感温热敏电阻再流焊接中的立碑现象

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一、故障现象
某PCB单板组装焊接过程中，发现某型号感温热敏电阻在再流焊接过程中立碑现象严重，如图1所示。对立碑电阻的外观进行检查，发现被立起的顶部镀层仅有少量焊料，如图2所示。
图1
图2
二、立碑现象？
立碑工艺缺陷即所谓的“墓碑（Tombstoning）、吊桥（Drawbridging）、石柱（Stonehenging）和曼哈顿（Manhattan）”现象，都是用来描述如图3所示的片式元件工艺缺陷的形象说法，这类缺陷的典型特点就是元件一端在再流焊过程中翘起一定角度。在早期的表面组装过程中，立碑现象是与气相再流焊和红外再流焊工艺强相关的问题。在气相再流焊接中，立碑的主要原因是由于元件升温过快，升温时没有一个均热过程再达到焊膏熔化，导致热容量有差异的元件两端焊膏不是同时熔化，器件两端的润湿力不平衡导致立碑现象发生。而红外再流焊接，焊盘、焊膏和焊端颜色的差异导致吸收热量的不同，引起两端焊膏不同时熔化，器件两端的润湿力不平衡而引起立碑。
图3
随着片式元件焊端质量的提高、热风再流焊的广泛使用以及对再流曲线的优化研究，立碑现象逐渐减少，已经不是SMT组装过程中的一个重要问题了。但是，近年随着电子产品功能多样化、尺寸小型化带来的器件微型化，立碑工艺缺陷又成为电子组装工艺的一个主要缺陷，对产品的加工质量、直通率和返修成本都产生了很大的影响。
从机理上来分析，立碑工艺缺陷产生的本质原因是器件两端的润湿力不平衡，当一端的润湿力产生的转动力矩超过了另一端润湿力及器件重力联合作用产生的力矩时，在转动力矩的作用下把元件一端提升起来了，器件的受力过程如图4所示。
图4
图4（a）为贴片后再流焊前器件受力状态，图4（b）为再流焊接立碑时器件的受力状态，贴片后再流焊接前器件受元件两端的黏结力及重力的作用，焊接过程立碑发生时器件在拉起端的黏结力T2、器件重力T3及熔化端的润湿力T4和T5综合作用下产生翻转，此时T4对焊端支撑点产生的力矩大于T2+T3+T5对焊端支撑点产生的力矩之和，即
M(T4)>M（T2）+M（T3）+M（T5）
由图4可知，元器件越小，重量越轻，就越容易产生立碑现象。图4中各个参数的意义如下。
· T1：元件焊端的黏结力；
· T2：元件焊端的黏结力；
· T3：元件的重力；
· T4：元件端部的润湿力；
· T5：元件焊端底部的润湿力；
· M（T2）：元件焊端的黏结力T2产生的力矩；
· M（T3）：元件的重力T3产生的力矩；
· M（T4）：元件端部的润湿力T4产生的力矩；
· M（T5）：元件焊端底部的润湿力T5产生的力矩。
三、形成机理
针对故障现象做进一步分析，对被焊料熔融的底部切片做SEM分析，发现AgPd镀层已耗尽，焊料已直接接触电阻本体，如图5所示。
图5
对其顶部表面进行SEM分析，发现电阻AgPd镀层表面存在较多的疏松孔洞，如图6所示。
图6
对热敏电阻镀层侧面做SEM分析，发现也存在较多的疏松孔洞，如图7所示。
图7
对热敏电阻镀层截面进行切片，然后做SEM分析，其镀层内部组织结构如图8所示。
图8
1.电极镀层构造
从上述切片分析中可以确认该感温热敏电阻的电极只采用了一层AgPd合金镀层，既做内层镀层，又做外层焊接用镀层。
2.焊接问题
早期的产品中有采用这种在陶瓷胚上直接烧结AgPd合金做电极的，但焊接时必须使用62Sn36Pb2.0Ag这种成分的焊料，理由是：
① 由于该型号焊料熔点（179℃）相对Sn不是特别高，对Ag的溶蚀能力相对弱些。
② 其中的Pb成分有阻碍Ag往钎料中的溶解作用。
③ 加入的2.0（wt）%的Ag可明显降低在焊接过程中电极上的Ag原子向Sn中扩散的浓度梯度，由此可大大减弱电极镀层中Ag的损失和消耗。
