SMT锡珠的产生原因与预防措施处理教程

[摘要] 本文从简述再流焊接中生产锡珠（Solder Bead）与锡球（Solder Ball）的不同机
理开始，叙述了锡珠产生的一些原因，以及为了预防和减少锡珠应当采取的措施。文章中对
出现锡珠后如何进行分析、改善提供了方法上的建议和参考。
[关键词] 锡球，锡珠，控制锡珠。
1 前言
锡珠现象是表面组装技术（SMT）生产
中的主要缺陷之一。由于其产生原因较多，
不易控制，所以常常困扰着SMT工程技术
人员。锡珠与锡球的产生机理不同，需要采
取的应对措施也不相同。锡珠主要集中出现
在片状阻容元件的一侧，有的时候还出现
在IC 引脚附近。锡珠不仅影响板级产品的
外观，更重要的是由于印刷板上元件密
集，在使用过程中存在造成线路的短路的
危险，从而影响电子产品的质量。产生锡
珠的原因很多，常常是一个或者多个因素
造成的，因此必须一一做好预防和改善才能
对其进行较好的控制。
2 锡珠与锡球的机理
2.1锡球的形成机理
锡球的主要原因是在焊点成形的过程
中，熔融的金属合金因为各种原因而“飞溅”
出焊点，并在焊点周围形成许多的分散的小
焊球。它们常常成群的、离散的以小颗粒陷
在助焊剂残留物的形式，出现在元件焊端或
者焊盘的周围。
常见的产生锡球的原因有：⑴焊料受到
过快的加热或者冷却，尤其是无铅的高温工
艺，会导致锡球的形成。⑵回流焊接时候熔
融助焊剂的蒸发速度过快，焊剂成分中比较
高的溶剂比例比较高、或者高沸点溶剂过
量、加热不当等都会导致锡球产生的可能性
增加。⑶被焊接表面或者焊料中锡的氧化程
度过高，使得焊接时候焊料整体内各个部分
的受热、受热等过程不一致，从而影响焊剂
的热导、热传等热行为受到影响，也会使得
锡球产生的可能性增加。⑷焊膏的使用过程
中有不利的因素影响锡膏使用环境，如不当
的锡膏回温导致锡膏（锡膏焊剂成分中含有
较多的亲水基成分）吸潮等，会在焊接过程
中引起锡膏飞溅而形成锡球。
2.2锡珠的形成机理
锡珠是指一些大的焊料球在焊膏进行
焊接前，焊膏有可能因为坍塌、被挤压等各
种原因而超出在印刷焊盘之外，在进行焊接
时，这些超出焊盘的锡膏在焊接过程中未能
与焊盘上的锡膏熔融在一起而独立出来，成
型于元件本体或者焊盘附近，但是多数锡珠
发生在片式元件两侧，见图1。
图1 片式元件的锡珠
以焊盘设计为方型的片式元件为例，如
下图2，其在锡膏印刷后，若有锡膏超出，
则容易产生锡珠。超出焊盘之外的锡膏分两
部分，分别是焊盘外延部分（蓝色区域）和
焊盘内延部分（黄色区域），红色区域为实
际焊盘区域。
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图2
对于焊盘外延部分的锡膏，只要在焊接时能
够在形成Fillet时，与焊盘部分的锡膏熔融
在一起则不会形成锡珠。对于焊盘内延部
分，在焊锡量较少时，锡膏能与元件焊端形
成Fillet；但是当焊锡量多时，元件贴放压
力会将锡膏挤到元件本体（绝缘体）下面，
在再流焊时热融，由于表面能，融化的锡膏
聚成圆球，它有趋势抬高元件，但是此力极
小，反被元件重力挤向元件两侧，与焊盘分
离开来，在冷却时形成锡珠。如果元件重力
大且被挤出的锡膏较多，甚至会形成多个锡
珠。
2.3 锡珠与锡球的区别
锡珠与锡球人们常常混为一谈，其实不
然。锡珠与锡球的不同，最主要是产生的机
理不同。此外，从外观体积上看，锡珠的外
形状要比锡球大，通常直径大于5mil。从出
现的位置来看，锡珠主要集中在片式元件的
中部和元件本体比较低的两侧，而锡球在助
焊剂残留物内的任何地方。从数量来看，锡
珠一般是1到4个，而锡球则不定，数量常
常很多个。
3 影响锡珠产生的因素
根据锡珠的形成原因，影响锡珠产生的
主要因素有：
⑴模板开口和焊盘图形设计。
⑵模板清洗。
⑶机器的重复精度。
⑷回流焊炉温度曲线。
⑸贴片压力。
⑹焊盘外锡膏量。
4 减少锡珠产生的对策与经验
4.1按照标准设计模板开口
根据IPC-7525A 漏模板设计标准，正确
选择漏模板厚度，严格控制漏模板的开口
比例。选择漏模板厚度时，在保证焊点质
