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回焊焊接不良怎麼查:空焊、立碑、錫珠、短路、冷焊、空洞,6 種長相對照與 6 階段往上游找原因

回焊焊接不良怎麼查:空焊、立碑、錫珠、短路、冷焊、空洞,6 種長相對照與 6 階段往上游找原因

回焊(Reflow,過回焊爐把錫膏熔成焊點)之後看到焊接不良,先不要急著調爐溫:先把「長什麼樣子、在哪裡、有多少、從什麼時候開始」記下來,再照印刷與焊墊、貼裝、爐溫曲線、錫膏與材料的順序,從上游往下找。同一種長相常有好幾個原因;下面的對照表是「先往哪裡看」,不是診斷。不良只集中在固定的幾個位置,多半先回頭看那幾個位置的焊墊、鋼板開孔與貼裝;整片、整批都有,才往爐溫、錫膏與環境查。這個查的順序是本文為了好查整理的,不是哪一份標準的條文。

  • 一種長相,原因不只一個:英國焊接研究所(TWI)列出回焊後空焊的常見原因(前言提一項、編號列五項):零件腳不平、鋼板堵塞沒印到錫膏、零件貼歪、焊墊或零件腳不好焊、立碑,以及錫被旁邊的導通孔吸走。一家錫膏廠的技術文章,對立碑、錫珠、短路也各列了好幾個原因,分散在印刷、貼裝、爐溫、材料與環境。
  • 設計與材料,常和爐溫一樣重要:一篇 IPC 研討會論文,用實驗比較晶片零件中間的錫珠:鋼板厚度、開孔形狀,以及錫膏印在焊墊的哪一個位置,都有明顯影響,而且錫膏量多,不一定錫珠多;助焊劑的配方不同,結果也差很多。一篇博士論文分析立碑,焊墊長度是實驗的變因之一。
  • 看得到,不等於看得準:NASA 的一份自動檢查研究指出,光學與雷射只看得到表面的缺陷;X-ray 看得到空洞、橋接與錫量,但冷焊與表面污染,X-ray 看不出來。不同的不良,要用不同的方式看。

印出來就有的不良,請看〈錫膏印刷不良怎麼排查?〉;錫膏怎麼挑,請看〈錫膏怎麼挑〉。本文從「板子已經過完回焊爐,焊點長得不對」開始講,範圍是六種常見的長相、怎麼分範圍、往上游哪一站查;波焊的不良見〈波焊不良怎麼排查?〉,手焊見〈烙鐵頭不吃錫、焊點冷焊?〉,BGA 零件底下的焊點怎麼檢查見〈BGA 焊點怎麼檢查〉,重工不在本文。下面每個階段寫了怎麼做;階段①~⑤另列嘉鴻能幫的;來源與例外放在最後的備註。

回焊之後看到的六種長相 空焊 立碑 錫珠 短路 冷焊 空洞 照順序,從上游往下找 ②印刷與焊墊 錫膏印多少、印在哪 開孔有沒有堵 鋼板底面乾不乾淨 焊墊的長度與設計 ③貼裝 零件腳平不平 貼得準不準 壓得夠不夠 印完到過爐隔多久 ④爐溫曲線 預熱升溫的快慢 恆溫的長短 迴焊的熱量 冷卻時有沒有震動 ⑤錫膏、材料與環境 錫膏的保存 助焊劑配方 焊接面 受潮 溫濕度 ⑥改完怎麼驗證 一次只改一件 留前後對照 先跑小批 記下來 寫回文件 ①分範圍留證據 ②印刷與焊墊 ③貼裝 ④爐溫曲線 ⑤材料與環境 ⑥改完驗證 示意圖:各階段只列重點項目
圖 1 回焊不良的查法:先看長相與範圍,再依印刷、貼裝、爐溫、材料的順序往上游找,最後驗證

先看這張:六種長相,各自先往哪裡看

長相怎麼認常見原因的方向先看
空焊零件腳或端子沒有焊上焊墊,或翹起來離開焊墊;電性不通,或時通時不通零件腳不平、鋼板堵塞沒印到錫膏、貼歪、焊墊或零件腳不好焊、立碑、錫被導通孔吸走②③⑤
立碑兩端各一個焊墊的小型晶片零件,一端焊上、另一端翹起甚至豎起來兩端的受熱、錫膏量或好焊程度不一樣;貼裝力不足;升溫太快②③④
錫珠焊點旁邊的小錫球;晶片零件兩側中間的,稱為「中間錫珠」錫膏受潮飛濺、升溫太快、錫粉氧化多、錫膏印到焊墊外面,或被壓到零件底下②④⑤
短路兩個相鄰的焊點連在一起,也叫錫橋錫膏印太多、印偏、塌陷;貼裝壓太深;預熱升溫太慢②③④⑤
冷焊焊點表面灰暗、粗糙、多孔,沾錫不好;沒有焊透熱量不夠、助焊劑沒發揮、焊前沒清乾淨、焊料雜質多、凝固時被震動④⑤
空洞焊點裡面有氣孔,要 X-ray 才看得到助焊劑的氣體沒跑出來;與錫膏配方、爐溫曲線、板子表面處理、零件端子都有關④⑤

