焊接锡珠问题分析与解决

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从“缩减制程、节约成本、减少污染”等方面出发，越来越多的电子焊接采用焊后“免清洗”工艺。不过，若焊后板面出现“锡珠”，就无法达到“免清洗”的要求，所以“锡珠”的预防与控制在实施“免清洗”过程中就显得尤为重要。“锡珠”的出现不仅影响板级产品外观，更严重的是，由于印制板上元件密集，在使用过程中它可能造成短路等情况，从而影响产品的可靠性。

综合整个电子焊接情况，可能出现“锡珠”的工艺制程包括：“SMT表面贴装”焊接制程、“波峰焊”制程以及“手工焊”制程，我们从这三个方面逐一探讨“锡珠”出现的原因及预防控制的方法。因为“波峰焊”和“手工焊”已推行多年，很多方面已经比较成熟，所以本文用较多篇幅介绍“SMT表面贴装”焊接制程中产生“锡珠”的原因及防控措施。

一、关于“锡珠”的形态及标准 一些行业标准对“锡珠”问题进行了阐释。MIL - STD - 2000标准规定“不允许有锡珠”，而IPC - A - 610C标准规定“每平方英寸少于5个”。在IPC - A - 610C标准中，规定最小绝缘间隙为0.13毫米，直径在此之内的锡珠被视为合格；而直径大于或等于0.13毫米的锡珠是不合格的，制造商必须采取纠正措施，避免这种现象的发生。为无铅焊接制订的最新版IPCA - 610D标准没有对锡珠现象作出更明确的规定，有关每平方英寸少于5个锡珠的规定已被删除。有关汽车和军用产品的标准则不允许出现任何“锡珠”，所用线路板在焊接后必须被清洗，或将锡珠手工去除。

常见的锡珠形态及其尺寸照片见下图： / 二、“SMT表面贴装”制程中“锡珠”出现的原因及预防控制方法 在“SMT表面贴装”焊接制程中，回流焊的“温度、时间、焊膏的质量、印刷厚度、钢网（模板）的制作、装贴压力”等因素都可能导致“锡珠”的产生。因此，找到“锡珠”可能出现的原因并加以预防与控制，是实现板面无“锡珠”的关键所在。

（一）焊膏本身质量原因可能引起的“锡珠”状况

1.焊膏中的金属含量。焊膏中金属含量的质量比约为89 - 91％，体积比约为50％左右。通常，金属含量越多，焊膏中的金属粉末排列越紧密，锡粉的颗粒之间有更多机会结合，在气化时不易被吹散，因此不易形成“锡珠”；如果金属含量减少，出现“锡珠”的几率就会增高。

2.焊膏中氧化物的含量。焊膏中氧化物含量也影响焊接效果，氧化物含量越高，金属粉末熔化后在与焊盘熔合过程中的表面张力越大，而且在“回流焊接段”，金属粉末表面氧化物的含量还会增高，这不利于熔融焊料的完全“润湿”，从而导致细小锡珠产生。

3.焊膏中金属粉末的粒度。焊膏中的金属粉末是极细小的近圆型球体，常用的焊粉球径约在25 - 45μm之间，较细的粉末中氧化物含量较低，因而会使“锡珠”现象得到缓解。

4.焊膏抗热坍塌效果。在回流焊预热段，如果焊膏抗热坍塌效果不好，在焊接温度前（焊料开始熔融前）已印刷成型的焊膏开始坍塌，有些焊膏流到焊盘以外，当进入焊接区时，焊料开始熔融，由于内应力的作用，焊膏收缩成焊点并开始浸润爬升至焊接端头，有时因为焊剂缺失或其他原因导致焊膏应力不足，有一小部分焊盘外的焊膏没有收缩回来，当其完全熔化后就形成了“锡珠”。

由此可见，焊膏的质量及选用也影响锡珠的产生，焊膏中金属及其氧化物的含量、金属粉末的粒度、焊膏抗热坍塌效果等都在不同程度上影响着“锡珠”的形成。

（二）使用不当形成 “锡珠”的原因分析

1."锡珠”在通过回流焊炉时产生。我们大致可将回流焊过程分为“预热、保温、焊接和冷却”四个阶段。“预热段”是为了使印制板和表贴元件缓慢升温到120 - 150℃之间，这样可以除去焊锡膏中易挥发的溶剂，减少对元件的热冲击。而在这个过程中焊膏内部会发生气化现象，如果此时焊膏中金属粉末之间的粘结力小于焊剂气化产生的力，就会有少量“焊粉”从焊盘上流下或飞出，在“焊接”阶段，这部分“焊粉”也会熔化，从而形成“锡珠”。由此可得出结论：“预热温度越高，预热速度越快，就会加剧焊剂的气化现象，从而引起坍塌或飞溅，形成锡珠”。因此，我们可以采取较适中的预热温度和预热速度来控制“锡珠”的形成。

