再流焊接过程中的“墓碑”缺陷

赞


一、现象描述
电子产品自进入表面组装之后，在大批量再流焊接工艺过程中，无源片式元器件的“墓碑”现象给PCBA组装焊接增加了许多麻烦。随着SMC/SMD的微小型化，再流焊接时经常会发生片式元器件的一端焊附在PCB的焊盘上，另一端翘起离开焊盘的现象，因此这种现象通常又称为“墓碑”现象，也有称“曼哈顿”现象或“立碑”现象的，如图1和图2所示。
图1 墓碑现象
图2 墓碑的微切片
无铅焊料更高的熔点及更大的表面张力，将使阻容元器件在再流焊接过程中发生“墓碑”的现象更加严重。
二、形成原因及机理
1.初始润湿的差异
造成“墓碑”的原因之一，是无源元器件两端焊料的初始润湿力不同所致，这种不同来自于两个焊端表面的温度和可焊性的差异。理想状态下，元器件两个焊端都会同时进行再流、润湿并形成焊点。此时，作用在两个焊端的力（如润湿力和焊料的表面张力）将同时作用并互相抵消。但如果不是这样，若其中一个焊端更快地进行再流和润湿，那么作用在该焊端上形成焊点的力，就可能使元器件另一个焊料还没有融化的焊端抬起来，从而形成“墓碑”现象。
润湿机理包括三个重要参数：一是初始润湿时间，二是润湿力，三是完全润湿时间。发生完全润湿的时间长短直接关系到墓碑缺陷的产生，因为完全润湿发生时，在焊点和元器件上的作用力最大。如果元器件的一个焊端比另一个焊端先达到完全润湿，那么润湿力就有可能把元器件抬起来。
2.热容因素影响
无源元器件两个焊端焊点的热容对“墓碑”现象的产生有着直接的影响。两个焊端的焊料热容差异势必会造成“墓碑”的产生，因为焊料热容小，再流速度和润湿会更快些，这样施加在元器件一个焊端上的作用力就会更大。
无源元器件两个焊端焊点热容差异来自于：焊盘尺寸、元器件金属焊端尺寸、印刷焊膏体积等的公差，以及PCB上过孔/内层热耗散的差异。
（1）焊盘热容
焊盘尺寸越大，熔融焊料润湿的表面积就越大，表面张力也就越大。虽然对某一种元器件，均有其推荐的焊盘尺寸，但没有具体要求它们的公差，所以焊盘尺寸变化较大。不定的公差对于焊盘热容有很大的影响。
另外，焊盘尺寸与公差应与贴片精度相对应，但在大多数情况下，焊盘尺寸与元器件不成比例，因而使“墓碑”现象更容易产生。焊盘尺寸和推荐的公差如图3所示。
图3 焊盘尺寸
（2）焊端热容
与元器件类型和外形相关的焊端热容差异影响着加热速度和再流时间。同样，虽然元器件尺寸公差和中值尺寸一样表示，但它们之间应建立联系，因为元器件越小，焊盘、焊端和贴片等精度与尺寸相关的公差就越重要。在如图4所示的表中列出了元器件类型及其外形尺寸的关系。
图4 元器件类型及外形尺寸
（3）焊膏热容
焊膏量小比量多能更快地再流。不管采用何种印刷工艺，在焊盘上的焊膏量必须适当而不宜过多，以利于形成一个良好的焊点。更重要的是，在各个焊盘上的焊膏量应均匀一致。工艺工程师可以通过三维成像的方法来检查印刷效果，以保证焊膏热容受控。
虽然较小热容的加热速度会更快，但实际上元器件位置对加热速度影响也很大。例如，定位不良会导致元器件焊端与PCB焊盘的偏位严重，导致热容分裂及更大的温度梯度ΔTs，从而使焊膏的熔融速度更快。
3.一种平衡的方法——减少温度梯度ΔTs
元器件焊端和单板焊盘的表面越干净，越没有氧化，界面的表面张力越低，发生初始润湿的时间就越短，润湿力也越大，最后完全润湿的时间也越短。基于此，当两个焊端表面都存在一定程度的氧化时，这些氧化物会推迟初始润湿的发生，这样就为较大焊盘/焊端的温度升高提供了时间，减少了ΔTs。
一般来说，ΔTs越小，初始润湿发生时间的差异就越小。当无源元器件的两个焊端可焊性不相等时，“墓碑”就会产生，因为可焊性更好的一端会更快地达到完全润湿阶段。
影响可焊性的最常见因素是元器件焊端的金属化镀层被损坏、电镀不当及被污染，因为它们使可润湿的表面积减少。在图5中，可以看到一个发生“墓碑”缺陷的电阻焊端的切片显微图，图中电阻未焊接和被抬高的焊端的锡镀层不完整，致使其可焊性下降。
图5 焊端锡镀层不完整导致的“墓碑”
4.氮气的影响