同一格裡的原因沒有先後,要一個一個排除;每一種的出處與限制,見最後的備註。

階段①:先分範圍、留證據,再動爐子

不良板拿到手,先不要重工,也先不要調爐溫:重工之後,原因就看不到了;爐溫一改,前後的結果就不能比了。

做什麼怎麼做為什麼
留證據拍整片板子與不良處的近照,在板圖上標出不良的位置;先留幾片不重工後面每一步的結果,才對得回同一個焊點
記範圍記三件事:不良在哪些位置(固定的幾個、還是到處都有)、在哪幾片(某一個拼板位置、某一段時間、某一批料)、每片有幾個位置固定,多半先回頭看那個位置的焊墊、開孔與貼裝;到處都有、整批都有,才往爐溫、錫膏、材料、環境查(這是本文整理的查法,不是標準)
選對方法看錫橋、錫珠、立碑、焊點表面灰暗,用顯微鏡與目視;空洞、橋接、錫量,要 X-rayNASA 的研究:光學與雷射只看得到表面,X-ray 看得到裡面,沒有一種能同時看;冷焊與表面污染,X-ray 看不出來
問最近改了什麼錫膏的批號、鋼板、貼片程式、零件料號、爐溫程式、保養、換季;兩批之間,哪一項不一樣整批突然變多,多半是有東西變了
對允收條件錫珠、橋接、空洞算不算缺陷,依 IPC-A-610 與客戶規範一篇 IPC 論文引用的 IPC-A-610(E 版)寫法:錫珠沒有被包住或黏牢、可能在使用中掉落,或讓電氣間隙小於最小值,就算缺陷;您採用的版本,請看原文

嘉鴻能幫的:

階段②:印刷與焊墊:錫膏有沒有印對、印多少、印在哪

回焊只是把印出來的錫膏熔成焊點,很多不良在印的那一刻就定了。一家錫膏廠的技術文章說,短路最常見的原因,就在印刷。

看到回頭查什麼怎麼確認
空焊(固定位置)鋼板的開孔有沒有堵塞、錫膏有沒有印到;開孔的寬度與鋼板的厚度,比例太小,錫膏會卡在孔裡看印完的板子;用 SPI(Solder Paste Inspection,錫膏檢查機)量錫膏的體積;擦拭、清洗鋼板
短路錫膏印太多、印偏、塌陷;開孔和焊墊一樣大(一比一)容易印太多;鋼板底面有沒有殘錫看印完的板子,印偏的、塌的,過爐前就找得到;高溫高濕時,錫膏更容易塌陷
錫珠錫膏有沒有印到焊墊外面的阻焊層(綠漆)上,那裡的錫膏熔不回焊點;鋼板底面被錫膏弄髒;誤印的板子沒洗乾淨看印完的板子;誤印板要洗乾淨再重印
晶片零件的中間錫珠開孔的形狀與錫膏印的位置:把錫膏從零件底下的那一側拿掉,效果最大;鋼板越薄,錫珠越少印完量錫膏的位置與體積;改開孔前,要連同「錫量夠不夠」一起看
立碑兩端焊墊上的錫膏量與高度是不是一樣;焊墊的長度與設計量兩端的錫膏體積;焊墊的設計,請與設計端、鋼板廠討論

錫量太多,常見的做法是縮小開孔或減薄鋼板;但立碑的論文也提醒,錫膏太薄,會讓焊點錫量不足、影響可靠度;不要只往少改。

嘉鴻能幫的:

階段③:貼裝:零件有沒有放對、壓夠、腳平不平

看到回頭查什麼說明
空焊零件腳不平(共面度不好),例如搬運時被碰彎TWI 提到,腳的垂直位移超過約 0.1 mm,空焊的機會就變高。錫量夠,但腳沒碰到錫膏與焊墊,一樣會空焊(本文的整理)
空焊、零件歪掉貼歪、放偏,腳沒對到焊墊;進爐前板子被震動或碰到一家錫膏廠的文章:迴焊中與迴焊後的過度移動,會造成零件偏位
立碑貼裝力不足,零件和錫膏沒有貼緊;錫膏的黏性不夠錫膏黏性會被環境的溫濕度影響;貼裝壓力也不能太高,太高會造成短路
錫珠、短路貼裝壓太深,把錫膏擠出焊墊擠到阻焊層上的錫膏,過爐後熔不回焊點
各種不良印完錫膏到貼件、到過爐,隔了多久一家錫膏廠建議這段時間越短越好;NASA 的標準對這段時間有上限,時間以您的錫膏規格與客戶規範為準
受潮的零件零件拆封後放了多久、怎麼存放過爐時水氣爆開,見〈爆米花效應(Popcorn Effect)是什麼〉

零件腳被碰彎,常發生在搬運與上料;Tray 與捲帶怎麼選、怎麼存放,見〈Tray 與捲帶差別〉。

嘉鴻能幫的:

階段④:爐溫曲線:升溫、恆溫、迴焊、冷卻,各管什麼

先量到板子上的實際溫度,再談調整:爐子的設定值,不等於板子上的溫度。曲線可以分成四段:預熱(升溫)、恆溫(浸潤)、迴焊(熔錫)、冷卻。

曲線的哪一段不對會怎樣容易看到
預熱升溫太快溶劑與水氣來不及慢慢揮發,錫膏飛濺;零件兩端受熱不均錫珠、立碑
預熱升溫太慢一家錫膏廠的文章,把預熱升溫太慢,列為短路的原因之一短路
恆溫太長助焊劑在錫熔化之前,就先用光了不沾錫
迴焊的熱量不夠焊料沒有熔透,助焊劑也沒有達到該有的活化溫度冷焊、不沾錫
迴焊太高或太久助焊劑被困在焊點裡;助焊劑變色;零件與板子受傷空洞、變色、零件與板子受傷
冷卻時被震動焊點凝固的過程中,零件與焊墊之間有相對移動,變成被擾動的焊點冷焊
板上的位置不一樣被旁邊的零件擋住(陰影),升溫比較慢;小零件兩端的受熱就不一樣立碑、冷焊

幾個做法:

  • 以錫膏的規格書為起點:錫膏廠建議的曲線,是依那一款錫膏的助焊劑設計的;先照著跑,再依板子調整。
  • 板上要量多個位置:最熱的、最冷的、不良出現的那幾個位置,都要量,而且要量板子上的溫度,不是爐子的設定值。
  • 一次只改一件:升溫斜率、恆溫時間、尖峰溫度,不要同時動;改完重新量一次,再看不良有沒有變少。
  • 換了錫膏:曲線要重新驗證(本文的整理)。

嘉鴻能幫的:

  • 爐溫測試儀(頁面寫 7、9、12 通道、熱電偶自動設定、保固 2 年)。
  • 測溫線(K 型):鐵氟龍款 0~260°C,量回焊爐;線徑兩種,粗的 0.255 mm 耐彎折,細的 0.127 mm 反應快;頁面附有嘉鴻自行送驗的檢測報告。
  • 治具與冷凝器噴淋旋轉清洗機:洗回焊爐的冷凝器與治具。
  • 排風管與抽風管(鋁箔伸縮管)。
  • 價格與庫存,請洽詢。

階段⑤:錫膏、材料與環境:整批都有的時候

整批、整天都有的不良,爐溫之外,要看材料與環境。這一階段的變因最多,也最容易被當成「運氣不好」。

看什麼怎麼影響容易看到
錫膏的保存與使用時間受潮的錫膏,水氣在爐裡炸開,留下錫珠;放太久、氧化多的錫膏,錫粉熔不在一起;論文也提到,舊的錫膏,立碑的機會比較高錫珠、立碑
錫膏本身助焊劑的配方,不同款差很多:不沾錫、錫珠、空洞的表現都不一樣;細小的錫粉比例高,容易被助焊劑帶走變成錫珠錫珠、不沾錫、空洞
板子與零件的焊接面氧化、髒、基材露出來,會不沾錫、縮錫,或焊不上;板子的表面處理,也會影響空洞:一篇 IPC 論文的實驗裡,化鎳金(ENIG)最好,化銀要注意鍍層厚度不沾錫、空焊、空洞
板材與零件受潮水氣在過爐時跑出來;空洞的一篇論文,也提到要降低材料的濕氣與揮發成分空洞、爆板
廠房溫濕度錫膏在太熱、太濕的環境,容易塌陷;太冷,會變稠,鋼板開孔容易堵住,造成空焊短路、錫珠、空焊
爐內氣氛一篇 IPC 論文發現,較熱的曲線在空氣中,中間錫珠最多,較冷的曲線明顯減少,氮氣的影響很小;另一篇論文則指出,爐內氣氛對空洞的影響很小,但能幫助潤濕錫珠、不沾錫
剛換了材料錫膏、板子、零件,同時換兩樣,就分不出是哪一樣造成的各種不良