量的情况下，应根据 IPC-7525A 标准和实际
PWB 上元件情况选择厚度较低的项，而尽量
避免选择较大的一项。例如，根据标准，
QFP/Pin0.5mm 间距的可以选择 0.125mm
—0.15mm 厚度的漏模板，而实际生产时，
如果选择 0.12mm 的漏模板不影响其他元件
的焊接效果则应该选择 0.12mm 的而不选择
其他更大的。
开口比例一般是 1：1，但是对于一些
锡膏需求量比较大的元件，可以适当增加
开口比例为 1：1.05 或者 1.2。但是，开口
比例大于 1：1 的漏模板在印刷一定要注意
其底部清洗一定要频繁和有效，否则也会
因为底部聚集了锡膏而造成锡球。对于一
些锡膏需求量比较小的元件，可以适当减
少开口比例为 1：0.9。片式元件中，0402
以下的可不必开防锡珠孔，而 0603 以上的
则需要选择性的开防锡珠孔。
同时，根据锡珠与焊盘内延部分的锡膏
有关的原因，可以取消焊盘内延部分，甚至
将焊盘内延部分设计为负值。
4.2选择合适的焊盘图形与尺寸设计
焊盘尺寸设计不良也会导致锡珠。在
实际焊盘设计时候，应结合 IPC，再根据实
际元件封装尺寸、焊端尺寸，来设计相对应
的焊盘尺寸。各个公司应该根据自身供应
商呈样的元件尺寸情况制定出适合生产的
焊盘设计标准。同时，还要根据实际情况的
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变化修改设计。
根据IPC-SM-782A 标准，焊点有三个面
的参照值：
Jt = Solder fillet at toe，端部焊
峰值
Jh = Solder fillet at heel，根部
焊峰值
Js = Solder fillet at side，侧面
焊峰值
以下为我司的焊盘基本设计。
对于片式元件，以 0402 元件为例，图 3
为电阻焊盘设计示意图（实际图形因元件而
异，在此不一一列出），图 4 为对应的电阻
元件尺寸（底部）示意图。采用 FUJI 143E
型高速贴片机测量，精度 0.001mm。实际测
量 PCB 焊盘的尺寸为表 1。根据实际测量
（FUJI 143E 贴片测量，精度 0.001mm）的
元件尺寸与供应商提供的比较如表2 所示。
实际测量的尺寸数据与供应商提供的尺寸
数据均在其规定的范围之内。三个参照值
计算公式分别为：
Jt = （Z-L）/2
Jh = （S-G）/2
Js = （X-W）/2
Jh 值是正数，则说明贴装后焊端的锡
膏没有富余，这样，一部分锡膏会“多
余”出来。若 Jh 值是正数，且值比较大，
焊接时升温速率过快、焊端或焊盘上锡不
良、贴装下压过大等因素，都会可能造成
锡珠。若值虽然是正数但是比较小，则可有
利于形成良好的 fillet。
图 3 0402 片式元件的焊盘设计示意图  图 4 0402 片式元件（底部）的示意图
表 1 实测焊盘设计尺寸与 IPC 标准的推荐值的比较
长 Z（mm）  宽 X（mm）  间距 G（mm）
实测值  IPC 推荐 实测值  IPC 推荐  实测值  IPC 推荐
电阻 R  1.6  2.2  0.6  0.7  0.4  0.4
电容 C  1.6  2.2  0.5  0.7  0.4  0.4
表 2 实测元件尺寸与供应商提供的比较
供应商
类型  规格
风华  风华（实测） TAIYO  RELEC  YAGEO
L（mm） 1.0±0.1  0.97  1.0±0.05  1.0±0.1  电阻 R
S（mm） 0.20-0.95  0.46  0.25-0.75  0.2-0.8
无数据
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W（mm） 0.5±0.1  0.47  0.5±0.05  0.5±0.0
5
1.0±0.
0.35-0.
L（mm） 1.0±0.05  0.91  1.0±0.05
S（mm） 0.25-0.75  0.56  0.55-0.85
电容 C
W（mm） 0.5±0.05  0.43  0.5±0.05
无数据
0.3±0.
