SMT 的10個步驟之7

第七步驟：焊接
今天絕大部分的焊接方式，都是用波峯焊錫（wave solder）及熱風回焊（reflow）。儘管波峯焊錫法已有多年（也還會持續許久）。回焊目前已主宰整個表面粘著組裝事業。事實上，許多大公司正在進行不需要使用波峯焊錫法的製程設計。
在另一方面而言，波峯焊錫法本身也不斷的在進步中，特別是在免洗及低揮發性的有機助焊劑方面。大部份的注意力都集中在助焊劑的噴瀝及在惰性氣體填充下進行波峯焊錫法，這兩方面都有極大的幫助。噴瀝助焊劑是一簡單的選擇，這方式可以更有效的控制助焊劑塗布的量，可節省材料上的耗費及免除量測其比重時不小心所造成的誤解。其最大的成果是這種免洗的波峯焊錫製成產品幾乎可以符合軍規上潔淨度的要求。以噴瀝助焊劑方式再加上在氮氣密閉環境下可將製程控制在此一清潔的程度上。
波峯焊錫法既然已如此進步，更不用說主流的回焊法。在焊墊間距不斷的縮小，對陳列元件日漸重視及對無鉛焊錫膏的需求，多方的要求下回焊單面或雙面組裝後的PC板以達到其產品需求，減少佈線上的困難並提供設計者提高PC板兩面組裝元件的密度。因爲對設計者而言要再回頭去修改線路以減少製程上焊接的缺陷是極爲麻煩的事情，不只會使產品延期，且將來出來的產品會不會動作亦是一個問題，再加上花費等，這一方式根本是行不通的。

*回焊：不斷進步的製程方式
許多以前是設計給波峯焊錫用的設計，現在都改交給承包商以雙面回焊法。因爲如此作比較經濟，有更高的良率可減少重工（rework）的需求且可減少支出。
今日的迴流焊錫大部分都是以對流的熱風在空氣或氨氣環境下進行以減少表面氧化，其基本方式並沒有改變，但製程工程師希望對設備上能有更多的控制，如加溫區域及最高溫度等，另一控制重心則是冷卻速率，以期能減少金屬間界面合金化合物的形成，減少表面的氧化，同時也讓出爐的產品降溫到人手可以接觸的溫度。
有趣的是，一直到現在纔有工程師注意到在回焊時板子中間會有下陷的情形發生，就如同在波峯焊錫爐上一樣（不知是否是因爲沒看見所以也就沒想到？）。所有的設備現在都有提供板中央的支撐來解決這一問題，以減少雙面板組裝時發生元件空焊、移動及板子彎曲等現象。這一技術早已爲波焊法所使用。
無論是使用那一種回焊設備，成功的要素不外是不斷的監視板子及重複的量測板溫，定期量測板子上的加熱曲線是製程控制的一部分。交熱電偶以高溫焊錫着接在接腳上可避免熱電偶脫落及與板子有良好的接觸。在製作量測用的板子時就避免使用膠事業及粘膠。
在使用BGA時，由於有溫度差異存在於板子表面及元件中心下方，所以必須直接壓這個板子表面最低溫的地方。將熱電偶接到這裏頗爲簡單，只要先在板子上陳列元件中央的焊墊處鑽一個洞，再印錫膏把元件組裝到板上再以現有的溫度曲線回焊此元件，使元件焊在板子上，最後再把這個洞再鑽一次使這個洞能深入到元件底部的錫球（0.03時）中心，將熱電偶插放此板上之孔中，並以環氣樹脂對佳此洞就完成了。

*缺陷處理
許多缺陷的確存在於波峯焊錫及回焊中，但絕大多數在經過適當的工程設計及維型生產後都可以避免。至於剩下的部分則可在試產時以製程上的控制加以排除。以下就是幾個實例：小錫球：總是出現在波峯焊錫中。經由高速攝影機的協助發現錫球是在板子離開波焊錫爐時發生的。錫球可能是由於過強的錫波使焊錫跳離板子，也有可能是由於焊錫爐表面上的雜質造成錫波飛濺的現象。其中基本的原因在於助焊劑和防焊漆是否相容及小錫球是否可以粘附在防焊漆的表面上如（圖一）
圖一、錫球停留在兩接點間，其原因是由於助焊劑和防焊漆兩者不相容之原故，只要事前稍加評估選擇就可避免此一現象。
工程師應對防焊漆及助劑加以評估，然後採用最好的那一種組合。同時，也是最普通的建議就是對所有的組裝廠都相同的建議：減少PC板供應商數目，如此才能減少在防焊漆厚度上的變異及因防焊漆不同的固化（cure）程度所造成的影響。
焊接短路在一SOP（small-outline package）元件接腳上，通常是由於不正確的設計規範，如超過一特定寬度的焊墊或是焊接長度不足以疏通多餘的錫量如（圖二）。正角的寬度應在0.02時到0.022時之間；如果太寬那是使用活性較高的助焊劑也無法使焊錫迅速的沾滿整個焊墊。就接腳本身沾錫能力而其腳和塑膠的界面也是容易造成短咱的位置。而這些情形一旦發生也會減綬焊墊沾錫速度，阻礙焊錫流動並導致短路發生。

