罗丝.伯恩逊、大卫.斯比罗里和杰弗里.安卫勒(美)

在回流之后，内存模块的连接器“金手指”可能出现溅锡的污染，这意味着产品的品质和可靠性问题和制造流程问题。

溅锡只是表面污染的一种，其它类型包括水渍污染和助焊剂飞溅。这些影响较小，但由于焊锡飞溅，焊锡已实际上熔湿了“金手指”的表面。

“小爆炸”

溅锡有许多原因，不一定是回流焊接时热的或熔化的焊锡爆发性的排气结果。例如，通过观察过程，以保证锡膏丝印时的最佳清洁度，溅锡问题可以减少或消除。

任何方法，如果使锡膏粉球可能沉积在金手指上，并在回流过程时仍存在，都可以产生溅锡。包括：

1. 在丝印期间没有擦拭模板底面(模板脏)
2. 误印后不适当的清洁方法
3. 丝印期间不小心的处理
4. 机板材料和污染物中过多的潮汽
5. 极快的温升斜率(超过每秒4° C)

在后面的原因中，助焊剂的激烈排气可能引起熔化焊接点中的小爆炸，促使焊锡颗粒变成在回流腔内空中乱飞，飞溅在PCB上，污染连接器的“金手指”。PCB材料内夹住潮气的情况是一样的，和助焊剂排气有相同的效果。类似地，板表面上的外来污染也引起溅锡。

溅锡的影响

虽然人们对溅锡可能对连接器接口有有害的影响的关注，还没有得到证实，但它仍然是个问题，因为轻微的飞溅“锡块”产生对连接器金手指平面的破坏。这些锡块是不柔顺的，锡本身比金导电性差，特别是遭受氧化之后。

第一个最容易的消除溅锡的方法是在锡膏的模板丝印过程。如果这个过程是产生溅锡的原因的话，那么通过良好的设备的管理及保养来得到控制，包括适当的丝印机设定和操作员培训。如果原因不在这里，那么必须检查其它方面。

水印污染：其根本原因还未完全理解，虽然可能涉及许多根源。因为已经显示清洁的、未加工的、无锡膏的和没有加元件的板，在回流后也会产生水印污染，所以其中包括了许多的原因：PCB制造残留、炉中的凝结物、干助焊剂的飞溅、清洗板的残留和导热金的变色等。

水印污染经常难于发现，但其对连接器接口似乎并无影响。事实上内存模块的使用者并不关心这类表面污染，常常看作为金的变色。

助焊剂飞溅：一般理解为，助焊剂水滴在回流炉中变成空中乱飞，分散和附着在整个板上，包括金手指。有两种理论试图说明助焊剂飞溅：溶剂排放理论和合并理论(丝印期间的清洁再次认为有影响，但可控制)。

• 溶剂排放理论：认为锡膏助焊剂中使用的溶剂必须在回流时蒸发。如果使用过高温度，溶剂会“闪沸”成气体(类似于在热锅上滴水)，把固体带到空中，随机散落到板上，成为助焊剂飞溅。

为了证实或反驳这个理论，使用热板对样板进行导热性试验，并作测试。使用的温度设定点分别为190° C，200° C和220° C。膏状的助焊剂(不含焊锡粉末)在任何情况下都不出现飞溅。可是，锡膏(含有粉末的助焊剂)在焊锡熔化和焊接期间始终都有飞溅。表一和表二是结果。

表一、溶剂排气模拟试验

表二、从金属焊接中的助焊剂飞溅模拟试验

可以推断，如果助焊剂沸腾引起飞溅，那么当助焊剂单独加热时应该看到。可是，由于飞溅是在焊锡结合时观察到的，这里应该可找到其作用原理。测试说明溶剂排气理论不能解释助焊剂飞溅。

结合理论：当焊锡熔化和结合时熔化材料的表面张力―一个很大的力量―在被夹住的助焊剂上施加压力，当足够大时，猛烈地排出。这一理论得到了对BGA装配内焊锡空洞的研究的支持，其中描述了表面张力和助焊剂排气之间的联系(助焊剂排气率模型)。因此，有力的喷出是助焊剂飞溅最可能的原因。接下来的实验室助焊剂飞溅模拟说明了结合的影响，甚至当锡膏在回流前已烘干。尽管如此，完全的烘干大大地减少了飞溅(表三)。

表三、来自金属结合的助焊剂飞溅模拟―烘干研究

熔湿速度

因为结合模型看来会成功，所以调查了各种材料的熔湿速度。熔湿速度受合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境的影响。如图一所说明，温度对熔湿速度有戏剧性的影响，温度越高，速度越快。


图一、一种焊锡配方在不同温度测试的熔湿速度，影响因素包括合金类型、温度、助焊剂载体和回流环境。

李宁成博士在其论文，“通过缺陷机制分析优化回流曲线”中说，惰性气体(氮)也会增加熔湿速度。SMT专栏作家珍尼.黄博士和其它人的报告说，共晶合金的熔湿速度倾向于比非共晶材料快。因此，Sn63/Pb37一般比Sn62/Pb36/Ag2熔湿速度更快。影响熔湿、从而影响结合和潜在飞溅的因素如表四所示。

