"竖碑"现象的成因与对策

Zjianeng

在表面贴装工艺的回流焊接工序中，贴片元件会产生因翘立而脱焊的缺陷，人们形象的称之为"竖碑"现象（即曼哈顿现象）。
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/ w+ n. G' e* u"竖碑"现象发生在CHIP元件（如贴片电容和贴片电阻）的回流焊接过程中，元件体积越小越容易发生。其产生原因是，元件两端焊盘上的锡膏在回流融化时，对元件两个焊接端的表面张力不平衡。具体分析有以下7种主要原因：
2 }( f9 A0 e1 A- h1）加热不均匀回流炉内温度分布不均匀板面温度分布不均匀
0 U7 p8 N! r" p" K0 w0 x* B2）元件的问题焊接端的外形和尺寸差异大焊接端的可焊性差异大元件的重量太轻
3）基板的材料和厚度基板材料的导热性差基板的厚度均匀性差
! p9 J5 j: f3 ]/ t  _( g) i4）焊盘的形状和可焊性焊盘的热容量差异较大焊盘的可焊性差异较大
% p. q' M7 b# ?7 _( N1 }- f7 F5）锡膏锡膏中助焊剂的均匀性差或活性差两个焊盘上的锡膏厚度差异较大锡膏太厚,印刷精度差，错位严重
6）预热温度预热温度太低
7）贴装精度差，元件偏移严重。

8 M. ?9 z4 x! [4 M! r8 X. _"竖碑"现象是以上各种因素混合作用的结果，下面对以上这些主要因素做简单分析。
0 ]1 J, O7 h2 v5 ~; u6 J  [表1
0 d, Q, D: b4 P9 C
+ P6 n5 F, l. h0 V( b* x( T- o焊接方法发生率
GRM39（1.6×0.8×0.8mm） GRM40（2.0×1.25×1.25mm）
/ W/ f: B6 U0 R* @, R4 t气相加热6.6％2.0％
红外热风回流焊0.1％ 0

: a2 I$ ]% [2 M  U5 l焊接方法发生率
3 R$ e' `# Q2 E0 k5 GGRM39（1.6×0.8×0.8mm） GRM40（2.0×1.25×1.25mm）
气相加热6.6％2.0％
' T' T7 x, E. ?% x1 _5 ]! S6 v红外热风回流焊0.1％ 0

预热期：表1是红外线加热和气相加热回流焊中竖碑现象的试验统计结果，在试验中采用了1608和2125贴片电容，试验是红外与热风回流焊和无预热的气相加热回流焊，从表中可以很明显看出竖碑现象的发生率，后者远大于前者，这是因为气相加热没有预热区，使升温速度很快，结果元件两端锡膏不同时熔化的概率大大增加。
8 j* L2 i$ t3 m  A% |4 {预热温度和时间相当重要，我们分别对预热时间1-3分钟，预热温度130-160度条件下的回流焊接作了试验统计，结果可以很明显的看出，预热温度越高、预热时间越长，"竖碑"现象的发生率就越低。
我们进行试验的预热最高温度是170度，比正常生产时的预热温度要稍高一点，发现预热温度从140度上升到170度时，"竖碑"现象的发生率大大降低。这是因为预热温度越高，进回流焊后，元件两端的温关越小，两端焊锡膏熔化时间越接近。但是锡膏在较高的预热温度下越久，其助焊剂的劣化就越严重，助焊越差，越容易产生焊接缺陷。
焊盘尺寸焊盘尺寸与竖碑现象发生率关系的试验结果，很明显，当B和C减小时，竖碑现象的发生率降低，但是当C小于0.7mm时，随着C的减小，元件移位的缺陷的发生率明显上升。见示意图
" W+ G; Q8 U% D7 X( F. z2 U+ t试验中发现焊盘间距从2.8mm减小至2.0mm，"竖碑"现象的发生率降低了9成，仅为原来的十分之一。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。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。锡膏厚度印刷模板的厚度为20UM时竖碑现象的发生率远远大于模板厚度为100UM时情况。这是因为1、减小钢模厚度，就是减小了锡膏的量，锡膏熔化时的表面张力随之减小。2、减小钢模厚度，使锡膏较薄，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。
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  S2 r- W1 X, v9 r1 ]( t! p* Y贴装精度一般情况下，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：1、从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。2、元件两端与锡膏的粘力不平。
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7 Z# t1 m0 T  j& n/ m, l3 _基板材料试验采用了3种不同材料的基板，发现竖碑现象在纸基环氧板中发生率最高，其次是玻璃环氧板，矾土陶瓷板最低，这是因为不同材料的导热系数和热容量不同。
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锡膏由于锡膏中助焊剂成分、活性和金属含量不同，"竖碑"现象的发生也不尽相同。

$ [* l2 T5 f- M* @8 @9 o( |) ~& C" h元件重量重量越小的元件，发生缺陷率越高。

当然，还有其它很多影响因素，比如严重偏移、焊盘有过孔、焊盘设计不一致，锡焊涂布不均匀等等。
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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。
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如何避免竖碑现象的发生
) v8 \( _6 X! X4 G6 [1、焊盘、元件表面无氧化。
, a+ u) U7 }- Q) [6 M2、焊盘设计一致，焊盘上面无过孔。
3、贴片时尽量保证贴装精度在90％以上。
4、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
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Anda

预热温度太低会严重导致这种现象

Zjianeng

Anda 发表于 2021-3-24 11:25
5 a1 j  @: P# i3 J0 i* m预热温度太低会严重导致这种现象

这种制程问题在生产工艺上很被重视