SMT過程中錫膏“結(jié)塊”問題研究

王陸賓 施慶西 張國權(quán)

摘 要：在電子產(chǎn)品制造行業(yè)，錫膏廣泛用于SMT（表面貼裝技術(shù)）過程中。本文通過對錫膏的主要組成部分（錫粉）進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)上采樣觀察、過程形變監(jiān)控、成分測試、試驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證，研究分析SMT過程中錫膏“結(jié)塊”問題的根本原因，并通過改善過程使用方法，提高SMT焊接質(zhì)量，提升產(chǎn)品可靠性。

關(guān)鍵詞：SMT;錫膏;錫粉;結(jié)塊

中圖分類號(hào)：TG457文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）16-0073-03

Abstract： In the electronic product manufacturing industry， solder paste is widely used in SMT （surface mounting technology）. In this paper， the composition of solder paste （tin powder） was sampled on the micro-structure， monitored by process start-up and verified by experiment simulation. The essential reason of solder paste "caking" problem in SMT process was studied and analyzed， and the use of solder paste was improved. The method can improve SM welding quality and product reliability.

Keywords： SMT;solder paste;tin powder;caking

1 問題概況

2019年6月，格力電器（鄭州）有限公司控制器SMT車間在使用A廠家錫膏過程中，操作工反饋錫膏中存在大小、形狀不一的異物。對SMT生產(chǎn)過程來說，錫膏內(nèi)異物會(huì)造成鋼網(wǎng)堵孔、印刷不良、損傷PCB焊盤等問題。質(zhì)量合格的錫膏應(yīng)該具有一定黏性、良好的觸變性、良好的印刷性能和再流焊性能，并在貯存時(shí)具有穩(wěn)定的性質(zhì)[1]。本文從微觀分析、成分檢測、現(xiàn)場跟蹤、模擬驗(yàn)證幾個(gè)方面對錫膏“結(jié)塊”問題進(jìn)行研究，旨在提高SMT工藝焊接的可靠性。

2 原因分析

2.1 異物微觀結(jié)構(gòu)觀察

經(jīng)現(xiàn)場跟進(jìn)發(fā)現(xiàn)，此異物均是在印刷鋼網(wǎng)上被發(fā)現(xiàn)的。查看同批次未開封使用的物料20瓶，均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在異物。使用超景深顯微鏡將異物放大200倍，可見異物表面覆蓋有大量錫粉顆粒，部分已擠壓變形[見圖1（a）];將物料拆解，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同樣發(fā)現(xiàn)大量錫粉顆粒結(jié)合在一起[見圖1（b）]。

2.2 成分檢測分析

從外觀上觀察，無法明確異物來源，結(jié)合實(shí)際使用過程及異物表面形態(tài)，分析異物為金屬的可能性極大，因此，對異物進(jìn)行金屬含量成分測試，測試結(jié)果如表1所示。其中，Sn和Ag成分含量表明異物同錫膏成分一致（含Ag≈3%，Sn≈97%）。排除生產(chǎn)過程錫絲、錫條（均不含Ag元素）等其他相似物料形態(tài)變化后混入的可能，鎖定異物同錫膏屬于同類物質(zhì)，僅是形態(tài)上發(fā)生了變化。

2.3 使用環(huán)節(jié)跟進(jìn)

隨機(jī)抽取兩臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備加入檢驗(yàn)過的全新錫膏，安排4h的實(shí)際使用。對比使用前后錫膏發(fā)現(xiàn)，在4h的使用后，肉眼可見錫膏內(nèi)部出現(xiàn)大量發(fā)亮的細(xì)小顆粒[見圖2（a）]。經(jīng)放大觀察，發(fā)亮細(xì)小顆粒為錫膏內(nèi)錫粉形變后的狀態(tài)，如圖2所示，且部分形變的錫粉已經(jīng)結(jié)合在一起[見圖2（b）和（c）];而未使用的錫膏內(nèi)部錫粉顆粒均勻，無變形問題[見圖2（d）]。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

焊錫粉表面光潔度和氧含量均能影響焊錫膏的穩(wěn)定性，焊錫粉表面越光滑，焊錫膏穩(wěn)定性越好[2]。根據(jù)現(xiàn)場取樣對比情況，并結(jié)合錫膏本身特性及使用環(huán)境可知，導(dǎo)致錫膏“結(jié)塊”的原因可能有以下兩點(diǎn)：①當(dāng)錫膏受熱時(shí)，錫粉會(huì)熔化再結(jié)合而形成錫塊;②該型號(hào)錫膏本身是由直徑約40μm的錫粉組成的，當(dāng)錫粉顆粒受到外界擠壓時(shí)，可能會(huì)發(fā)生一定程度的形變甚至破裂現(xiàn)象。接下來對這兩方面進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.1 模擬錫膏受熱熔融

經(jīng)驗(yàn)證可知，錫膏在受熱融化后會(huì)出現(xiàn)助焊劑析出的現(xiàn)象，形成物表面圓潤（見圖3），與過程“結(jié)塊”形成的異物表面狀態(tài)差異明顯，且錫膏印刷工序不涉及高溫隱患點(diǎn)，排除錫膏受熱熔融導(dǎo)致“結(jié)塊”的因素。

3.2 使用過程模擬

不合適的焊膏以及不適宜的環(huán)境溫度極易改變焊膏的觸變性[3][。]模擬錫膏在印刷過程中的使用情況，并進(jìn)行加壓摩擦，可以發(fā)現(xiàn)錫膏出現(xiàn)不同程度的錫粉變形問題（見圖4）。例如：使用20N砝碼擠壓摩擦（設(shè)備壓力40N），經(jīng)來回50次后，錫膏內(nèi)錫粉發(fā)生形變（球狀-橢圓狀）;使用刮片在鋼網(wǎng)上來回刮300次，發(fā)現(xiàn)錫粉出現(xiàn)破裂（球狀-扁平狀）。

3.3 模擬試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)異物分析及模擬驗(yàn)證情況，排除其他異物混入、錫膏受熱融化等可能。結(jié)合SMT車間使用情況，錫膏在鋼網(wǎng)上每小時(shí)被刮刀刮擦100次左右，且同步施加有40N的力。在受力情況下，錫膏內(nèi)錫粉會(huì)發(fā)生形變，經(jīng)過長時(shí)間“滾雪球”效應(yīng)，形變的錫粉結(jié)合在一起形成逐漸變大的錫塊，影響焊接可靠性。

4 改善建議

第一，錫膏在被印刷或涂敷到PCB板上后，以及在后續(xù)再流焊預(yù)熱過程中，能在常溫下放置12～24h且性能基本保持不變，保持原來的形狀和大小。根據(jù)要求對錫膏開封后，應(yīng)在當(dāng)天一次用完，超過使用期的焊膏不建議使用。

第二，在SMT過程中，若當(dāng)錫膏量不足時(shí)直接進(jìn)行添加，鋼網(wǎng)上會(huì)有部分超出24h的錫膏，殘留的錫膏內(nèi)含有大量形變、破裂的錫粉，這些錫粉結(jié)合在一起便會(huì)出現(xiàn)錫塊。建議每24h對線體錫膏進(jìn)行收集，進(jìn)行集中消耗或者回收處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]路文娟.SMT生產(chǎn)輔料的選擇和管理[J].科技視界，2014（36）：223.

[2]武信，秦俊虎，白海龍，等.焊錫粉對焊錫膏粘度穩(wěn)定性的影響[J].云南冶金，2018（5）：59-63.

[3]朱桂兵.論電子產(chǎn)品SMT制造工藝的缺陷研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（9）：44-48.