一個焊墊不沾錫的例子:一片樣品不開機,把記憶體晶片拆焊下來,焊墊上有的只剩助焊劑,有的錫自成一塊、沒有和焊墊結合。對照印刷時的覆蓋率是百分之百,印刷看起來沒有問題;把正常與異常的焊墊用不同倍率並排比對後,報告初判是焊墊表面污染,或板材來料拒焊,但沒有驗證,報告建議使用端研究鍍層厚度與鎳的純度。報告寫製造端未來能做的,是來料先清洗、拉長錫熔化後停留的時間。這個例子可以提醒:印刷沒問題、錫卻不沾焊墊時,先往焊墊表面查;初判要等鍍層量測出來,才算驗證。

嘉鴻能幫的:

階段⑥:改完怎麼驗證:一次只改一件,留對照,記下來

做什麼怎麼做為什麼
一次只改一件每次只動一個條件(曲線、錫膏批、鋼板、貼裝壓力),其他的都不動同時改兩件,變好了也不知道是哪一件
留對照改之前、改之後,用同一個方法看同一個位置,留下照片與數量才能說「少了多少」,而不是「好像好一點」
先小批先跑一小批,確定不良真的變少,再放大到整批改錯了,影響的板子少
記下來每一種板子的預熱溫度、迴焊溫度、各區時間,都要記錄,才能照著重做NASA 的標準有這一項:焊接記錄,要能讓之前成功的那一次重做一次
寫回文件原因與改法,寫回製程文件:曲線的版本、鋼板的規格、貼裝的參數下一次換班、換線,才不會又退回去
分清楚誰能改有些改正,是設備、材料或設計的事:例如焊墊設計、鋼板開孔、錫膏配方IPC-S-816 的範圍條文就寫明,這些改正有一部分,產線自己做不到;要請設計端、鋼板廠、錫膏廠一起處理

