焊點微結構和基板與焊料之間的金屬間化合物層，這與焊點的長期穩定性和可靠性直接相關。
另一方面，采用為無鉛焊料設計的助焊劑增加了與助焊劑有關的問題數量。由于無鉛焊料合金的潤濕性能比鉛基合金差，因此它們的表面張力更高，所以需要更多化學性更強的助焊劑。為了滿足清潔要求，現代無鉛助焊劑必須含有活化劑，即鹵化物。國際標準IPC J-STD-004B根據鹵化物含量將助焊劑分為不同類別。含有鹵化物活化劑的助焊劑引起的反應比鉛基焊料使用的助焊劑更強烈，以去除氧化物。此外，助焊劑的數量越多，揮發性有機化合物（VOC）的含量就越高，作為溶劑發揮作用。在助焊膏的回流期間，溶劑可能過度蒸發。這兩個因素可能導致一系列工藝問題。
如今，免清洗助焊劑在焊膏中廣泛使用，以避免額外的清洗過程并降低生產成本。根據行業分析，免清洗助焊劑的市場份額為40%。焊接過程后，板上的助焊劑殘留物應該是固態和惰性的。 Lee指出，這樣的殘留物不應導致任何可靠性問題，如焊點或接觸墊的腐蝕或氧化。然而，Zhan等人的一些以前的研究證明，免清洗助焊劑殘留物可能引起與腐蝕和電化學遷移有關的可靠性問題。除了腐蝕或電化學遷移問題外，免清洗助焊劑殘留物也可能引起與其絕緣特性有關的其他問題。
圖1.被錫膏焊劑殘留物污染的金連接焊盤。
當焊劑在回流焊接過程中從焊膏中濺出并污染焊接周圍時，將出現兩個潛在的威脅。其一，焊劑殘留物附著在測試盤上，使內部電路測試變得困難。該殘留物可能充當障礙物，防止內部電路探針與測試盤接觸，因此即使電路板完全功能正常，測試機也會自動將其標記為廢品。此外，焊劑殘留物也會污染作為連接器的金連接焊盤（“金手指”），并可能使電氣接觸變差。這兩個問題在Berntson等人的研究中都有詳細的描述。可以在圖1中看到一個“金手指”被免洗錫膏焊劑殘留物污染的真實商業例子。
熔融膏飛濺原因
Berntson 等人提出了關于熔融膏飛濺根本原因的兩種理論。溶劑排放理論認為熔融膏飛濺是由溶劑和其他易揮發成分的大量蒸發引起的。另一方面，聚合理論認為由熔融錫表面張力引起的力作用于軟釬焊料內部的助焊劑上。在快速加熱的情況下（例如，在回流階段的溫度升高的時候），力量足夠快速將助焊劑從熔融錫中推出。根據實驗觀察，作者偏向于第二種理論。助焊劑本身在加熱過程中未飛濺，僅當存在于錫膏中飛濺。然而，這項研究僅限于基于Pb的焊料和為基于Pb的焊接設計的助焊劑。此外，通過增加預熱階段的溫度和時間以及使用ramp-soak-spike (RSS) 溫度曲線而不是ramp-to-spike (RTS) 曲線，可以減少熔融膏飛濺。這些情況表明溶劑的影響也很重要。
圖 2.擴散通量的表面張力平衡圖。
后續的研究集中于焊錫球產生問題，這也與焊膏濺射有關，盡管還有其他影響因素，例如焊膏中金屬顆粒的氧化。Tan等人對鉍錫焊膏進行了實驗，他們得出結論，焊球產生的概率隨著回流階段溫度梯度的增加而增加。Chansa-ngavej和Kasemsomporn證實了溫度梯度和預熱階段對由濺射引起的焊球產生的強烈影響。
然而，許多研究表明修改溫度曲線并不總是一種合適的解決方案，因為它也強烈影響焊接接頭的創建以及其特性。此外，在工業實踐中通常不可能更改溫度曲線，因為熱調節需要大量的時間，在大規模生產中不能浪費。因此，正在研究其他可能減少或消除此問題的方法。更改焊接技術也是有益的，例如，在焊接過程中使用超聲波。Hu等人表示，超聲處理有助于焊料潤濕和界面反應，因此可以減少焊膏的數量，從而降低濺油的概率。另一種有前途的技術是蒸汽相焊接，在該技術中，PCB表面受到惰性焊液層的保護，不受助焊劑污染。然而，在實踐中，技術的改變通常是不可行的。
關于焊劑濺射的評估
從表中焊膏的明顯差異可以看出，這可能主要是由于不同的化學組成造成的。在含有較少活性焊膏和較少鹵素的Paste B的情況下，與Paste A相比，焊膏殘留物的數量平均減少了63％。同時，Paste A的平均焊膏殘留物尺寸比Paste B小。理論上，使用Paste B焊接后留下的較高污染率增加了液滴覆蓋電路測試墊的概率，從而威脅了整個電路板的功能測試。另一方面，由于殘留物較少，總污染面積也減少，因此這種情況的概率也減少了。對于Paste B，所有焊膏殘留物的總面積較小，因此從焊膏中釋放和濺出的總量也較小。可以得出，含有較少鹵素的焊膏顯著減少了濺灑效應。
表 1.助焊劑擴散和飛濺評估的結果。
結果說明了選擇焊劑（焊膏）在處理焊渣濺散問題時至關重要。使用含有更多鹵素的ROL1焊劑，與ROL0焊劑相比，焊渣濺散的可能性增加，因此ROL0焊劑在實踐中是首選的。然而，必須考慮焊劑潤濕可能受到影響。
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參考文獻
Petr Vesely, Karel Du?ek, Denis Fro?. (2022). Toward reducing no-clean flux spatter during reflow soldering: Investigating the effect of flux type, solder mask, and solder pad design. Journal of Manufacturing Processes, vol. 81, pp.696-706.
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