2.焊膏在印制板上的印刷厚度及印刷量。焊膏的印刷厚度是生产中的一个主要参数，印刷厚度通常在0.15 - 0.20mm之间，过厚或过多就容易导致“坍塌”，从而形成“锡珠”。在制作钢网（模板）时，焊盘的大小决定模板开孔的大小，通常，为避免焊膏印刷过量，我们将印刷孔的尺寸控制在约小于相应焊盘接触面积10％，结果表明这样会使“锡珠”现象有一定程度的减轻。

3.如果在贴片过程中贴装压力过大，当元件压在焊膏上时，就可能有一部分焊膏被挤在元件下面，或者有少量锡粉飞出去，在焊接段这部分锡粉熔化，从而形成“锡珠”；因此，在贴装时应选择适当的贴装压力。

4.焊膏通常需要冷藏，在使用前一定要使其恢复至室温才能打开包装使用，如果焊膏温度过低就被打开包装，会使膏体表面产生水分，这些水分在经过预热时会造成焊粉飞出，在焊接段会让热熔的焊料飞溅，从而形成“锡珠”。

我国一般地区夏天空气湿度较大，把焊膏从冷藏取出时，一般要在室温下回温4 - 5小时再开启瓶盖。

6.生产或工作环境也影响“锡珠”的形成，当印制板在潮湿的库房存放过久，在装印制板的包装袋中发现细小的水珠，这些水分和焊膏吸潮的水分一样，会影响焊接效果，从而形成“锡珠”。因此，如果有条件，在贴装前将印制板或元器件进行一定的烘干，然后进行印刷及焊接，能够有效地抑制“锡珠”的形成。

7.焊膏与空气接触的时间越短越好，这也是使用焊膏的一个原则。取出一部分焊膏后，应立即盖好盖子，特别是里面的盖子一定要向下压紧，将盖子与焊膏之间的空气挤出，否则会对焊膏的寿命有一定影响，同时会造成焊膏的干燥加快或在下次再使用时吸潮，从而形成“锡珠”。

由此可见，“锡珠”的出现有很多原因，仅从某一个方面进行预防与控制是远远不够的。我们需要在生产过程中研究如何防止各种不利因素及潜在隐患，从而使焊接达到最佳效果，避免“锡珠”的产生。

（三）“SMT表面贴装”过程的“锡珠”预防与控制

1.焊膏的选用 在选择焊膏时，应坚持在现有工艺条件下试用，这样既能验证供应商焊膏对自身产品、工艺的适用性，也能初步了解该焊膏在实际使用中的具体表现。对焊膏方面的评估，应注意各种常见参数，如“焊油与焊粉的比例、锡球的颗粒度”等。

正确选择的焊膏不一定是各项参数都最优异，更多情况下，对于SMT的工艺制程及产品特性而言，适合的就是最好的。因此，选择适合自身工艺及产品的焊膏，并确定所有参数，在以后的供应商交货过程中作为品管验收及品检的依据，一方面核对供应商提供的书面资料，另一方面取少量不同批次的产品进行试用。

优质供应商会在配合过程中提出相应的工艺建议，并根据客户具体要求进行焊膏产品的升级及缺陷改进；因此，相对稳定、诚信度高的供应商，对客户在焊膏质量方面预防及控制“锡珠”能提供很大的帮助。

