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回流焊接过程中出现的立碑为什么叫曼哈顿现象
发布时间:2017-8-28 10:14:53  浏览次数:1137 次  来源:顺星电子科技集团有限公司

立碑是由于回流焊过程中CHIP元件两端焊盘上锡膏的表面张力不平衡所致,其表现为元器件部分地或完全地竖起,俗称为墓碑现象(Tomb Stone Effect)或 吊桥现象(Draw-bridging Effect)、曼哈顿现象(Manhattan Effect,指纽约曼哈顿区之大楼林立现象。曼哈顿由于地质原因,特别适合建高楼,整个曼哈顿耸立着超过5500栋高楼,其中35栋超过了200米,是世界上最大的摩天大楼集中区。拥有纽约标志性的帝国大厦、洛克菲勒中心、克莱斯勒大厦、大都会人寿保险大厦等建筑。)

墓碑现象(Tomb Stone Effect) 和  吊桥现象(Draw-bridging Effect)比较直观,容易理解,而曼哈顿现象(Manhattan Effect)这看起来有点晦涩,早期的SMT文献翻译者可能因为曼哈顿现象这个词看起来比较炫,所以用的比较多,以致现在很多人不知所以然。

在表面贴装工艺的回流焊接过程中,贴片元件会产生因翘立而脱焊的缺陷,如图 4 ,人们形象地称之为 “ 立碑 ” 现象 ( 也有人称之为 “ 曼哈顿 ” tomb stone现象 ) 。

“ 立碑 ” 现象常发生在 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。特别是 1005 或更小钓 0603 贴片元件生产中,很难消除 “ 立碑 ” 现象。

“ 立碑 ” 现象的产生是由于元件两端焊盘上的焊膏在回流熔化时,元件两个焊端的表面张力不平衡,张力较大的一端拉着元件沿其底部旋转而致。造成张力不平衡的因素也很多,下面将就一些主要因素作简要分析。

1 .预热期

当预热温度设置较低、预热时间设置较短,元件两端焊膏不同时熔化的概率就大大增加,从而导致两端张力不平衡形成 “ 立碑 ” ,因此要正确设置预热期工艺参数。根据我们的经验,预热温度一般 150+ 10℃ ,时间为 60-90 秒左右。

2. 焊盘尺寸

设计片状电阻、电容焊盘时,应严格保持其全面的对称性,即焊盘图形的形状与尺寸应完全一致,以保证焊膏熔融时,作用于元件上焊点的合力为零,以利于形成理想的焊点。设计是制造过程的第一步,焊盘设计不当可能是元件竖立的主要原因。具体的焊盘设计标准可参阅 IPC-782 《表面贴装设计与焊盘布局标准入事实上,超过元件太多的焊盘可能允许元件在焊锡湿润过程中滑动,从而导致把元件拉出焊盘的一端。

对于小型片状元件,为元件的一端设计不同的焊盘尺寸,或者将焊盘的一端连接到地线板上,也可能导致元件竖立。不同焊盘尺寸的的使用可能造成不平衡的焊盘加热和锡膏流动时间。在回流期间,元件简直是飘浮在液体的焊锡上,当焊锡固化时达到其最终位置。焊盘上不同的湿润力可能造成附着力的缺乏和元件的旋转。在一些情况中,延长液化温度以上的时间可以减少元件竖立。

3 .焊膏厚度

当焊膏厚度变小时,立碑现象就会大幅减小。这是由于: (1) 焊膏较薄,焊膏熔化时的表面张力随之减小。 (2) 焊膏变薄,整个焊盘热容量减小,两个焊盘上焊膏同时熔化的概率大大增加。焊膏厚度是由模板厚度决定的,表 2 是使用 0.1mm 与 0.2mm 厚模板的立碑现象比较,采用的是 1608 元件。一般在使用 1608 以下元件时,推荐采用 0.15mm 以下模板。

4. 贴装偏移

一般情况下,贴装时产生的元件偏移,在回流过程中会由于焊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,拉动反而会使元件立起产生 “ 立碑 ” 现象。这是因为: (1) 与元件接触较多的焊锡端得到更多热容量,从而先熔化。 (2) 元件两端与焊膏的粘力不同。所以应调整好元件的贴片精度,避免产生较大的贴片偏差。

5 .元件重量

较轻的元件 “ 立碑 ” 现象的发生率较高,这是因为不均衡的张力可以很容易地拉动元件。所以在选取元件时如有可能,应优先选择尺寸重量较大的元件。

焊接缺陷还有很多,本文列举的只是三种最为常见的缺陷。解决这些焊接缺陷的措施也很多,但往往相互制约。如提高预热温度可有效消除立碑,但却有可能因为加热速度变快而产生大量的焊锡球。因此在解决这些问题时应从多个方面进行考虑,选择一个折衷方案,这一点在实际工作中我们应切记。

第五代真空汽相回流焊

第五代真空汽相回流焊可以在让焊接仓形成一个负压焊接环境,在负压的焊接环境下,焊料的表面张力大为减少,焊料润湿能力可以提升到一个新的水平。

优势总结:

全程抽真空,负压焊接工艺实现;

焊接过程中人工干预控制实现;

八套立体加热模组,全加热系统实现;

焊点温度精准测温的实现;

防止锡珠飞溅缺陷的产生;

彻底杜绝二次污染功能实现;

汽相液体消耗量及小!