④ 由于Ag和Pd对熔融状态的Sn溶解度和溶解速度差异很大，Ag的溶解度和溶解速度远比Pd大许多，Pd在Sn基焊料合金中的溶解要比Ag困难得多。因此，在再流焊接过程中Ag首先被溶解，当电极上的Ag原子被大量迁移后，在镀层中留下了大量的空穴和缝隙，形成了像火山石那样的富有Pd的多孔结构。
3.感温热敏电阻立碑机理
由于Ag原子与Sn原子有相当好的亲和性，在缺乏中间阻挡层的情况下，直接在底层的AgPd镀层上再流焊接时，Ag原子迅速向熔融的Sn中迁移和扩散，底层AgPd镀层将迅速耗损而不复存在，造成Sn与电阻体直接接触，而Sn溶液是不能润湿电阻体的。再加上AgPd镀层厚薄的差异，在再流焊接过程中，镀层较薄处自然被首先溶解，而在镀层较厚的地方，便留下了较疏松的结构。
基于以上所分析的各项原因的综合作用，便导致了该型号感温热敏电阻两焊端电极在再流焊接过程中受力不均匀，从而产生立碑现象。
四、解决措施
1.由于该型号感温热敏电阻器焊接用电极采用的镀层结构不宜用无铅焊接工艺。
2.在无铅焊接情况下，建议采用镀层结构为AgPd/Ni/Sn的感温热敏电阻器。
五、小总结
题外，我们再聊聊影响片式元件立碑的主要其他因素。
1.焊盘设计对立碑缺陷形成的影响
元件的焊盘尺寸越大，熔融焊料的表面积越大，对焊端产生的润湿力也越大，对立碑产生的影响也就越显著。IPC标准对焊盘尺寸的设计有推荐建议，但是同一类型的器件各个厂家的尺寸存在差异。如图9所示，对立碑现象影响最大的两个焊盘尺寸是W与S，当W>S时，端部润湿力产生的力矩比W<S时产生力矩小，立碑发生的概率就小。因此在设计阶段要关注焊盘的尺寸，综合器件的尺寸得到合理的焊盘设计，从而有效减少立碑的发生。
图9
2.焊膏印刷对立碑工艺缺陷形成的影响
当焊膏印刷出现偏差，焊膏没有准确地印刷在焊盘上，如图10所示，上部焊端的锡膏印刷出现了偏位，贴片后器件端子没有与焊膏良好接触，在再流炉中进行再流焊接时，焊膏就不会向元件焊端爬锡，器件的两端一边有润湿力而另一端没有润湿力，就会出现严重的受力不平衡，从而导致立碑的发生，没有与焊膏接触的一端被拉起来而出现立碑。图10所示是比较严重的情况，有时由于印刷效果不好，导致焊盘两端的焊膏量差异比较大，这时在再流焊接时两端的润湿力也会有较大的差异，当差异达到一定程度就会导致立碑的发生。
图10
3.贴片精度对立碑工艺缺陷形成的影响
如果贴片机的贴片精度差，贴装过程中元件端相对于焊盘有较大的偏位，元件两端与焊膏接触面积不同，焊膏熔化时元件两端的润湿力不平衡，导致立碑发生；更为严重时元件贴放偏位较大，元件一端与焊膏未接触上，再流焊接时，元件两端润湿力严重不平衡，导致立碑出现。因此对于微型片式元件，贴片精度必须保证，如图11所示。
图11
4.再流温度曲线对立碑工艺缺陷形成的影响
再流焊接温度曲线的设置对立碑的产生也有较大的影响，如果温度曲线设置不当，如升温速率过快，预热时间过短，当再流时器件两端存在较大的温差，器件一端的焊膏已经熔化了，而另一端还没有熔化，这时由于两端润湿力的不平衡导致器件立碑，如图12所示，就是因为两端焊膏的温度有较大差异，焊料没有同时熔化而出现润湿力不平衡引起的立碑。
图12
5.材料可焊性对立碑缺陷形成的影响
器件焊端的可焊性不一致，比如一端可焊性好，一端可焊性差，当再流焊接时，熔化的焊料对可焊性差的焊端的润湿力就会小于可焊性好的焊端，这样两端就会出现较大的力不平衡，导致立碑发生；焊盘的两端如果一端可焊性差，而另一端可焊性良好，当再流焊接时，对于可焊性差的一端，熔化的焊料就会被焊端吸走，这样可焊性差的一端焊盘对器件的润湿力就很小，而可焊性良好的一端焊盘对器件的润湿力就会较大，此时依然会由于润湿力的不平衡而出现立碑。图13所示为微型片式元件焊盘两端存在可焊性差异，上部焊盘可焊性良好，焊膏熔化后铺展整个焊盘，下部焊盘可焊性差，熔化的焊膏在焊盘上不铺展而是缩成了球状。
图13

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

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