2.SMT表面贴装”工艺控制与改进 在所有的工艺控制过程中，从焊膏的保存及取出使用、回温、搅拌都有严格的文件规定，主要有以下几个方面的重点：

（1）严格按照供应商提供的存贮条件及温度进行存贮，一般情况下焊膏应存贮于0 - 10℃的冷藏条件下；

（2）焊膏取出后、使用前，应该进行常温下的回温，在焊膏未完全回温前，不得开启；

（3）在搅拌过程中，应该按照供应商所提供的搅拌方法及搅拌时间进行搅拌；

（4）在印刷过程中，应该注意印刷的力度及钢网表面的清洁度，及时擦拭钢网表面多余的焊膏残留，防止在这个过程污染PCB板面，从而造成焊接过程中的锡珠产生。

（5）回流焊过程中，应严格按照已经订好的回流焊曲线进行作业，不得随意调整；同时应该经常校验回流焊曲线与标准曲线的差异并修正；

（6）在“SMT表面贴装”工艺中，钢网（模板）的“开口方式”以及“开口率”很可能导致焊膏在“印刷特性”及“焊接特性”方面的一些缺陷，从而引起“锡珠”。在相关实验中，我们对钢网进行了改进，将原来易产生“锡珠”的片式元件1：1钢网开口，改为1：0.75的楔形，改后试验效果较好，“锡珠”产生的机率明显下降直至基本杜绝。

通过修改钢网的开口方式和批量的印刷试验，可以很明显地看到，改后钢网的开口方法可以有效防控“锡珠”的产生。修改后“防锡珠”钢网的印刷效果及焊接效果见图二： / 按照多次的对比实验，并结合“图二”可以看出，通过修改前后三次的效果对比，第二次修改后的钢网，没有见到明显的锡珠，而锡膏的焊锡量也没有偏少。由此说明通过钢网的开口改变，对“SMT表面贴装”制程中的“锡珠”防控还是有一定效果的。同时我们将更改后的焊接产品送到“赛宝实验室”进行检测（报告编号为“FX03 - 2081691”），对该线路板上的0603元件进行推剪力测试，在“R124、R125、R126、C16、C57”五个元件点的剪切力分别为“58.14N、56.53N、51.87N、50.90N、52.35N”，焊接强度能达到我们的要求。

“SMT表面贴装”制程虽然对“锡珠”的防控较为复杂，但经过长期的工作努力及经验积累，相信可以做到无“锡珠”，或有效降低“锡珠”产生的机率。

三、“波峰焊”过程中出现“锡珠”的原因及预防控制方法 在“波峰焊”工艺过程中，“锡珠”的产生有两种情况：一种是在板子刚接触到锡液时，因为助焊剂或板材本身的水份过多或高沸点溶剂没有充分挥发，遇到温度较高的锡液时骤然挥发，较大的温差致使液态焊锡飞溅出去，形成细小锡珠；另一种情况是在线路板离开液态焊锡的时候，当线路板与锡波分离时，线路板顺着管脚延伸的方向会拉出锡柱，在助焊剂的润湿作用及锡液自身流动性的作用下，多余的焊锡会落回锡缸中，因此而溅起的焊锡有时会落在线路板上，从而形成“锡珠”。

因此，我们可以看到，在“波峰焊”防控“锡珠”方面，我们应该从两个大的方面着手，一方面是助焊剂等原材料的选择，另一方面是波峰焊的工艺控制。

（一）助焊剂方面的原因分析及预防控制方法

1.助焊剂中的水份含量较大或超标，在经过预热时未能充分挥发；

2.助焊剂中有高沸点物质或不易挥发物，经预热时不能充分挥发；

这两种原因是助焊剂本身“质量”问题所引起的，在实际焊接工艺中，可以通过“提高预热温度或放慢走板速度等来解决”。除此之外，在选用助焊剂前应针对供应商所提供样品进行实际工艺的确认，并记录试用时的标准工艺，在没有“锡珠”出现的情况下，审核供应商所提供的其他说明资料，在以后的收货及验收过程中，应核对供应商最初的说明资料。

（二）工艺方面的原因分析及预防控制方法

1.预热温度偏低，助焊剂中溶剂部分未完全挥发；

2.走板速度太快未达到预热效果；

3.链条（或PCB板面）倾角过小，锡液与焊接面接触时中间有气泡，气泡爆裂后产生锡珠；

4.助焊剂涂布的量太大，多余助焊剂未能完全流走或风刀没有将多余焊剂吹下；

这四种不良原因的出现，都和标准化工艺的确定有关，在实际生产过程中，应该严格按照已经订好的作业指导文件进行各项参数的校正，对已经设定好的参数，不能随意改动，相关参数及所涉及技术层面主要有以下几点：

