碑立—SMT再流焊工艺中的顽症

碑立—SMT再流焊工艺中的顽症

摘  要：电子产品自进入表面组装之后，大批量再流焊工艺过程中，无源片式器件的碑立现象给电路制造商增加许多麻烦。片式器件质量与尺寸不断缩小，高温无铅焊料的应用，碑立更引起人们的重视。本文对碑立的成因进行分析，介绍解决碑立的基本思路

关键词：碑立，热容，温差，充氮气相再流焊。

1.           引 言

电子产品自进入表面组装之后，大批量再流焊工艺过程中，无源片式器件的碑立现象给电路制造商增加许多麻烦。

碑立—在再流焊过程中，无源器件部分或全部被举起，如图 1 所示；小型片式器件的一引线端连接在焊盘上，而另一引线端被高高垂直举起，有时被倾斜，有时器件像石碑一样直立。

‘石碑’这样的比喻，正是非常确切。碑立这种缺陷需要焊后返工操作，或由于需要纠正及高质量成本而被报废。

在早期SMT制造过程，通常碑立与气相再流焊(冷凝焊)连系在一起，在众多原因中，归属于快速升温加热的原故。随着气相再流工艺的衰退，特别是强制对流工艺及先进的控温系统，表贴器件焊接的碑立现象几乎已消失。

然而，碑立问题远没有完全得到解决。由于片式器件质量与尺寸不断缩小，高温无铅焊料的应用，碑立又重新引起人们的重视。在充氮再流系统的气相再流焊工艺中，新型器件或印制板的无源片式器件越来越小，原先不希望出现的碑立现象，重新又回潮。

2.           究其根源何在？

众知造成碑立的原因之一是无源器件的两焊点间初始湿润的差别。不均衡的湿润状态是两焊接表面的湿润性与温度的不同所致。作为理想状态是器件两引线端同时再流形成焊点。此时，作用在两端焊接表面的湿润力/表面张力会同时作用相互抵消，于是就不会发生碑立项象。

如果器件的一引线端与焊盘很快湿润再流，作用在形成焊点上的力将抬举器件与引线端。而另一端焊料没有熔融，通过被湿润的引线端与印制板被湿润的焊盘间表面张力，拉住固定器件。

3.           初始湿润的机理是什么？

湿润的机理由三个重要参数；

l        初始湿润的时间

l        湿润力

l        完全湿润的时间

如很快完全湿润，将会导致碑立地发生，这因为完全湿润时，作用在焊点与器件上的力是最大的。

假定器件的一端达到完全湿润的速度明显要快于另一端，湿润力有可能直立拉住器件，这是因如果端头过焊膏过量，力作用在器件引线端直角边与顶面的缘故，而器件未被再流的一端将被抬举脱离焊盘，最终造成碑立现象。

4.           热容对焊接的影响

 

图 1 碑立焊接端的显微图像

器件任一焊接端的热容直接会影响碑立的产生。焊接的热容不均等是造成碑立的根本原因，较小热容的一端将先湿润，于是枪先对器件施加力，无源器件两引线端的热容不同的可能有；焊盘尺寸公差，器件引线端金属化公差，焊膏印刷量公差，通孔或印制板内层布局布线等。

4.1  印制板焊盘的热容

焊盘尺寸愈大，焊膏熔融的表面积愈大，则表面张力也就大。焊盘尺寸的变化很大，器件供应商会推荐与器件类型相配的焊盘尺寸规格，但是制造的公差并没规定。变动的公差会对焊盘热容产生很大的影响。

另外，焊盘尺寸与公差与器件贴装精度有关。这、种情况经常如此，但并非全是，焊盘尺寸/热容与器件规格及碑立的产生成正比例关系的。如图 2所示焊盘尺寸与推荐公差；

 

图 2  焊盘尺寸与推荐公差

4.2  器件引线端的热容、

与器件类型及外形相关的热容直接影响焊接工艺的加热速度与时间。这些公差仅以正常数值表示，但是相对的，因为随着器件的小型化，那些与焊盘，金属化及贴装速度有关的尺寸参数将变得更为重要。如 图 3 所示 器件引线端类型与器件外形的数据；

 