03
以实测的风华的测量数据来分析，根据
IPC-SM-782A 标准，实际 Jh 为：
电阻 Jh =（0.46-0.4）/2=0.03mm
电容 Jh=（0.56-0.4）/2=0.08mm
虽然两个 Jh 值均为正数，但是值均比
较小，使得焊锡膏得以在根部形成良好的
焊峰和润湿角的时候没有形成锡珠。实际
情况是极少发现有锡珠，实际焊接情况也
很好。经验值为 Jh 为-0.1— 0.15 mm 为良
好范围。在表 2 中 S 值范围很大，实际中可
要求厂商控制范围，电容和电阻在
0.35-0.65mm 内为好。否则要更改模板设计
来适应。
其余的 Jt、Js情况可类推。
对于 IC 类元件可根据供应商提供的图
形（甚至尺寸）来进行设计。而片式元件类
目前业界推荐的无铅焊盘是外向半椭圆型
或者内向半椭圆型都可以。只要的考虑是
避免过去方型焊盘容易产生的应力集中和
贴装压力大的时候会在边角出溢出锡膏而
形成锡珠。
4.3 提高模板清洗质量
提高模板清洗质量可提高印刷质量。如
果清洗不干净，残留在模板开口底部的锡膏
会聚集在模板开口附近形成过多的锡膏而
造成锡珠。印刷机在选择自动清洗模板方式
时最好是采用湿洗、干洗再加上抽真空三种
方式一起的办法，能使得清洗的效果得到提
高。可根据产品的元件布局适当增加清洗的
频率。使用时还需要看实际效果是否良好，
否则还需要增加人工擦洗。      
4.4 保证设备的重复精度
锡膏在印刷时，由于模板与焊盘对中
偏移，若偏移过大，则会导致锡膏浸流到
焊盘以外，加热后容易出现锡珠。贴片精
度也影响着制程。一般来说，3σ以上可以
达到要求。否则，会增加出现锡珠的概率。
4.5控制好贴片机的贴片压力
贴片机贴放元件时Z轴的高度有两种
方式，一个是贴放压力控制，一个是元件
厚度控制。Z轴的高度决定了元件对锡膏的
下压程度。这也是引起锡珠的一项重要因
素。对锡膏的下压程度控制不好，会在元
件贴放时将锡膏挤压到焊盘外，这部分锡
膏会引起锡珠。所以，不论是贴放压力控
制方式的，还是元件厚度控制的，都需要
调整好设置来防止锡珠。
控制压力的原则是恰好能将元件“放”
在锡膏上并下压适当的高度，这个适当的高
度是不能将锡膏挤压出焊盘外。不同的供应
商、型号、封装元件需要的控制压力也不一
样，要在生产的时候注意，必要时要调整压
力。
4.6 优化温度曲线
再流焊四个阶段中，预热、保温阶段
的目的是降低PWB和元件的热冲击，确保
锡膏的溶剂产生作用时能部分挥发，而不
至于在再流焊时，由于温度的迅速升高出
现溶剂太多而引起坍塌或飞溅，锡膏冲出
焊盘，形成锡珠或者锡球。
解决的办法是控制好再流焊的温度。
保证预热区的升温速率在 2°C/S 以下适中
位置，保温区时间控制在60—120S内，使
得溶剂能在一个较好的平台上能大部分的
挥发走。
5 结束语
产生锡珠的原因很多，对此，我司在
改善锡珠方面首先在设计上进行预防。首先
对元件尺寸进行统计，并分析了元件尺寸与
焊盘的匹配性，为后续如焊盘设计、漏模板
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开口等进行指导；然后如果还发生锡珠则
再做进一步分析，从印刷开始到贴片的完
成的整个过程进行检查、分析，找到原因
再加以改善。实际效果比较好，生产中发生
锡珠的概率很低。希望有关于锡珠问题经验
的同行一起交流和学习，并对本文的不足加
以指出。
SMT的生产工艺控制是多方面的，任
何一个方面没有做好，都有可能产生问
题。因此，除了SMT工艺人员需要注意之
外，采购和物料控制相关的部门也需要主动
地与SMT工艺人员配合，对于物料变更、
替换等应该考虑与工艺人员沟通，防止因物
料变化引起工艺参数的变化而导致不良产
生。负责PCB线路设计的设计人员也应该
更多地与工艺人员沟通，对工艺人员提出的
改善建议应该进行参考并尽可能的改进。只
有多方面的共同合作才能使得SMT问题得
到很好的改进。
参考文献
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