Как образуются шарики припоя в процессе производства печатных плат?

Шарики припоя — один из наиболее распространенных дефектов в процессах поверхностного монтажа и пайки оплавлением при производстве печатных плат. Наиболее распространенные причины связаны с быстрым испарением флюса или влаги из паяльной пасты при высоких температурах, что приводит к разбрызгиванию расплавленного припоя в виде мелких шариков.

I. Подробное объяснение причин

1. Материальные и экологические факторы

Это наиболее фундаментальная причина, в первую очередь связанная с характеристиками самой паяльной пасты и условиями хранения.

1) Впитывание влаги паяльной пастой (наиболее распространенная причина):

● Процесс: Если после извлечения из холодильника паяльная паста недостаточно нагрелась (не достигла комнатной температуры и не сбалансировала влажность) или если влажность окружающей среды слишком высока, паяльная паста начнет впитывать влагу из воздуха.

● Результат: В процессе пайки оплавлением влага быстро испаряется и расширяется, создавая давление пара, которое «взрывает» припой до того, как он расплавится, образуя шарики припоя.

2) Проблемы с составлением флюса:

● Слишком низкая температура кипения флюса/слишком быстрое испарение: Быстрое испарение в процессе предварительного нагрева приводит к преждевременному рассеиванию частиц припоя.

● Неправильное время срабатывания активатора: избыточное образование газа во время плавления припоя приводит к разбрызгиванию.

2. Факторы процесса и проектирования

В основном это проявляется в полиграфии, поверхностном монтаже и трафаретном дизайне.

1) Избыток паяльной пасты (в процессе печати):

● Неправильный дизайн трафарета: слишком большой размер отверстий или отсутствие обработки против образования шариков припоя (например, углубленные отверстия, сегментация сетки).

● Неправильное давление/скорость печати: приводит к чрезмерному нанесению припоя или разрушению краев, что, в свою очередь, вызывает избыток припоя.

2) Чрезмерное давление при монтаже на поверхность:

Выдавливание паяльной пасты за пределы контактных площадок и её прилипание к защитной маске приводит к образованию шариков припоя во время оплавления.

3) Загрязнение нижней части трафарета или поверхности печатной платы:

Загрязнения (такие как остатки паяльной пасты, пыль) препятствуют полному отделению трафарета от поверхности печатной платы, что приводит к искажению печатных рисунков и избытку припоя.

3. Факторы, связанные с термическим процессом и компоновкой.

Это отражается в настройках профиля температуры пайки оплавлением и конструкции печатной платы.

1) Неправильный температурный профиль припоя (наиболее критичная причина процесса):

● Чрезмерно быстрый предварительный нагрев: Типичная скорость нарастания температуры (например, >3°C/с) вызывает быстрое испарение растворителя/влаги, что приводит к эффекту «попкорна».

● Недостаточное время предварительного нагрева: Недостаточная активация флюса и испарение приводят к интенсивному выделению остаточных летучих веществ в зоне оплавления.

2) Вопросы проектирования и компоновки печатных плат:

● Наличие соседних высоких и низких компонентов или недостаточное расстояние между контактными площадками приводит к тому, что расплавленный припой под действием поверхностного натяжения выталкивается к нижней части компонентов или в плотно упакованные области, образуя большие шарики припоя.

● Некачественная конструкция контактной площадки или защитной маски для припоя, приводящая к неоптимальному пути смачивания припоем.

II. Системные решения и превентивные меры 

Исходя из вышеизложенных причин, необходима систематическая замкнутая система управления, описанная ниже:

1. Управление материальными ресурсами и охрана окружающей среды

● Строгое требование к повторному нагреву: Охлажденную паяльную пасту необходимо перед использованием разогреть при комнатной температуре (25±3°C) в течение 4-8 часов в герметичном состоянии. Принудительный повторный нагрев путем нагревания запрещен.

● Стандартное перемешивание: После нагревания перемешивайте в течение указанного времени и способом, чтобы обеспечить однородный состав.

● Контроль микроклимата: Поддерживайте температуру и влажность в цехе на уровне 22-28°C и 40-60% относительной влажности.

2. Оптимизация процесса печати и нанесения трафаретов. 

● Для контактных площадок компонентов, склонных к образованию припоя, используйте отверстия, препятствующие образованию припоя (например, вогнутые или перевернутые трапециевидные).

● Соответствующим образом уменьшите размер отверстия (например, уменьшите соотношение площадей на 5–10%), чтобы точно контролировать объем припоя.

● Оптимизация конструкции трафарета.

● Обеспечение качества печати: Регулярно очищайте нижнюю часть трафарета, калибруйте печатный станок и обеспечивайте стабильное давление ракеля и параметры извлечения изделия из формы.

3. Точный контроль процесса нагрева при пайке оплавлением.

● Оптимизация температурного профиля: Установите зону постепенного и плавного предварительного нагрева, контролируя скорость нагрева в диапазоне 1,0–2,0 °C/с. Для полного и постепенного испарения растворителей и влаги можно добавить дополнительную площадку предварительного нагрева (примерно 150 °C, 60–120 секунд).

● Обеспечьте равномерную конвекцию горячего воздуха: Регулярно проводите техническое обслуживание печи для оплавления припоя, чтобы обеспечить стабильный поток воздуха в каждой температурной зоне и равномерный нагрев печатной платы.

4. Сотрудничество в разработке печатных плат

● Оптимизируйте компоновку компонентов, избегайте близкого расположения компонентов со значительно различающейся теплоемкостью.

● Размеры и расстояние между контактными площадками проектируйте в соответствии с принципами DFM (проектирование с учетом технологичности производства).

III. Методы исследования и диагностики

При возникновении проблем с паяными шариками на производственной линии рекомендуется выполнить следующие шаги для анализа и устранения неполадок:

1. Местоположение: Появляются ли шарики припоя вокруг отдельных компонентов или случайным образом распределены по всей плате?

2. Контроль: Наблюдайте или используйте 3D SPI для контроля формы и толщины нанесенного слоя паяльной пасты; проверьте чистоту трафарета.

3. Анализ: Сравнить и проанализировать температурные профили оплавления качественных и бракованных изделий, особенно в зоне предварительного нагрева.

4. Проверка: Скорректируйте наиболее вероятную переменную (например, увеличьте время предварительного нагрева) и проведите проверку на небольшой партии.

Основной принцип

Появление припоя в виде шариков может указывать на системное несоответствие во всей технологической цепочке. Только благодаря тщательному управлению материалами, контролю параметров процесса и сотрудничеству в проектировании можно систематически устранить проблемы с образованием припоя и обеспечить высокое качество пайки.

Компания Benlida занимается производством печатных плат уже 14 лет, а также предоставляет услуги по сборке печатных плат. Более десяти лет мы постоянно оптимизируем процессы поверхностного монтажа (SMT) для печатных плат и уделяем особое внимание контролю качества. Сейчас у нас создана отлаженная система управления и команда инженеров по контролю качества, обеспечивающая качество на каждом этапе процесса и предоставляющая высококачественные печатные платы и услуги по их сборке клиентам по всему миру!