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0201 & 01005器件立碑的成因分析与预防措施
  2020-06-23      139

欣旺达电子股份有限公司 石龙仔制造中心 李志求 刘铁光 侯石海 

摘要:随着5G通信技术、以及电子产品的轻薄化、微型化的发展,电子封装技术的不断提高,PCB制作工艺能力的提升,越来越多的细密间距、微型器件被广泛应用到智能穿戴、智能家居、手机通信、便携式电子产品中。0402和0201器件已经在PCBA中已经普遍使用,01005器件也逐步在各类产品使用,03015器件也将会不久的将来问世使用。这些器件都对电子装联提出了更高的工艺要求和挑战,也需要更先进的制造设备、工艺材料与之匹配。

0201和01005器件由于其封装尺寸已经低于1.0mm,对PCB的DFM设计和制造工艺、以及SMT制程工艺的要求、电子元器件的制造工艺、表面处理工艺技术等方面提出了更高要求;立碑现象在0201和01005器件确实常见的焊接缺陷。0201和01005器件这类封装的器件量小质轻在SMT工序过程中立碑容易产生立碑不良,已经成为SMT课题中急需解决的问题。

本文将系统、全面地介绍立碑产生机理、原因分析、以及结合作者10多年来的现场实际改善案例汇总,详细讲解立碑的如何改善和预防,希望此文能为电子装联的业界的朋友提供一些借鉴和参考作用,提升各自公司/工厂的SMT产线的直通率水平。

关键词    立碑  0201 & 01005器件  PCB设计  钢网开孔设计 元件镀层

前言:

大家都应该知道片式元件“立碑”现象是由两端受力不平衡所致,但您是否知道有多少种原因会导致润湿力的不平衡?设计,工艺,来料几个方面里又有几个小方面?为什么片式电容比片式电阻更易“立碑”?本文为您系统的阐述“立碑”现象的成因及背后机理,今后你碰到时会有这样的内心独白:不就是个元件立碑吗?小意思!

什么是立碑 

立碑(Tombstone)也叫墓碑、曼哈顿吊桥或吊桥效应等。是一种片式(无源)元器件组装缺陷状况,片式元器件只有一个金属化端子焊接在焊盘上,另一个金属化端子却抬高,没有焊接在其焊盘上呈悬空状态(如下图);换一种说话,立碑也可以看作是严重的假焊(虚焊)

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     立碑机理是什么

     立碑(Tombstone)现象的产生是由于元件两端焊盘上的锡膏在回流焊接时,元件两端的焊垫Pad张力不平衡,张力较大的一端牵引着元件沿着其底部旋转而成的,如下图文将会详细讲解

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  1. 在回流前或锡膏熔化前,由于锡膏中凝胶成分的作用,元件两端受到锡膏的粘附力(f)以及本身所受重力(G)的作用而固定在PCB焊盘上,当PCB在轨道上启停时,元件都不会发生移动。

  2. 在回流阶段,当锡膏熔化后,锡膏的粘附力(f)消失。在开始润湿前,由于液体表面张力作用,元件其实是悬浮于液态焊料表面上,受到向上的浮力F'作用。大家可以从右侧图上看到这种结果:在可焊性测试实验中,T0前半阶段,所测得的力为负,此时就是由于液体的表面张力在起作用,锡膏刚熔化还没有润湿元件焊接端面时,液体表面张力会产生一个浮力向上推动元件,让仪器测得的力反而比开始时元件的重量减小了。

  3. 过了T0后半阶段,焊料开始润湿元件端面,所测得的润湿力才开始由负转正,当焊料完全润湿焊接端面时,润湿力也达到最大值而不再增加,达到稳定状态。

  4. 如果元件两个焊盘的焊料没有同时润湿两个焊接端子即两端润湿的速率差距较大,或者说两端润湿力差距较大,那么就会发生左侧图示效果:焊料润湿元件左侧端面就产生一个向左的润湿力,而右侧由于焊料不发生润湿,熔融焊料的表面张力会对元件产生一个向上的浮力,润湿力以支点O产生逆时针方向的旋转力矩(FL1),此时元件受到三个力矩作用,润湿力FL1,重力GL2,浮力F'L3(逆时针),当润湿力和浮力产生的力矩大于重力的力矩时元件就会被拉动翘起进而立碑。当然,如果两侧的润湿力不一样,这时右侧也会产生一个左侧一样的润湿力矩(顺时针),这就需要两侧的润湿力产生的力矩和重力产生的力矩之间是否平衡,当FL1大于GL2与右侧的润湿力矩之和时也会产生立碑或偏移现象。

  5. 大家处理立碑问题时会发现,其实立碑发生的位置大多是片式电容或电感,而电阻却很少发生。这其实从元件的形状结构上就可以看出来,片式电容或电感端面通常都是正方形,高度值较大,而电阻基本是高度较小的矩形形状,这在润湿过程中,润湿力臂L1,正方形的电容或电感肯定大于相同尺寸的电阻。假设润湿力相同,力臂大而力矩也大,作用效果也就越明显了。所以电阻发生立碑的机率会相对小些。 

立碑原因是什么

根据片式元件立碑发生的机理,立碑发生的原因也就需要从元件两端润湿力不均衡的原因方面进行分析。在实际生产过程中,可能导致两端润湿不均衡的原因很多,但并不是所有的原因都一定会产生立碑,我们就来看看这些原因都有哪些?

