SMT制程常见焊接异常--SMT贴片元件立碑产生的原因及解决方案!

来源:收集 点击数:152 更新时间:2019/5/14 9:25:52

SMT制程常见焊接异常--SMT贴片元件立碑产生的原因及解决方案!
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我们在进行SMT工艺研究和生产中,深知合理的SMT表面组装工艺技术在控制和提高SMT产品质量中起着至关重要的作用。



在SMT工艺中回流焊接也是很重要的一环节,但在实际操作中我们经常会看到有很多小的CHIP元器件特别是贴片电阻会出现SMD贴片元件竖起而脱焊的缺陷,这种缺陷人们形象的称之为"立碑",同时又称竖碑吊桥、曼哈顿现象。



SMT回流焊接“立碑”现象发生在CHIP元件(如SMD贴片电容和SMD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从而导致立碑现象的发生。

领略SMT回流焊接过程中

神奇的立碑现象精彩视频演示

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立碑原因与锡膏、零件、基版设计、回流焊都有直接关系,当立碑效应发生时都应予确认改善,藉以提高SMT生产良率。


SMT立碑现象原因分析及对策

   


( 图片源自深圳曼联电子 


下列情况均会导致回流焊时元件两边的湿润力不平衡 :


1)焊盘设计与布局不合理,如果焊盘设计与布局有以下缺陷,将会引起元件两边的湿润力不平衡。


焊盘尺寸与竖碑现象发生率关系的试验结果,很明显,当A和B减小时,竖碑现象的发生率降低,但是当A小于0.7mm时,随着A的减小,元件移位的缺陷的发生率明显上升。

见示意图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。


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。



解决办法:改变焊盘设计与布局。

2)焊锡膏与焊锡膏印刷存在问题。锡膏中助焊剂的均匀性差或焊锡膏的活性不高或元件的可焊性差,焊锡膏熔化后,表面张力不一样,将引起焊盘湿润力不平衡,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。




SMT焊锡耗材料



锡膏印刷厚度因素:


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。


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。




锡膏印刷偏位,如下图所示,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高张力活动钢网


解决办法: 选用活性较高的焊锡膏,改善焊锡膏印刷参数,特别是模板的窗口尺寸。

3)贴片移位,贴装精度差,元件偏移严重。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。

解决办法:调节贴片机工艺参数。

4)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,以致板面上湿差过大,从而造成湿润力不平衡。



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


解决办法: 根据每种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。

5)氮气回流焊中的氧浓度    采取氮气保护回流焊会增加焊料的湿润力,但越来越多的例证说明,在氧气含量过低的情况下发生立碑的现象反而增多;通常认为氧含量控制在(100~500)×10的负6次方左右最为适宜。


氧气含量分析仪在氮气回流焊应用


氮气回流焊SMT车间使用现场


随着组装密度的提高,精细间距( Fine pitch )组装技术的出现,产生了充氮回流焊工艺和设备,改善了回流焊的质量和成品率,已成为回流焊的发展方向。


SMT氮气回流焊 有以下优点:


( 1 ) 防止减少氧化

( 2 ) 提高焊接润湿力,加快润湿速度

( 3 ) 减少锡球的产生,避免桥接,得到列好的焊接质量



得到好的焊接质量特别重要的是,可以使用更低活性助焊剂的锡膏,同时也能提高焊点的性能,减少基材的变色,但是它的缺点是成本明显的增加,这个增加的成本随氮气的用量而增加,当你需要炉内达到 1000ppm 含氧量与 50ppm 含氧量,对氮气的需求是有天壤之别的。现在的锡膏制造厂商都在致力于开发在较高含氧量的气氛中就能进行良好的焊接的免洗焊膏,这样就可以减少氮气的消耗。

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。


SMT回流焊接)

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。


大家都知道,氮气属于惰性气体,它隔绝氧气的影响而提高了焊接端子的可焊性,锡膏的润湿性,锡膏熔化后在PCB焊盘和元件端子的爬升能力。这对于焊接质量来说,不管是产线的良率问题还是焊点的可靠性来讲都是很有帮助的。抛开成本因素,这是非常有必要的。

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。



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