如何减少金手指沾锡？
电子制造业中，如果工艺控制不当，由于金手指沾锡（图1）引起的不合格率会达到30%~40%，金手指沾锡会影响产品的电气连接性能，而返修所用的镀金笔成本太高，因此降低金手指沾锡的不合格率一直是产业界要解决的问题，但是各大公司经过各种管控方法，不良率一直维持在3%左右，而控制更严格的例如内存条制造商不良率大概在1%左右，造成这样大的差异主要是因为金手指沾锡的原因太多，从原材PCB到印刷、贴片、回焊炉都会造成金手指沾锡，需要来料工艺的严格控制。本文通过实验设计DOE来降低不良率。
实验设计
一般情况下，造成金手指的主要几大不良因素是：一、温度曲线与助焊剂飞溅；二、回焊炉膛污染；三、PCB原材镀金层厚度；四、印刷机清洁状况；五、钢网开孔设计；六、原材零件湿气，等等。本文针对不良因素的成因进行了实验分析。
实验背景
实验在Kingston公司完成，Kingston公司是全球最大的一家专业存储器制造商。在进行实验前，Kingston公司的金手指沾锡不良率为1%。而试验的目标是希望将不良率降低与控制到1%。
实验方法
实验分为几个阶段，通过对金手指沾锡形成的原因进行实验分析与改善，以及观察改善后的不良率变化。
例如，第一阶段通过解决助焊剂发溅与优化profile来降低金手指不良。
实验过程
1、Profile，降低助焊剂飞溅
在第一次试验中，调整回流曲线，降低升温速率大概维持在1.0~1.2℃/S，150℃~200℃烘烤时间90秒，不良率由1%降至8‰；将锡膏SMQ230更换为Indium5.8ls，不良率由8‰降至5‰，由此可看出助焊剂飞溅造成的不良占整体不良很大一部分。
图1 金手指沾锡。
而这次实验主要是针对助焊剂飞溅造成的金手指沾锡，助焊剂飞溅发生在回焊过程中，发生的原因主要是：一、焊膏暴露在空气中吸取湿气；二、升温速率太快造成锡膏中的溶剂出气时挤带出部分锡粉。
所以降低这一区域的不良可以用以下两个办法：一、选择吸湿性较少或缓慢润湿速率的助焊剂；二、优化回流曲线。
2、清洁回焊炉膛
由于助焊剂挥发带走部分锡粉，而回焊炉抽风管功率若不够，则无法完全回收焊炉内的助焊剂，而目前业界使用的回焊炉大部分为热风对流型，在热风对流的作用下会导致助焊剂与锡粉在炉膛内飘浮。
验证回焊炉的清洁指数，取1000片空板直接过回焊炉二次，第一次过炉产生的不良可能为回焊炉污染或者PCB原材不良，在第一次回流过后的良品进行第二次回流，此次产生的不良则为回焊炉的污染。
此次实验发现Kingston公司回焊炉清洁指数较高，这是由于平时严格的清洁保养。回焊炉污染造成的不良大概在0.5~0.8‰，而通过强化回焊炉抽风管道，可控制不良在0.5‰左右，同时发现PCB原材不良占较大一部分。
3、PCB原材改善
经常有人说，为什么金手指贴上防护胶带后过炉还是沾锡，其实很大程度是因为PCB原材有问题。
验证PCB原材可按上章清洁回焊炉膛中的做法去试证，或者直接拿PCB原材去回焊炉厂商，用他们未使用过的炉子去做过炉，检查是否有沾锡，还有一种方法是拿不良板去做EDX（能量X射线探测仪）测试，检查沾锡不良点的成份。
而金手指原材不良则是因为金手指镀金层厚度若太薄，则经过回炉后会露出底层镍合金，而很多时候由于金太贵，PCB供应商为降低成本偷工减料，镀金时镀薄一点，大概在镀金厚度下限。
此次实验通过以上检验原材的三种方法，发现PCB原材不良，PCB供应商亦承认镀金层偏低，大概在3~4um，在后继则保持镀金