由于在加热到再流阶段的过程中，氮气起到了阻止表面再氧化的作用，所以加快了初始润湿的发生。与常规环境下的再流过程相比，在这种工艺条件下，待焊组件在进入再流区时，金属化表面的氧化大大减少，使润湿速度更快。较快的初始润湿没有提供足够的时间以减小ΔTs，而初始润湿时间的额外推迟以减少ΔTs恰恰是要减少墓碑缺陷发生所必需的。因此，在看到在氮气环境下焊接的明显好处的同时，也要采取额外的预防措施来减少“墓碑”的产生。
5.设备热工特性不良
再流焊接炉内温度分布不均匀将导致加热不均匀，从而使板面温度分布不均匀。因此，再流焊接炉在焊接时一定要先试验，找到合适的温度曲线后再大批量焊接。
6.贴片机和印刷机因素
● 贴片机精度低，元器件偏移严重。一般情况下，贴片时产生的元器件偏移，在再流过程中，由于焊膏熔化时的表面张力拉动元器件而自动纠正。但偏移严重时，由于从元器件焊端向焊膏传递的热量不平衡，焊膏少的那端加热时先熔化，而且元器件两端与焊膏的粘力不平衡，拉动反而会使元器件立起，从而产生“墓碑”现象。
● 随着体积更小的0402、0201等元器件越来越多地被采用，由于贴片偏移造成的“墓碑”现象占整个缺陷发生率的比例大大提高，已变为关键因素。
● 由于印刷机精度差、错位严重，焊膏印刷偏位和涂布不均匀，也会导致“墓碑”现象的发生。
7.PCB基板、焊盘和元器件因素
● 基板材料的导热性差，基板的厚度均匀性差。
● 焊盘、元器件表面氧化。
● 焊盘有过孔。
● 质量越小的元器件，发生缺陷率越高。
8.焊膏因素
● 焊膏中助焊剂的均匀性差或活性差。
● 由于焊膏中助焊剂成分、活性和金属含量不同，“墓碑”现象的发生也不尽相同。
三、解决措施
“墓碑”现象是一种可以预防的缺陷，注意它的产生原因并有针对性地采取措施予以解决，就可以减少这种现象的发生，从而达到更高的产品生产直通率、更低的缺陷率并避免返修。“墓碑”缺陷可以通过以下经验法则加以预防：
1.通过对再流温度曲线的控制，减少PCB上的温度梯度ΔTs。例如，预热温度越高、预热时间越长，“墓碑”现象的发生率就越低。这是因为预热温度越高，再流焊接后，元器件两端的温差越小，两端焊料熔化时间越接近。由于斜升式炉温曲线加热的均匀性比较好，因此建议在情况许可时，尽量采用斜升式炉温曲线进行再流焊接，以减少发生“墓碑”的概率。
2.检查SMC/SMD两端电极面积的精度和基板焊盘区的尺寸公差是否符合规定。
3.在保证焊点强度的前提下，焊盘尺寸应尽可能小，因为焊盘尺寸减小后，焊膏的涂布量相应减少，焊膏熔化时的表面张力也跟着减小。整个焊盘的热容量减小，两个焊盘上焊膏同时熔化的概率就大为增加。
4.检查焊膏的保管状态是否符合规定。
5.检查焊膏的涂敷量是否在规定要求之内。
6.提高焊膏印刷和贴片精度。由于无铅焊料润湿性差，在再流焊接过程中自校正能力弱。因此，焊膏印刷和贴片的对位精度必须提高，才能避免元器件因贴装不对称而造成再流焊接过程中受力不均匀，导致“墓碑”现象的发生。
7.改善焊端和焊盘组合间的润湿性：
● 增加元器件两侧焊端和焊盘的可焊性。
● 采用氮气环境下再流焊接时，残氧量控制在小于1000ppm，优选500ppm，因为O2浓度越低越容易产生“墓碑”现象。
8.保持与两焊端对应的焊盘焊膏的等量性。片式元器件在再流焊接过程中的表面张力的大小，与焊端及焊盘组合部的熔融的焊料量有关系。因此，在印刷焊膏时应尽量确保元器件两焊端焊盘上的焊膏量大致相等。
9.改善钢网开孔设计。使元器件钢网开孔的两个焊盘中心向元器件中间移动，这样不仅对抑制“墓碑”现象有利，而且还能减少在元器件体中间产生焊料珠的可能。以片式元器件0402为例，为了减少片式元器件“墓碑”现象的钢网开口设计，建议采用如图6所示的设计。
图6 减少片式元器件“墓碑”现象的钢网开口设计示例
10.改善PCB布线设计的再流焊接工艺性。“墓碑”现象也和沉埋孔及大型宽阔的焊盘有联系，这种焊盘可能允许元器件在润湿期间移动，将把一端移动得脱离焊盘。例如，有沉埋孔或大铜箔面的焊盘热容量小，升温更快，“墓碑”现象特别明显，如图7所示。
图10 沉埋孔和大铜箔面形成的“墓碑”现象
11.阻焊层厚度的变化也是一个不能忽视的因素，特别是对小而轻的元器件，厚度的变化有时可能造成焊盘之间的“跷跷板”现象，将元器件一端抬高离开焊盘。
根据樊融融老师的现代电子装联工艺缺陷及典型故障100例改编


长按二维码识别关注我们