（1）关于预热：一般设定在90℃ - 110℃，这里所讲“温度”是指预热后PCB板焊接面的实际受热温度，而不是“表显”温度；如果预热温度达不到要求，则焊后易产生锡珠。 （2）关于走板速度：一般情况下，建议客户把走板速度定在1.1 - 1.4米/分钟，但这不是绝对值；如果要改变走板速度，通常都应以改变预热温度作配合；比如：要将走板速度加快，那么为了保证PCB焊接面的预热温度能够达到预定值，就应当把预热温度适当提高；如果预热温度不变，走板速度过快时，焊剂有可能挥发不完全，从而在焊接时产生“锡珠”。 （3）关于链条（或PCB板面）的倾角：这一倾角指的是链条（或PCB板面）与锡液平面的角度，当PCB板走过锡液平面时，应保证PCB零件面与锡液平面只有一个切点；而不能有一个较大的接触面；当没有倾角或倾角过小时，易造成锡液与焊接面接触时中间有气泡，气泡爆裂后产生“锡珠”。 （4）在波峰炉使用中，“风刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊剂，并使助焊剂在PCB零件面均匀涂布；一般情况下，风刀的倾角应在10度左右；如果“风刀”角度调整得不合理，会造成PCB表面焊剂过多，或涂布不均匀，不但在过预热区时易滴在发热管上，影响发热管的寿命，而且在浸入锡液时易造成“炸锡”现象，并因此产生“锡珠”。

在实际生产中，结合自身波峰焊的实际状况，对相关材料进行选型，同时制订严格的《波峰焊操作规程》，并严格按照相关规程进行生产。经过实验证明，在严格落实工艺技术的条件下，完全可以克服因为“波峰焊焊接工艺问题”产生的“锡珠”。

四、“手工焊”过程中“锡珠”的出现原因及预防控制 在“手工焊”过程中“锡珠”出现的机率并不高，常见的是松香飞溅，偶尔会出现“锡珠”的飞溅或者在焊盘的表面残存有锡渣等；相比松香的飞溅，“锡珠”或锡渣的存在对产品安全性更具潜在危害。

出现锡渣、“锡珠”的主要原因可能是：焊剂在热源未移开前已完全蒸发，故焊锡流动性极差，沾附烙铁头随烙铁之抽出而形成尖、柱或短焊情形，或不小心导致焊锡液自烙铁头溅离，冷却后沾附于板面或元件上。还有一种可能是没有按照先将烙铁头放在被焊接部分进行预热，而是先将焊锡丝烫化，然后再放到被焊位置，因为较大的温差而造成了焊锡的飞溅，从而形成“锡珠”。

无论是上述哪种原因，更重要的是教导操作人员把握正确的焊接时间及位置，适量添加焊锡并注意及时、正确地清洁烙铁头。在实际生产中，经常对“手工焊”员工进行专门的焊接技术培训，并严格编制《手工焊接工艺要求》，对“手工焊”进行标准化及可控化的工艺要求。通过长时间的观察，目前在“手工焊接作业”过程中，能够有效地避免“锡珠”的产生。

结论：针对“锡珠”问题，我们用了半年多的时间，和相关客户一起共同做了大量的实验，并对不同的焊接工艺进行了细致的分析。实践证明，通过材料选购、工艺控制等，在当前的电子焊接制程中，完全有可能杜绝或将“锡珠”产生的概率降至更低。

“SMT表面贴装”制程、“波峰焊”制程以及“手工焊”制程是电子焊接中可能出现“锡珠”的工艺制程。在“SMT表面贴装”制程中，焊膏质量（包括金属含量、氧化物含量、金属粉末粒度、抗热坍塌效果等）、使用不当（如回流焊各阶段、印刷厚度及量、贴装压力、焊膏冷藏与回温、生产工作环境、焊膏与空气接触时间等）都是产生“锡珠”的原因，相应地可从焊膏选用和工艺控制改进方面进行预防与控制。“波峰焊”制程中“锡珠”产生分两种情况，一是板子刚接触锡液时，二是线路板离开液态锡时，可从助焊剂原材料选择和波峰焊工艺控制两大方面防控，其中助焊剂方面涉及水分和高沸点物质，工艺方面涉及预热温度、走板速度、链条（或PCB板面）倾角、助焊剂涂布量等参数。“手工焊”制程中“锡珠”出现机率不高，主要原因与焊剂蒸发、焊接操作顺序有关，可通过教导操作人员把握正确焊接时间、位置、添加适量焊锡和及时清洁烙铁头，以及对员工进行专门培训、编制工艺要求来避免。经过大量实验和对不同焊接工艺的分析，在当前电子焊接制程中通过材料选购和工艺控制等手段能够杜绝或降低“锡珠”产生的概率。