金层在5um以上，在PCB供应商改善原材后，金手指沾锡不良率由5‰降至4.5‰。
4、优化印刷机参数与清洁度
大部分人认为印刷机造成不良的主要原因是印刷机擦拭不干净，导致锡粉残留在钢网背面，与PCB接触时残留的锡粉落到了金手指上，其实不全对。
印刷机影响金手指的原因有如下：第一，印刷压力太大造成锡粉渗透于钢网网口处，经过印刷擦拭，在印刷机内大量污染轨道，真空腔等等；第二，印刷时，钢网与PCB之间有间隙，导致锡粉渗透；第三，擦拭频率过低，导致未能完全清除网孔周围的锡粉，此部分锡粉会散落在PCB焊垫旁的绿漆上。而在这顺便提出，绿漆上的锡粉在回焊过程中一旦大于锡粉附带的助焊剂的粘力，则会到处滚动的状态，极易滚附到金手指上；第四，印刷偏移，这部分的管控要求极其严格，一旦偏移，部分锡粉落在焊垫以外的地方，极易被孤立成单一锡球到处滚动。
在确认以上因素后，调整擦拭频率由5片为3片/次，不良由4.5‰降至4‰，而这两次试验虽然每次只降0.5‰，实际上难度却不亚于第一次，每次试验均投入几万片进行统计。
图2 在实验中不良率的变化状况。
5、减小钢网开孔
充足的锡量和饱满的焊点有助于焊点的可靠度，但是过多的锡量会造成锡粉的被挤压出来，在这里顺便提一下，回流升温时锡膏粘度降低而自然产生的塌落，高温时粘度上升，表面张力变大，将塌落的锡粉与焊垫上的锡粉重新聚集在一起，在塌落过程中，很容易造成锡粉挤出到处滚动，如图1所示，饱满的焊点周围附着一颗小锡珠，这是因为被挤出的锡粉被孤立了。
因此减少钢网开孔可以减少锡量，降低锡膏坍塌时挤出小锡粉。
减少钢网开孔后验证不良状况，不良率由4‰降至3‰，说明缩小钢网开孔有助于减少锡粉被挤压出而形成的沾锡。
在此顺便说一下，如上面在优化印刷机参数中所提到的，凡是焊垫以外的锡粉，回焊过程中一旦大于锡粉附带的助焊剂的粘力，则会到处滚动的状态，极可能滚动到金手指上。
而元件的贴片压力过大，则会把锡膏挤压出来。故在贴片时需检查元件贴片压力是否过大。
6、元件的湿气
在这里，先谈我们为何怀疑元件的问题，在实验进行到一定阶段，不良率一直停留在3‰，在25X的放大镜下发现一个奇怪的问题，一些0603电容周围有锡珠，检查这些电容发现为同一个元件供应商，于是选择这个供应商的三种不同料号的0603电容，以及另一个供应商的0603电容，放在铜片和陶瓷片上过炉，编号1/2/3均为供应商A，编号4为供应商B，过炉后发现编号1/2/3均有沾锡和锡珠，而编号4则无任何沾锡和锡珠。
由此可以看出供应商A的零件全都有锡溅现象，停用此供应商的零件后，金手指沾锡不良由3‰降到1%。
可以看到通过几次实验，金手指沾锡控制在1‰，不良率变化状况如图2所示。
总结
针对金手指沾锡，可以通过以下方法进行改善：
在工艺方面：
1. 调整合适的刮刀压力，擦拭频率以及印刷板与钢网间的间距。
2. 适当的贴片压力可以降低锡粉被挤出。
3. 严谨的机器清洁保养可以降低污染指数。
4. 减少钢网开孔尺寸。
5. 缓慢的升温速率/高的均热温度的曲线。
在材料方面：
1. 低飞溅的锡膏有助于降低金手指沾锡。
2. 使用缓慢润湿速率的锡膏。
3. 低湿气的零件和PCB有助于降低飞溅。
4. 适当的金手指镀金层可以降低露镍。
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