 不同类型回流焊接的润湿效果

通过将焊接环境变为负压的焊接环境(所有温区都成为大气压力可以精确控制的过程),我们发现可以完美的解决大部分焊料润湿不良的现象,提高焊点的可靠性。

1、助焊剂污染比较大,清洗后的残留危害大。助焊剂残留中的氯离子和钠离子遇到湿蒸汽会形成盐,腐蚀焊点。造成开路和虚焊的问题。有清洗死角的位置最容易出现问题。

2、目前的回流焊设备焊接过程不可控制。军工产品的特点是种类多,数量少。有些贵重产品没有多余的样品去反复做回流曲线的测试。一旦出现温度曲线参数设置错误或者疏忽,板子在炉子内部的焊接过程是完全无法控制的,会直接导致产品的报废和失效。需要一种新型的回流焊设备,不仅能观察整个焊接的过程(通过可视化的系统和各种传感器),还要能实时干预控制焊接中的各种参数。有了这样的功能,即便是出现人为设置失误,也能在焊接过程中及时发现并及时纠正。保证重点型号的重点产品顺利安全的焊接。

3、目前回流焊设备都有可能发生卡板和烧板的问题,因为炉膛内有高温热风和传动系统以及众多感应器,一旦传动系统和感应器出现小问题,就有可能出现烧板的问题,给单位带来不少的损失。新的回流焊内部没有任何传动系统,产品的焊接都是静止的。不会有卡板和掉板的问题。即便发现人为操作失误导致的焊接温度或者超过要求,也可以使用一键防烧板功能(快速抽真空),保障产品的安全。

正确的回流工艺做法:

  回流焊接技术,事实上并不如许多人所认为的那么简单。尤其是当您要求达到零缺陷和焊接可靠性(寿命)保证的情况下。我也只能暂时在做法上和大家分享经验。

 

  要确保有良好的回流焊接工艺,应该有以下的做法:

 1.了解您PCBA上的质量和焊接要求,例如最高温度要求和最需要在寿命上得到照顾的焊点和器件;

2.了解PCBA上的焊接难点,例如锡膏印刷大于焊盘的部分,间距特小的部分等等;

3.找出PCBA上最热和最冷的点,并在点上焊接测温热耦;

4.决定其他必需接热耦测温的地方,例如BGA封装和底部焊点,热敏感器件本体等等(尽量利用所有测温通道来获得最多信息);

5.设置初始参数,并和工艺规范比较(注九)以及调整;

6.对焊接后的PCBA在显微镜下进行仔细观察,观察焊点形状和表面状况、润湿程度、锡流方向、残留物和PCBA上的焊球等等。尤其是对以上第2点记录下的焊接难点处更要注意。一般而言,经过以上的调整后不会出现什么焊接故障。但如果有故障出现,针对故障模式分析,再针对其机理配合上下温区控制进行调整。如果没有故障,从所得曲线和板上焊点情况决定是否要进行微调优化。目的是要使设置的工艺最稳定以及风险最小。调整时一并考虑炉子负荷问题以及生产线速度问题,以便在质量和产量上得到较好的平衡。

 

以上的工艺曲线的设置调整,必须用实际产品进行才会有把握。使用实际产品的测试板,成本可能是个问题。有些用户所组装的板价格十分昂贵,这造成用户不愿意经常测试温度的原因。用户应该对调试成本和一旦出现问题的成本进行评估。此外,测试板的成本还可以通过使用假件、废板和选择性贴片等做法来进一步节省资源。

 

焊接工艺管制:

  上面我们谈的6个步骤是工艺的设置和调制。当我们对其效果满意后,便可以进入批量生产。由此刻起,工艺管制就十分重要了(注十)。一旦焊接参数(温度、时间、风量、风速、负载因子、排风等)决定了之后,确保这些参数有一定的稳定性是工艺监控的目标。

 

  目前较不理想的,是许多用户对于以上的工艺参数并未进行任何监控。做得稍微好的可能在固定时间段对温度曲线进行认证。做法是使用测试板和测温仪器过炉测量后和原先纪录进行比较。即使如此,这做法上仍然有些缺点。一是测量的频率和时间缺乏科学性的制定,以感性作决策为多。其二是抽样的可靠性偏低。这种做法如果要确保较高的效益,必须配合并建立在对设备有深入的研究和性能认证工作的基础上。

 

