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SMT贴片元件立碑产生的原因及解决方案

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立碑的主要原因就是锡膏在熔融状态下,焊盘两端的表面张力不一样,导致物料受力不平衡,物料竖起造成脱焊。我们也称“立碑”现象为竖碑、吊桥、曼哈顿现象。立碑现象发生在回流焊过程,元件体积越小就越容易发生,因此实际生产中很多小的CHIP元器件特别是贴片电阻容易出现此问题。
 
立碑产生的原因离不开锡膏、零件、基版设计、回流焊制程,下面就立碑产生的原因进行分析, 当立碑效应发生时给予确认改善,以提高SMT生产良率。
 
一、焊盘设计不合理:
 
焊盘设计与布局不合理,如果焊盘设计与布局有以下问题,将会引起元件两边的湿润力不平衡。
 
1.有关焊盘尺寸与立碑现象发生率关系的试验结果表明,焊盘尺寸越小,越不容易发生立碑现象,这是因为焊盘尺寸减小后,锡膏的涂布量相应减少,锡膏熔化时的表面张力也跟着减小。焊盘间距过大,将导致焊料润湿元件端子时,润湿力拉动元件导致元件产生偏移而与锡膏分离。通常为了避免立碑问题而建议元件的焊盘尺寸特别是内侧间距要满足一定的要求。所以在设计中,在保证焊接点强度的前提下,焊盘尺寸应尽可能小。
 
2.焊盘尺寸不一致,热容量不同
1)元件的两边焊盘之一与地线相连接或有一侧焊盘面积过大,焊接端的外形和尺寸差异大,焊盘的热容量差异较大 ,可焊性差,焊盘、元件表面有氧化,元件的重量太轻,焊盘两端热容量不均匀。
 
2)PCB基板材料的导热性差,基板的厚度均匀性差,PCB表面各处的温差过大以致元件焊盘两边吸热不均匀。
 
3)大型器件QFP、BGA、散热器周围的小型片式元件焊盘两端会出现温度不均匀。
 
二、焊锡膏与焊锡膏印刷
焊锡膏因素:
 
1.由于锡膏的助焊剂均匀性差;锡膏活性不高;元件可焊性差的原因造成锡膏熔融状态中表面张力不一样,引起焊盘湿润力不平衡。
 
2.两个焊盘的焊锡膏印刷量不均匀,多的一边会因焊锡膏吸热量增多,融化时间滞后,以致湿润力不平衡。
 
影响锡膏印刷厚度因素:
SMT贴片元件立碑产生的原因及解决方案
 
① 减小钢网板厚度,就是减小了锡膏的量,锡膏熔化时的表面张力随之减小。厚度减小的同时,锡膏较薄,整个焊盘的热容量减小,两个焊盘上锡膏同时熔化的概率大大增加。
 
焊锡膏印刷因素:
 
如果钢网开孔为了避免锡珠问题而增加焊盘之间的间距,或锡膏印刷偏位,回流焊接后的立碑发生机率就会大增。所以,控制锡膏印刷问题是很关键的,当然这在实际生产中是很容易发现的。但钢网的开孔设计就比较难发现了,通常推荐钢网开孔间距保持与表中C值一致。
 
开钢网一般模板开孔的尺寸应比相对应焊盘小10%,建议按第二种方式 
 
钢网设计上,在两个网孔的内侧距离上保持适当的值可以有效地防止立碑发生;
SMT贴片元件立碑产生的原因及解决方案
 
 
三、贴片移位
元件偏偏位,Z轴方向受力不均匀,会导致元件浸入到焊锡膏中的深度不均匀,熔化时会因时间差而导致两边的湿润力不平衡,如果元件贴片移位会直接导致立碑。
 
一般情况下,贴装时产生的元件偏移,在回流过程中,由于锡膏熔化时的表面张力,拉动元件而自动纠正,我们称之为"自适应"。但偏移严重时,拉动反而会使元件立起,产生竖碑现象。
 
这是因为:从SMD贴片元件焊接端向锡膏传递的热量不平均,焊膏少的那端加热时先熔化;元件两端与锡膏的粘力不平。
 
随着贴装精密度的不断提高,体积更小的0603和0402、0201等元件越来越多的被使用,只不过由于贴装偏移造成的竖碑现象占整个缺陷发生率的比例大大提高,变成关键因素。这就需要优化贴装程序。
 
四、炉温曲线不正确
如果回流焊炉炉体过短和温区太少就会造成对PCB加热的工作曲线不正确,造成回流炉内温度分布不均匀,板面温度分布不均匀,以致板面上湿差过大,从而造成湿润力不平衡。
 
根据不同产品调节好适当的温度曲线;需要考虑整个PCB板的热均衡,回流时如果PCB板上的热量差异大,可能导致热冲击问题,当升温过快可能导致PCB板上的热量分布不均衡而发生立碑问题,小于2°C每秒的升温斜率,在回流前尽量保持PCB板温度均衡,可以防止立碑问题;再流焊炉在焊接时一定要先试验,找到合适的温度曲线工艺后再大批量焊接。
 
五、氮气回流焊中的氧浓度
氮气回流可以有效提升焊接质量,一般而言,若使用氮气炉,因为在加热过程中,有氮气保护作用,故其零件脚PCB PAD,锡粉颗粒等再度氧化情形,皆会有效地被遏阻,故其FLUX可在无太多氧化物的阻挠下,快速焊接,因为润湿时间的降低,其溶锡时间更为快速,其瞬间的拉力变为更强。若此时零件只要稍为不平衡氮气更易将此不平衡表现出来,造成立碑。
 
但是这没有一个标准值,根据实际经验,氧气含量过低又可能导致立碑发生,大于1000PPM的氧气含量一般不会导致立碑问题;通常氧气浓度控制在1000—1500PPM,这既有利于焊接的完成也不容易发生立碑问题。
 
使用焊锡性较佳的锡膏与开氮气有异曲同工之妙,氮气属于"预防措施"避免零件脚,PCB PAD锡粉颗粒在加热过程中再度氧化,使用焊锡性较佳的锡膏属于"治疗措施",将已生成的氧化物能快速有效地去除,从润湿平衡可看出,焊锡性较佳的锡膏其润湿时间较快,若此时零件只要稍为不平衡时,焊锡性较佳的锡膏,易将此不平衡给表现出来,造成立碑。
 
结论
1、片式元件立碑的根本原因是焊料对两个焊接端子的润湿不均衡;
 
2、设计方面采用两个焊盘相同的设计方式,尺寸大小、内侧间距、热容等方面均衡就可以预防立碑的发生,采用热隔离设计(Thermal  relief)可以避免立碑问题;
 
3、钢网设计上,在两个网孔的内侧距离上保持适当的值可以有效地防止立碑发生;
 
4、如果贴装质量不好,设备精度有限,过大的偏位也可能导致立碑问题;
 
5、快速升温可能导致PCB板上的热量分布不均衡而发生立碑问题,小于2°C每秒的升温斜率可以防止立碑问题;
 
6、氮气回流可以有效提升焊接质量,但氧气含量过低又可能导致立碑发生,大于1000PPM的氧气含量一般不会导致立碑问题;
 
7、在可焊性测试中,要关注润湿的时间和润湿力在元件的两个端子方面的平衡,否则立碑问题不可避免。

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