SMT焊接中葡萄珠效应形成原因、危害形成、如何减少

葡萄珠效应（Graping Effect）定义

葡萄珠效应，又称为葡萄球现象，是指在SMT（Surface Mount Technology，表面贴装技术）焊接过程中，部分锡膏没有完全熔化并融合在一起，而是形成了一颗颗独立的锡珠，并可能堆叠在一起，外观上类似于葡萄串，这种现象在电子组装行业中是一个常见的问题。

葡萄珠效应的危害

电气性能问题：锡珠可能桥接相邻的电路或元件，导致短路。

机械稳定性下降：额外的锡珠可能影响产品的机械强度和可靠性。

外观质量差：影响产品外观，不符合高质量电子产品的要求。

功能性缺陷：可能导致元器件功能失效，影响产品性能。

返工成本增加：需要对受影响的产品进行额外的检查和修复工作，增加了生产成本。

葡萄珠效应形成原因

锡膏受潮氧化：锡膏存储不当、回温或搅拌不充分，以及使用前未彻底干燥的钢板都可能导致锡膏氧化。

助焊剂挥发：锡膏中的助焊剂如果提前挥发，将无法有效去除金属表面的氧化物，影响焊接质量。

回焊温度不足：焊接温度不够高，使得锡膏不能完全熔化并融合。

印刷量过少：锡膏印刷量过少时，锡膏与空气接触面积增大，更容易氧化。

回流焊曲线不当：如升温斜率太低，助焊剂可能因加热时间过长而失去活性。

锡膏配方：锡膏配方的精确调整对于预防葡萄珠效应至关重要，需要综合考虑助焊剂的活性、锡粉尺寸和形态、合金成分以及溶剂与载体的平衡，以确保在回流焊接过程中锡膏能够均匀熔化，减少或避免葡萄珠的产生。

葡萄珠效应如何形成的

形成过程主要涉及助焊剂的活性丧失和锡膏的不完全熔化。当助焊剂因挥发或过热失去活性，无法有效除去锡膏及基板表面的氧化物时，锡膏中的锡粉虽然熔化，但由于缺乏助焊剂的保护，熔融的锡粉难以融合在一起，反而各自形成独立的锡珠。

随着电子设备小型化的不断推进，对微型化有源和无源元件的需求日益增长，这对符合RoHS标准的无铅电子组装技术提出了更高的挑战。特别是在使用更精细的锡膏沉积尺寸时，锡粉暴露于空气中的表面积急剧上升，同时助焊剂的相对量减少，这一矛盾在无铅合金（相较于传统的锡铅合金）需要更高回流温度的情况下尤为突出，从而加剧了葡萄珠效应的产生风险。

如何最大程度减少葡萄珠效应

1. 优化印刷工艺

钢网开孔设计：通过调整钢网开孔的面积比(AR)来优化印刷质量。保持AR值高于0.66，可提升锡膏转移效率并减少葡萄珠效应。方形开孔相比圆形在某些情况下能提供更高的锡膏体积和更稳定的印刷效果，从而降低缺陷率。

优化钢板设计：适当增加开孔宽度，以增加助焊剂和锡膏量，提升焊接面的抗氧化能力。

2. 选用合适锡膏

锡粉尺寸与类型：虽然细小锡粉有利于精密印刷，但其增加的表面积也意味着更高的氧化风险。选择具有良好抗氧化特性的助焊剂配方的锡膏，特别是对于微小颗粒锡膏，是至关重要的。

使用干燥设备：确保锡膏存储和使用环境的低湿度，使用前彻底回温并适当搅拌。

选择合适的锡膏：针对小尺寸元件使用活性较高的锡膏，以增强其抗氧化能力。

适量印刷锡膏：保证适当的锡膏量，避免印刷过薄导致氧化加速。

印刷后有效寿命：锡膏板在空气中的有效暴露时间随钢网开孔尺寸的减小而缩减。钢网开孔尺寸越小、钢网越薄，印刷锡膏量越少，锡膏发干的速度越快。

3. 回流焊曲线优化

•  采用线性回流曲线：相比保温型曲线，线性回流至峰值(RTP)曲线能减少总热暴露时间，有助于控制葡萄珠效应。控制合理的升温速率（如1°C/秒）和总回流时间，确保锡膏充分熔化而不过热，减少氧化机会。

  
  

•  监控和维护设备：定期检查和维护回流焊炉，确保温度曲线的准确性。

  4. 焊盘设计与阻焊层

•  SMD与NSMD焊盘：利用有阻焊层的SMD焊盘设计，可以限制助焊剂过度扩散，保持足够的助焊剂量在焊点周围，有效阻止锡粉再氧化，从而降低葡萄珠效应的风险。

5. 助焊剂选择

•  水洗与免洗助焊剂：考虑到免洗助焊剂中树脂成分的抗氧化优势，优先选择免洗助焊剂，尤其是含有高效活化剂的配方，以增强对氧化物的去除能力，减少葡萄珠的形成。

结论

综合上述措施，通过精细化管理印刷参数、优化锡膏配方与回流焊曲线、以及合理设计焊盘结构，可以显著降低葡萄珠效应的出现概率。每一步的微调都需基于具体产品的特性和生产条件，通过实验验证来达到最佳的焊接质量和生产效率。在无铅焊接技术日益普及的今天，对葡萄珠效应的深入理解和有效防治策略，对于保证电子产品质量和提升制造效率具有重要意义。

【本文转自公众号萃华科技CUIHUA，转载仅供学习交流。】