最近有网友询问关于电阻、电容这类SMD小零件(small chip)有空焊(solder empty)的问题。明明已经一再的检查过所有回焊炉温度(Reflow Profile)设定并确认无误,可是还是经常发现这类电阻电容有空焊的情形发生,而且还出现在固定位置,观察焊锡的状况也未发现non-wetting或de-wetting的情形,百思不得其解?
其实这类零件空焊的问题并没有那么难理解啦!它的生成原因就跟立碑(tombstone)的原因是一样的,说穿了就是
零件两端的锡膏融化时间不一致,
最终造成受力不均,以致一端翘起的结果。
如果仔细观察出问题PCB上的铜箔佈线,通常可以发现在这类零件的某一端有连接着大片的铜箔,而另外一端则没有。通常PCB在进入Reflow炉子并开始加热时,越是表面的铜箔,其受热的程度会越快,也就是会比较快到达回焊炉内的环境温度,而越内层的大片铜箔的受热则会较慢,也就是会比较慢到达回焊炉内的环境温度,当零件一端的锡膏比另一端较早融化时,就会以锡膏先融化的这端为支点举起零件,造成零件的起另一端空焊,随着锡膏融化的时间差越大,零件被举起的角度就会越大,最后形成完全立碑(tombstone)的结果。
有兴趣深入研究立碑真正形成原因的朋友可以从力学的角度切入,当一端的拉力高过另一端时,应该还要在加上零件重量并计算其重心位置,就可以一端为支点将零件的另一端举起。
下面两张图是苦主发生空焊的图片,经苦主同意放上来给加大家讨论参考,也欢迎大家提供意见。
解决这类立碑空焊的方法有:
- 透过设计解决
✔可以在大铜箔的端点处加上【热阻 (thermal relief)】设计来减缓温度散失过快的问题。
✔缩小两端焊垫的内距尺寸,在不造成短路的情况下尽量缩小两端焊垫间的距离,这样可以让较慢融锡一端的锡膏有更大的空间可以黏住本体免于立起,也就是增加立碑的难度。
✔两端焊垫有一端採用SMD焊垫设计,而另一端採用NSMD时,就容易出现两端焊垫尺寸不一样大,0402以上的零件可能还好,但0201以下的零件就可能出现锡膏量配合不上焊垫大小的问题,融锡时两端拉力不一致导致立碑的情形。 - 透过制程解决
可以提高回焊炉浸润区的温度,让温度更接近融锡温度。也可以减缓从浸润区进入回焊区(soak to ramp)升温的速度。目的就是要让PCB上所有铜箔及电子零件的温度都能达到一致,然后同时融锡。(※请注意:随意调整回焊炉的温度曲线可能引起其他问题,请参考【回流焊的温度曲线 Reflow Profile】一文。) -
停用「氮气(N2)」
如果回焊炉中有开氮气,可以评估关掉氮气试看看,氮气虽然可以防止氧化、帮助焊锡,但它也会加快融锡后润湿的速度,造成部份焊点提前润湿,恶化了两端吃锡的时间差,最终让两端的力距差异过大终致形成立碑问题。
建议延伸阅读:SMT回焊炉加氮气(N2)的优缺点探讨 -
钽质电容材料不良
某些钽质电容(tantalum electrolytic capacitor)本身制程不良残留有未完全分解的Mn(NO3)2其生产过程中,并在无铅回焊高温的210~250°C时分解释放出NO2气体,并吹飞吹歪本身及周遭的零件。
Mn(NO3)2 = MnO2 + 2NO2 ↑
如果碰到这样的问题,最好的方法就是更换钽质电容,否则必须事先过一次回焊的高温。
这里有一份简体字关于钽质电容吹气的理论(pdf)研究的文章可以参考。
其他注意事项:上述空焊及立碑的发生,只是众多可能原因之一,下列项目也都是可能引起立碑的可能原因:
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零件或焊垫的单边氧化
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零件摆放偏移
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Feeder(飞达)不稳导致吸料不准
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锡膏印刷偏位。锡膏印刷偏位还要考虑拼板(Panelization)的问题,拼板越多越大,印刷偏位的机率就越高。
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焊点两端的锡膏印刷量差异太大。零件越小时,其锡膏量的印刷精度(Cp)就越难管控,尤其是01005的片式零件(chip components)因为钢板的开孔(aperture)缩小,落锡量会变得更难管控。可以考虑採用号数大一号的锡粉,或是更高级加工方法的钢板(垂直剖面粗糙度低)来增加落锡量。
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置件机精度不佳
其次,在同样的情况下,电容(C)会比电阻(R)更容易发生立碑断路的问题,这是因为电阻的端子上只有三面镀有焊料,而电容则有五面镀有焊料,多了左右两个侧面,再者电容一般比电阻来得厚,重心也就比较高,同样的力距下也就比较容易被举起。
下面是188金宝搏苹果下载 在网路上搜寻到的一些立碑、空焊发生的影片,请自行参考瞭解形成的原因。
下面的影片显示:电容的一端先融锡,另一端后融锡造成的墓碑。
下面的影片显示:电容的一端先融锡,另一端后融锡造成的墓碑。
下面的影片显示:电容置件偏移,虽然同时零件两端融锡,但是零件偏移后造成一端的吃锡面积比另一端大很多,两边拉锡的力道不平均,超过了零件重心的力量后「墓碑」就产生了。
以上三个影片立碑的支点都是锡膏先融化的一端,可是下面这个影片则是以另外一端为支点,蛮值得推敲。从影片中可以看到锡膏先融化的一端似乎未能即时与零件端点上的焊料融合在一起,以致被另一端融化的锡膏后来居上,最终造成立碑的问题。
延伸阅读:
影片:BGA 回流焊焊接过程
零件掉落与端点使用银镀层的关系?
无铅喷锡板(HASL)上锡不良资料收集
电路板上常见的焊锡缺点中英文对照与解释
PCB及电子零件焊锡吃得好不好(润湿、不润湿、缩锡、退润湿)的原理是什么?
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Hi 版大大:
0201 pad 上有钻孔..立碑产生时会往哪边倾斜..钻孔还是非钻孔边…
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ivy,
这个没有从哪一边翘起,建议先了解立碑的原理。
少锡的那一边、温升较慢的那一边都较容易翘起。
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请问版大如果零件过迴焊炉转向180度的原因 是否有影片能提供呢
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Sorry 没有!
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Hi 版大
之前也有遇过这样的立碑问题
刚好去参观打件厂,刚好就看到
对方解释说是电件太小(0201)
如果PAD之间的GAP太大容易会有这样问题
而且我们本来设计是0402的PAD,结果焊0201
所以PAD面积画小也能改善立碑问题
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Scott;
0201打在0402的焊垫本来就容易出现立碑的问题,
这是因为只要零件稍微往一边偏移,就会吃不到锡,
或是一边吃到比较多锡,而一边吃到比较少的锡,
最后造成应力不一致。
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