  对于从事高质量要求的行业,例如汽车电子、军用品、医疗设备、超级电脑、电力保护等等,以上的抽样式管制是不够的。目前市场上有一种实时监测系统,可以不间断的对炉子内的气流和温度情况进行监测。达到100%的工艺控制目的。唯一不足的,是目前该设计还未能和炉子的温控系统进行闭环整合,所以还是属于一种‘监测系统’而非‘控制系统’。不过这系统已经在工艺管制的领域中带给用户好处。据了解,目前这类技术在欧美使用很多,日本和韩国企业这两年也开始采用,台资企业由于受美国的影响也在近年较多的使用。而唯独中国企业使用得很少。这和采购观念(注十一)以及对技术应用和管理的认识有关。但我觉得只是个认识和学习的过程现象。相信将来中国的企业也会大量使用这门工艺管制技术。我曾对这系统和一些SMT用户交流过,不少用户其实并不了解这技术,常误以为它重复了炉子内部的温度控制功能。事实上炉子内部控制系统一般只监控‘温度’而不监控‘气流’,炉子的回温反应也有一定的延误,绝对不是预防性的。这也就是说,以目前的炉子控制技术来说,炉子本身并不能够保证不会出错。而这实时监测系统,虽然目前也不能预防质量问题的出现,但却有能力告诉用户炉子所不能够提供的故障信息。除了这点,该系统还具备‘风险预测’功能和QA功能。是个值得考虑的工具。

 

设备要求:

  好的回流炉子是确保良好工艺的重要部分。尤其是从事加工服务类的企业CM或EMS行业),因为缺乏对设计方面的控制力,工艺补偿和调整能力便成为成功的关键了。这除了需要掌握类似本文中的工艺知识外,对设备性能的依赖也就越重。怎么样才算是好的回流焊接设备?我们可以从以下特性进行评估。

 

1.加热效率

2.热量稳定性(包括温度和风速、风量)

3.热容量

4.回温速度

5.气流渗透能力

6.气流覆盖面和均匀性

7.风速和风量的可调性和可控性

8.温区间隔绝程度

9.温区的数目

10.  加热区的长度

11.  冷却的可调控性

12.  对排风的要求

 

  从以上的特性中我们不难看到,超出一半的特性是不存在设备的技术指标书中的。而这就是为什么选择一台焊接炉子,是绝对不可能从纸面上的讨论和评估得到保障的。唯一的方法就是对实物进行测试(注十二)。

 

技术整合:

 最后我想再强调一个理念。任何工艺,如果要做得最好,就必须考虑到技术整合。这整合包括了设计(DFM)、设备、工艺、材料。,也包括了技术(如何焊接等等)和做法(质量管制方法等等)及管理(如何建立有效的流程和知识队伍等等)上的整合。和锡膏印刷或贴片等工艺一样,回流焊接也是个系统,一个不如我们许多人想象中那么简单的系统。

 

  我在本文较早时候提到工艺故障和回流温度曲线各工序间的关系。读者该紧记的一点,是这些故障并非都由焊接工艺所引起。SMT故障都是综合性的。,以下我举个例子说明。

 

  在处理J型引脚(例如PLCC和SOJ封装)的组装工艺时,如果出现少锡虚焊故障,并不意味就是个焊接问题。首先我们必须了解J型引脚的特点。J型引脚的结构是上方呈直立,到下方往器件的内部弯(接近半圆,底部和焊盘接触部分稍平)。这种结构在焊接时有几个特点:

1.不容易浮游;

2.直立部分容易吸锡(往上爬升);

3.底部往内弯所形成的夹角有助于焊点的形成(留锡);

4.质量的重点在于器件内部(封装本体下)的填充(fillet)。

 

  了解以上特点后,我们就可以知道如何处理整个焊接工艺了。首先在设计(DFM )上我们必须注意:

 

1.锡膏量不能够太多,适量的锡膏会在熔化时被引脚的夹角‘留’住。太多的锡膏容易助长引脚直立面往上‘拉’锡,而造成少锡问题。

2.由于不容易浮游,即使在器件轻的情况下,引脚材料的选择可以采用60Sn40以外润湿性较差的材料。这有助于防止吸锡现象和增加贴片的光学识别质量和稳定性。

3.焊盘内侧可以稍长,两侧稍窄,外侧稍短。这保证焊点的质量,同时防止吸锡问题。

4.所有焊盘引脚必须加入‘热阻’设计,避免造成‘冷’焊盘;

5.器件周边避免有高的器件以及距离太近;

6.锡膏印刷钢网开口偏内;

7.Ni/Au焊盘镀层为优选。如果因成本采用HASL保护层,裸板交货期短,保持‘新鲜’。(如果钢网稍厚,上述6项中的钢网开口形状最好做微调整)

在工艺上,我们要求:

1.有较高恒温温度容忍性的锡膏;

2.恒温温度设置尽量接近最高点;

3.峰值温度设置尽量接近最低点;

4.采用上冷下热的设置;

5.考虑较缓慢的冷却(补偿3带来的影响)。

 

为了能够支持以上的工艺要求,在设备(回流炉)上我们要求:

 

1.良好的加热效率;

2.良好的气流渗透(气旋)能力;

3.风量/风速可调控

 

   以上的设计、材料、工艺和设备综合考虑,就是‘技术整合’。读者可以看到各方面都有本身的功能和责任,只有这样处理,我们才能有把握做到‘零缺陷’。

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