  1. 元件两个焊接端子镀层可焊性不良,如果两个端子可焊性有差异,润湿能力不一样,就会产生两个不同的润湿力矩,就可能发生润湿不良、偏移或立碑问题。如果一端根本不润湿、可焊性差或者镀层缺失,立碑基本是八九不离十;此项为目前业界的发生立碑主要因素,随着各种参差不齐、良莠不齐的器件制作商、代理商的加入,元件镀层问题、可焊性缺陷性问题经常发生。详细可以参考如下切片案例:

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  1. 两个焊盘沉积锡膏体积差异大,两处锡膏熔化所需要的热量不同而导致锡膏熔化速率差异而产生差异的润湿,就可能发生偏移、立碑的问题,但这个问题其实一般不容易发生,毕竟钢网的开孔差异也不会太大。

  2. 锡膏印刷偏位,如果锡膏印刷偏移而没有完全沉积在焊盘上,这可能导致元件端子不能与锡膏有效接触,可能根本就不接触锡膏或少量接触,这都极有可能产生立碑或偏移问题。此类问题常见与FPC产品上,一些PCB工艺、材质较差的厂家,制作FPC/PCB经常出现拼板涨缩、扭曲等现象,PCB印刷之后局部出现印刷偏位等现象,如果印刷偏移超过焊盘的30%以上0201等器件容易出现立碑问题。

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  1. 两个焊盘面积不同,这其实是设计上的问题,通常发生的可能是两个焊盘的设计方式不一样,一端是NSMD焊盘设计方式,另一端是SMD焊盘设计方式,这当然可能与产品电性能设计有关,如电源或接地脚就可能是这样的设计,这样的设计差异,可能导致两方面的问题,一是焊盘面积不一样影响锡膏熔化后在焊盘上的流动,其二就是两个焊盘的吸热和散热速率不一样,对应的焊盘温升差异,这就会导致锡膏熔化速率及润湿差异,进而导致偏移或立碑问题发生。

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  1. 阻焊膜厚度,特别是在两个焊盘之间的阻焊膜,如果阻焊膜高于焊盘平面,在焊接时就相当于跷跷板,两端润湿的轻微差异都可能放大导致润湿不良或立碑效应。

  2. 焊盘间距过大,这在很多设计上都可能看到,两端间距大,这发生立碑的概率是很大的;不同ODM厂家的都有自己封装footprint库,如果0201和01005器件的内距与物料的封装尺寸不能良好匹配,回流焊接焊盘的自定位效应不能充分发挥,会放大其他各方面因素引起的立碑问题。

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  1. 如果元件中间下面有锡膏存在,锡膏熔化后可能垫高元件而如阻焊膜作用一样导致立碑问题发生。

  2. 贴装压力不足,元件不能与锡膏有效接触,这可能导致传输过程中元件偏移而导致立碑。

  3. 氮气用量问题,现在的无铅工艺有时为了保证好的焊接效果而采用氮气回流,这对提高可焊性或减少焊点的空洞问题是有帮助的,但其实对于立碑效应,如果控制不当,可能适得其反。氮气的控制主要是控制氧气含量,氧气含量越低当然越好。但如果氧气浓度过度,由于没的氧气的阻碍,端子可焊性增加而焊料的润湿性也大有提高,这可能放大元件端子本身可焊性的差异,反而导致立碑问题的发生。

  4. 贴装精度不足也可能导致立碑,这也可以理解,这其实与锡膏印刷偏位机理一样,锡膏不能与元件的两个端子充分接触而导致两端的润湿差异,立碑或偏移就可能发生。

  5. Profile问题,如果升温速率太快,采用如下图的RTS曲线可能导致板上的温度升高或热量分布不均衡而导致立碑。(采用传统的RSS马鞍形炉温曲线可以有效规避立碑问题)

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         立碑如何预防

         立碑发生的原因远不止上面所说,但并不是所有的原因都一定会导致立碑,现在就对实际生产中出现机率较高的几个原因进行分析并提出预防措施。

1. 焊盘设计

1)  焊盘间距过大,并非是焊盘与元件不匹配问题,而是元件尺寸与焊盘的外形尺寸满足可靠性要求,但两个焊盘中间间距过大,这会导致焊料润湿元件端子时,润湿力拉动元件导致元件产生偏移而与锡膏分离。通常为了避免立碑问题而建议元件的焊盘尺寸特别是内侧间距要满足一定的要求(如下表)。