图 3 器件引线端类型与器件外形

4.3           焊膏的热容

少量焊膏的焊盘要比过量焊膏的焊盘再流快得多，不论采用何种方法，焊盘沉积的焊膏必须与形成合格的焊点连接匹配，不得过量。更重要的是，在再流前，焊盘间的焊膏必须均匀。三维焊膏图像有助与工程师检测焊膏的热容，使其在控制之下。

虽然少量焊膏能更快速升温，但器件的贴装位置实际上在加热升温中也起到作用，器件贴装对准问题也可能会造成器件引线端的明显偏移，这样势必产生热容的不一样，结果得到两引线端间的温差扩大

（Δt）。要克服这个问题，焊膏必须在几分之一秒内迅速熔融。

5.           尽可能小的温差

焊盘与引线端表面无氧化及清洁是将很快初始湿润，较小的表面张力，较大的湿润力，且很快完全湿润。假定器件的两引线端同样程度被氧化，有些氧化面将延迟初始湿润时间，被延迟初始湿润时间的部位将有更多时间提升焊盘或引线端的温度，以减少两端间的温差

（Δt）。

凭经验得；较小的温差（Δt），初始湿润的时间差也小，当无源器件两端没有同样的湿润性，就可能产生碑立，因可焊性好的引线端相比之下会更快达到完全湿润。

最常见影响可湿润性的是那个因素？举例；当器件引线端金属化损坏，没有正确涂复或污染，这就减少可湿润的表面积。如图 4所示；

可见碑立电阻器的显微图像，在抬举未被焊接的端头显示涂层减薄，降低可焊性

 

图 4 抬举未被焊接的端头显示涂层减薄降低可焊性

6.           充氮/气相再流焊

在焊接的升温至再流过程中，氮能防止焊接表面重新氧化，有助加快初始湿润。气相焊工艺包括焊接过程升温的控制。与氮气氛再流类似，气相焊在升温至再流过程中能防止表面重新氧化。这两种工艺，与常规再流焊工艺比较，在进入再流过程，极少发生金属表面的氧化。籍此清洁的表面将很快湿润。

快速湿润不能提供更多时间来减少温差的减少（Δt）。额外延迟初始湿润，以减少温差（Δt）完全是最大程度减少碑立现象所必需的。所以充氮再流焊与气相焊两种工艺，可实现碑立发生的减少。

7．温度与表面状态两因素

表 1 所列两种产生碑立的因素：包括与印制板及器件的表面有关的因素 ，如可焊性，涂层的氧化及损坏。与温度有关的因素，如温差（Δt）与热耗散。如表所示，这两种因素有组合影响，焊膏的热稳定性与合金选择必须加以考虑。

表 1 碑立成因的类型

8.  焊膏解决方案

消除碑立或最大程度减少碑立现象的发生可通过焊膏的选择实现。首先，使用具有粘着性的热稳定助焊剂系统，其二焊膏的金属粒子采用两种不同共晶点的材料；50%熔点为179℃，另一种熔点为183℃。

 

183℃熔融的焊料固体粒子阻碍熔融较快焊点湿润力产生的角度倾斜作用。另一个焊盘的179℃的焊膏合金在几分之秒更多时间来湿润，于是重新回复达到平衡。

Klein使用模型来描述碑立现象，表面张力起到重要作用。 然而排除了在熔融时焊膏的粘度的影响。

 

图 5 碑立模型—熔融时焊膏粘度的作用

在179℃至183℃的温度范围中，焊膏成为在Sn62液相中悬浮的混合体，这种悬浮体要比完全液相明显高的粘度，较高的粘度机械阻碍器件角度倾斜作用来平衡表面张力，所以粘度是一个重要参数应附加在此模型中，如图5所示。

9.完全解决方案

碑立现象的产生可通过下面三个基本原则防止；

l        控制再流焊工艺的温度加热曲线，最大程度减少温差（Δt）。

l        控制印制板，器件，器件贴装的公差。

l        控制充氮再流焊工艺中的氧分量，应小于500ppm。

碑立是一个可防止的焊接缺陷，只要认真分析原因加以解决，减少其影响，最终能达到高产能，低缺陷率及低返工成本。