圖二：焊墊寬度超過規範常會伴隨着小錫力不足而造成SIOC元件接腳上的短路
對沾錫能力強的接腳而言，可用增強焊墊上的流動性的方式來防止短路。若在設計上要故意造成SIOC的焊墊短路時，則要使這些焊墊的寬度大於其他的焊墊。這較大的焊墊寬度由於可以產生較相鄰焊墊和接腳間更大的表面張力所以可以形成所要的短路。一般而言，這種形成故意短路的焊墊其寬度至少要有正常寬度的三倍以上。
對SOIC元件而言，在焊接時如要避免短路而故意使用較長的焊墊以分散焊錫時，通常焊墊延伸的方向會壓在焊墊的尾端而不是在元件端。此外要注意的是維修單位和品管人員也要清楚的讓他們知道焊接完成後焊點所要的結果是怎樣的，因爲就會發生過品管人員把工程人員故意造成的短路當成了不良品。
焊錫不足或是空焊的產生可能有三種情形：助焊劑氣體噴出，防焊漆厚度不均勻及錫波太低。
助焊劑氣體噴出用一種“lev Check”的玻璃片就可以很容易檢查出來。用一般表面粘著技術（SMT）的粘膠將元件固定在玻璃片的下方，再將這片板子以一般製程方式處理，就可以檢測出是否有太多的助焊劑氣體噴出。在助焊劑的泡沫中可以看見助焊劑的氣體由元件下方流出來，但若是使用噴霧助焊劑的技術時應該不會看到這一現象。如果預熱區設定不正確或運送帶的速度太快，在玻璃片通過錫波時也會看到助焊劑噴出的現象如（圖三）。
圖三、在和錫波接觸時由於助焊劑氣體噴出所造成焊接不良的現象。可以嚴格控制防焊漆厚度的方式以避免內部聚集太多的助焊劑。
厚的防焊漆或防焊漆塗布厚度不均勻會使助焊劑在和錫波接觸時無法被排除，使得焊墊附近容易發生因助焊劑噴出所造成的焊錫不足。對波峯焊錫及錫膏印刷（回焊）兩者而言，防焊漆的厚度應該要至少和焊墊高度相同，當然能低一些是最好。

*對回焊而言
焊錫短路發生在回焊過程中通常是由於在此區域內的接腳上被印上了太多的錫膏。在改變印刷鋼板厚度及開孔尺寸前有些原因要先加以考慮。如果PC板上噴（鍍）焊錫厚度改變是有可能會造成短路的。在回焊過程中即使是用了最好的錫膏也是會有錫膏塌陷的情形發生而造成短路，有些則是因爲在回焊中沒有足夠的時間使焊錫能沾滿焊墊及接腳，所以稍微增加一些焊錫的液化時間或許能使短路現象解除。
惰性氮氣填充在回焊過程中，由於促使焊墊及執着腳沾錫速度加速，通常也能減少短路的發生。對實際測試而言，將一樣本PC板以一熱板或重修工作臺(rework station)加以回焊也可以對製程加以驗證。

小錫珠，也就是在小電阻、電容邊緣的錫球。它們的產生是由於錫膏原本就被印刷在元件的下方，然後在回焊時被擠出來所造成的。這些多半是因爲錫膏本身塌陷到元件下方後再回焊所導致的如（圖四）。通常起因是在錫膏和回焊曲線不相容時發生的。
圖四、回回焊時間不是導致沾錫不完全所產生的小錫珠造成接腳短路的現象。
要了解這一問題，可將一印完錫膏完成組裝的PC板通過一回焊爐，然後將爐子的最後一個回去焊區（reflow zone）溫度設定在正好比錫膏液化溫度低一點的地方，如此就能避免錫膏發生最壞程度的塌陷但又能看見元件下方的焊錫形成的樣子。
空焊，當沒有任合接點形成時，一般而言都是由於在元件放置以前錫膏就已經不夠或是接腳在成型時就已經有平整度上的問題如（圖五）。通常會發生的狀況是在經過回焊時由於焊墊本身沾錫不良或是太慢，使得焊錫無法由焊墊上流到接腳上面。在鍍鎳金的板子及銅上預塗上一層有機模的焊錫板上有時會出現這種現象。所以當這種現象一旦發生時不要立即認爲是錫膏印刷上出的問題。
圖五、空焊或接腳翹起（墓碑現象）可能是由於焊墊本身沾錫不良導致焊錫流到接腳位置所造成
沾錫不良，就第一印象上而言都會認爲問題是出在焊墊或接腳本身和錫接合的能力不好。若是使用低活性助焊劑的話那還有點道理。不過更好的解決應該是太長的預熱時間把助焊劑中的活化物質都消耗光了如（圖六）；（同樣的情形也可會發生在長時間的預熱溫度不足環境下）。若發生這種現象其檢查方法是拉開幾個接點上的接腳，在接點上可以發現空焊的狀況。
圖六、有缺陷的接腳焊點，是由於過長的預熱導致助焊劑內活化物質被消耗完畢。

*經驗的重要
成功解決焊點上的問題大部分都是依賴經驗，但經驗則通常依賴直覺。經驗通常可以由其他地方得到一“老手”及設備操作人員,因爲他們每天都和設備相處在一起，從他們身上我們可以學到許多知識。在這提示一下，每當解決一個問題時都用筆式電腦記錄下來，不然就算今天解決了問題，可能下個月又會要再重新面對一次，傷一次腦筋。