表四、可能引起溅锡的因素

溅锡的解决方案

预防：防止溅锡沉积的一个方法就是在金手指上涂敷一层可驳除的阻焊层，在丝印锡膏后涂敷，回流后拿掉。这个方法还没有印证，可能成本高，因为牵涉手工作业，涂敷板上选择性区域会造成困难，中断生产流水作业。另外可选择在金手指上贴临时胶带。这个方法也有同样的缺点。

最小化：优化助焊剂载体的化学成份，和回流温度曲线，将溅锡减到最低。为了证明这一点，得到内存模块制造商的支持，通过评估对材料和回流温度曲线优化的影响，来评价表准锡膏系统。清楚地表明活性剂、溶剂、合金和回流温度曲线对溅锡程度有重要影响。因此，有信心着手解决问题，这些参数的适当调整可以将溅锡减到最小。

非标准材料，如聚合助焊剂系统由于成本高、货架寿命丝印寿命短、工艺变化范围小、并返工困难，不包括在本研究范围。但是，聚合助焊剂有希望最终提供一个可能最小化的溅锡解决方案，因为潜在的飞溅材料在温度激化的聚合过程中被包围。因此，没有液体助焊剂留下来产生飞溅。

测试样板是一块六个小板的内存模块，没有贴装元件。(已发现元件回减小溅锡的影响，因为元件会阻隔助焊剂从金手指上排出)。现有生产材料和温度曲线作基本的试验条件(表五)。生产电路板的飞溅水平大约每100块组合板有一个飞溅锡球。两个工程师通过20倍的显微镜观察所有的板，以评估溅锡程度。

表五、测试材料

在线研究中使用不同特性的表准锡膏。根据其不同的湿润速度和溶剂性能来选择这些材料。为减少研究中的变量参数，所有锡膏使用同一种合金：Sn63/Pb37，粒度-325/+500目。

最小化试验结果

回流温度曲线的选择：试验期间得到明确，回流曲线和材料类型两者都必须调整以使飞溅最小。测试使用的两条主要的回流曲线不同在于其保温区的特性。没有平坦保温区的线性上升温度曲线(图二)结果是所有材料都存在一些溅锡，在原来的生产材料上增加了溅锡。因此，这个曲线形状没有作继续研究。基于飞溅机制的假设，这个线性的曲线没有充分烘干助焊剂。

一个更有前途的基本曲线形状包括一个160oC的高温保温(烘干)，以蒸发所有溶剂(图三)。这种溶剂失散增加助焊剂剩余的粘性，减少挥发成份，因此减少飞溅。可是，这样烘干的潜在问题包括熔湿变差和产生空洞。使用惰性气体(氮气)可以帮助改善熔湿和减少空洞，但对飞溅却无效果。这个曲线也是一个“长”曲线，消除了过快温升率的需要(最高每秒175oC)。

图二、线性温升曲线，没有保温平台区，对任何焊锡和助焊剂材料都造成一些溅锡

图三、有一个高温保温区的温度曲线，溶剂的消失提高余下的助焊剂粘性，因此减少溅锡

所有温度曲线研究的结果在图四和表六中总结。光板上测得的飞溅程度，在已贴装元件的生产板上大大减少。估计表明，光板上少于10-20个飞溅锡球，将在贴装元件板上不产生飞溅。因此，助焊剂类型D，E和F(表五)都提供了可行的溅锡解决方案。D型助焊剂载体有其它有点，工艺范围大和可以空气回流。三种材料的特点都是熔湿速度慢，但溶剂种类不同，这显示所有溶剂都可以有效烘干，熔湿速度才是助焊剂飞溅的关键因素。

图四、每一种材料在内存模块六合一板上的飞溅结果。
Series1: 平坦、滞色的助焊剂小滴数量
Series2: 有形、光泽的助焊剂小滴数量

表六、材料研究结果

检查与清洁

如果在清洁的连接器内产生溅锡，那么检查和清洁是对溅锡的昂贵和费时的改正行动。当然，通过锡膏残留中配方的变化，检查可以通过染色和荧光化学品来简化。清洁也可以用适当的残留构思来改进。不幸的是，和预防措施一样，成本和时间使得检查和清洁是人们所不希望的。

结论

锡膏结合正确的温度曲线，可以达到实际消除焊锡和助焊剂的飞溅。相对易挥发溶剂含量高和熔湿速度慢的锡膏可达到最好的效果。遮盖连接器手指和检查与清洁可提供临时的解决办法，但没有找到溅锡的根本原因。

参考书：
1.Dr. Ning-Cheng Lee, “Voiding in BGA.” Indium Corp. of America.
2.William Casey, “Voiding in MicroBGA,” SMI 1998 Proceedings, MCMS.