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2)  焊盘尺寸不一致,热容量不同

如下图所示,位置C33的两个焊盘焊接区域的面积不一样,上部位置的焊盘是在大块铜箔上阻焊膜开窗而成,焊接区域的面积会大于下部位置的焊盘,而且,上部位置焊盘因为与大块的铜箔相连,回流时其升温速率会比下部焊盘相对较小,所以,锡膏的熔化润湿速率也会不同,这就非常容易产生偏移或立碑问题。笔者就曾经经历过这样的噩梦,回流后,0201元件的偏移、立碑及飞件都有发生,防不胜防。通常应该在DFM阶段就建议设计师采用两端焊盘相同的设计方式,同样的采用SMD或NSMD设计,而不是一端是SMD而另一端是NSMD。最好是如图中R12或R16的设计方式。

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3)  阻焊膜厚度

其实阻焊膜的厚度的影响一般不会太多,因为现在大部分0201以下元件的设计中,在焊盘之间的阻焊膜已经取消了,如果真的存在,可建议RD硬件& PCB互联设计师取消中间的阻焊膜。

2. 工艺设计

1)  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。一般来说缩小内距能够有效规避立碑不良,扩大内距减少锡珠不良,找到最佳结合点。0201器件钢网开孔内距0.23~0.25mm较为合适,马蹄形和圆形开孔为理想开孔方案。

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2)  贴装偏位,装偏位产生的机理其实与锡膏印刷偏位一样,就是元件偏位,导致焊接端子与锡膏接触不充分而产生不均衡的润湿或润湿力,立碑自然就难以避免了。这就需要优化贴装程序,以及提高贴片的贴装精度和稳定性,定期对贴片机的CPK指数进行确认。

3)  氮气浓度,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,这是非常有必要的的。当然如果元件或PCB焊盘的可焊性好,这没有问题,但是如果元件两个端子的可焊性存在差异,氮气就可能放大这种差异,这就是为什么有时氮气浓度高,氧气浓度在1000PPM以下时,反而有立碑问题发生。很多经验表明,当氧气浓度低于500PPM时,立碑问题就很严重。但是这没有一个标准值,根据实际经验,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;从个人经验来说,采用N2回流焊并不是解决立碑问题的最有效的方案,有时候充N2之后还会增加立碑不良。

4)  Profile设置不当

温度的设置主要需要考虑整个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,大于每秒2°C,立碑就可能发生,所以,通常建议其升温斜率不要超过每秒2°C,在回流前尽量保持PCB板温度均衡;尽量采用如下RSS方案的炉温曲线,其中的soaking恒温区可以有效降低焊盘两端的温度差,能够确保焊盘两端温度一致性进入回流焊接区,从而有效解决和规避立碑问题

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3.物料问题(镀层缺失、可焊性问题)

元件两个焊接端子的可焊性问题,可以根据IPC J-STD-002,《Solder ability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires》对元件的端子可焊性进行测试。仪器测试结果如下图,其评估标准如下表所示。通过这样的检测,只能说明元件端子的可焊性没有问题。但如果有立碑问题发生,就需要确定两个端子达到相同润湿力的时间或在某个特定时间段内达到的润湿力的大小,润湿速率或润湿力之间较大的差异就极有可能导致立碑问题。

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       总结 & 结论

 片式元件立碑的根本原因是焊料对两个焊接端子的润湿不均衡;设计方面采用两个焊盘相同的设计方式,尺寸大小、内侧间距、热容等方面均衡就可以预防立碑的发生,采用热隔离设计(Thermal relief)可以避免立碑问题; 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;如果贴装质量不好,设备精度有限,过大的偏位也可能导致立碑问题;快速升温可能导致PCB板上的热量分布不均衡而发生立碑问题,小于2°C每秒的升温斜率可以防止立碑问题,采用RSS的马鞍形炉温曲线,可以有效规避立碑问题的产生;氮气回流可以有效提升焊接质量,但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;但是,不能盲目相信N2的作用; 在可焊性测试中,要关注润湿的时间和润湿力在元件的两个端子方面的平衡,否则立碑问题不可避免。

Some of IPC standards and References (IPC标准文件和参考资料)

IPC-7525                Stencil Design Guidelines

IPC-2222                Sectional Design Standard for Rigid Organic Printed Boards

IPC-2221                Generic Standard on Printed Board Design

IPC-SM-782/ IPC-7351     SMD Land Pattern Standard

ANSI-J-STD-002         Solder ability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires

IPC-7527                Requirements for Solder Paste Printing

IPC-9850                Surface Mount  Equipment Characterization

JESD22-B102E           可焊性规范

珠海伟创力   尹纪兵    SMT工艺中常见元器件的焊盘与钢网开孔可制造性设计   PPT/PDF

 KIC公司  Bjorn Dahle  了解再流焊隐藏的反应和温度曲线的重要性。

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