稽核會怎麼問、要備哪些記錄,見〈SMT 製程稽核會問什麼:從錫膏印刷站開始,6 階段備齊現場與紀錄〉。

備註:來源與例外

以下給需要核對的人看,不看也不影響上面的做法。標準的條文請以官方原文為準;您的客戶給的規範、您的錫膏規格書與本文不同時,以它們為準。

各做法的出處

做法內容出處
名詞的定義冷焊、不沾錫、縮錫、被擾動的焊點、錫珠、空洞的定義;冷焊的成因(熱量不足、焊前清潔不夠、焊料雜質過多);錫珠主要由錫膏中的氧化物妨礙熔合造成NASA-STD-8739.2 第 3 章
空焊常見原因(TWI 前言一項、編號五項):零件腳不平(垂直位移約 0.1 mm 以上)、鋼板堵塞、貼歪、焊墊或腳不好焊、立碑、錫被導通孔吸走TWI 的常見問題解答(頁面沒有顯示日期;網頁資料另標 2015-12-03);一家錫膏廠的技術文章(頁面沒有顯示日期;鋼板堵塞、腳共面度、板廠製程)
立碑潤濕時兩端的力量不平衡,來源是熔錫的表面張力;焊墊長度是實驗的變因之一;升溫快、錫膏厚、重心高、貼裝力不足、錫膏舊了,機會都變高;TWI:降低回焊曲線的升溫斜率,可能有幫助英國 Brunel 大學博士論文(Hut,1996);TWI;錫膏廠的技術文章(兩端受熱不均、錫膏量不一、好焊程度不同、貼裝力不足)
錫珠錫膏受潮飛濺、升溫太快、錫粉氧化多、細粉比例高、印到阻焊層上、鋼板底面被弄髒、誤印板沒洗乾淨;晶片零件旁較大的錫珠(beading)與錫量過多、助焊劑逸氣、貼裝壓力過高有關錫膏廠的技術文章;NASA-STD-8739.2
中間錫珠錫膏塌陷或潤濕慢,錫膏流到零件底下,熔化後被擠到零件兩側;開孔形狀、鋼板厚度、錫膏的位置,影響最大;把零件底下的錫膏拿掉,比拿掉另一側有效;爐溫曲線較熱、在空氣中,錫珠最多,較冷的曲線明顯減少;氮氣的影響很小;助焊劑配方差異大;IPC-A-610 對錫珠判缺陷的寫法IPC 研討會論文(Wilkerson 等人;頁面沒有顯示研討會名稱與日期);論文的實驗,使用 1206、0805、0603 三種尺寸的晶片零件,詳細結果只報 1206
短路印刷對位、錫膏過多、開孔與焊墊一比一、錫膏金屬含量與黏度不當造成塌陷、高溫高濕、預熱升溫太慢、貼裝壓力與零件擠壓;NASA 標準的錫膏試驗含錫膏塌陷試驗錫膏廠的技術文章;NASA-STD-8739.2 第 7.3 節
冷焊與潤濕不良熱量不足、助焊劑失效或在恆溫段用光、焊前清潔不夠、基材露出、焊料雜質;凝固時震動;對策含提高尖峰溫度、避免回焊後的震動、加快冷卻錫膏廠的技術文章;NASA-STD-8739.2 第 3 章
空洞空洞是「一整個系統」的結果:助焊劑配方、爐溫曲線、板子表面處理(化鎳金最好,化銀要看厚度);該論文中,爐內氣氛對空洞影響很小;影響因素分成製程、板子、錫膏、零件四類,是本文的整理(Lathrop 列錫膏配方、回焊曲線、板子表面處理與爐內氣氛;Diehm 等人提到降低材料的濕氣與揮發成分);近乎無空洞,要靠壓力的變化(真空或加壓)IPC APEX 2006 研討會論文(Lathrop);IPC 研討會論文(Diehm 等人,含 Fraunhofer IZM 與 Rostock 大學作者;頁面沒有顯示日期)
檢查方法看得到什麼光學與雷射只看表面;X-ray、紅外線與聲波看內部;X-ray 看得到空洞、橋接、錫量,但看不到冷焊與表面污染NASA 技術備忘錄 TM-104580(1993)
回焊問題的章節第七章列出十五項觀察到的狀況:未熔錫、錫珠、燒焦、零件損壞、焊點裂開、錫量不足、橋接、空洞、開路、飛濺、零件歪斜、分層、翹曲、焊點被擾動、縮錫;範圍條文說明,每章依「觀察到的問題、常見原因、改正建議」整理,改正建議有一部分,現場做不到IPC-S-816(1993;本文依目錄與範圍條文;條文需向發行機構購買)
允收與記錄焊點的允收,依 IPC-A-610 與客戶規範;焊接記錄(預熱溫度、迴焊溫度、各區時間)要能讓成功的那一次重做;印完錫膏到貼件、到過爐,標準有時間上限IPC-A-610J(目錄);NASA-STD-8739.2 第 8.7 節與第 9.1 節
查法與改法「位置固定先看焊墊、開孔、貼裝;整批都有先看爐溫、錫膏、環境」與「一次只改一件」是本文整理的查法與一般的做法,不是標準或論文的結論本文

此為一般情況,仍需視個案而定。

例外與限制

  • 年代:本文用的公開資料,多半是 1990 年代到 2010 年代初的,用的是錫鉛或免清洗錫膏;無鉛錫膏的爐溫窗口更窄(Diehm 等人的論文指出),原因與對策可能不同。對照表是「先往哪裡看」,不是現在您那一款錫膏的結論。
  • NASA-STD-8739.2:本文依 1999 年版的原文;連結的標準頁只有基本資料(1999 年 8 月 31 日發行,已停用),沒有全文;本文只引名詞的定義、焊接記錄與時間上限的概念,不當作現在的驗收標準。
  • 廠商的文章與論文:錫膏廠、助焊劑廠的文章與論文,是該公司在特定材料與條件下的結果,不是通則;錫膏廠文章裡的建議,是針對當時那類錫膏,請以您的錫膏規格書為準。
  • 立碑的實驗:Brunel 的論文是紅外線回焊與特定零件的實驗,結論限於那個條件。
  • IPC-A-610J 與 IPC-S-816:本文依目錄與範圍條文;條文需向發行機構購買;錫珠、橋接、空洞的判定值,本文不寫,請與客戶約定。
  • 範圍:本文不談 BGA 與零件底下的焊點(枕頭效應等)、波焊、手焊、重工、助焊劑殘留的清洗,也不談氮氣爐的規劃。
  • 商品資訊:規格以各商品頁為準。

標準出處

本文引用之規範,請以各發布機構之最新版本為準。

本文為一般情況的整理,不是標準條文的轉述,也不是對某一款錫膏、某一台設備或某一家廠商的背書,更不構成對您製程的保證。請以您客戶的規範、您的錫膏與材料規格書、標準的官方原文,以及您自己的驗證為準;此為一般情況,仍需視個案而定。

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