SMT立碑“曼哈顿”现象的成因与预防措施


摘要

“曼哈顿”现象是由于再流焊过程中无源元件两端焊盘上焊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。本文对影响“曼哈顿”现象的各种因素的作用做了分析,并提出相应的防止措施。

在早期的SMT制造中,“曼哈顿”现象是一个与汽相再流焊(VPR),红外再流(IR)焊有关的问题。

汽相再流焊中,由于升温太快,导致热容量不同的元件两端锡膏没有能同时熔融液化同步润湿而产生“曼哈顿”现象;

红外再流焊中,由于元件两端不同颜色吸收热量不同,导致两端锡膏没有能同时熔融液化同步润湿面产生“曼哈顿”现象。

随着汽相技术和红外技术退出组装工艺,尤其随着强制对流再流焊技术和更先进的加热控制技术的出现,由于其具备充分的预热和较小的温度梯度,“曼哈顿”现象相比较出现的几率减小,几乎消失。

然而随着片式元器件尺寸与质量的不断减小和高温无铅焊料的使用,尤其是在1608 (0603)、1005 (0402)、0603 (0201)、或更小的0402 (01005)元件中,元器件体积小、质量轻,“曼哈顿”现象又以更大的发生率重新出现。

 

SMT立碑/曼哈顿是如何产生的?

原因分析:

  1. 力矩不平衡(不对称润湿等)

  2. 两端受热不均衡

  3. 贴片偏位(元件焊盘搭接PCB焊盘差异)

  4. 印刷偏位(熔融后液锡张力作用于一端)

  5. 锡膏量不对称

  6. 焊盘设计不对称

  7. 异物或氧化导致一端润湿力差

  8. 元件内距与PCB Pad内距不符

  9. 相邻焊盘过孔偷锡或吹孔

  10. 空抛贴片

  11. 油墨突起不均

  12. 钽电容吹气放气现象

  13. ENIG镍层污染或氧化

  14. HASL喷锡较薄,生成劣质合金化IMC

  15. 风墙效应(风机频率有关)

  16. 锡膏发干,助焊剂前期挥发过多(RSS/RTS)

  17. ...

 

  • 润湿机理3要素:

  1. 初始润湿时间;

  2. 润湿力;

  3. 完全润湿时间

 

1.“曼哈顿”现象形成的原因

“曼哈顿”现象也被称为“墓石”、“吊桥”或“立碑”现象,表现为表面组装元件在竖直面内旋转一定的角度,有时可达 90°,完全离开焊盘(如图 1 所示)。

图 1 “曼哈顿”现象
 

“曼哈顿”现象产生的根本原因是元件两端受力不平衡所致,当印刷焊膏在焊盘上时,根据能量最小原理,熔化之后它会自动缩小表面积,减小系统能量。如果想增加其表面积,那么就要把内部分子移到表面上来,这就会增加表面能。当焊膏润滑铺展时,所增加的自由表面能为:

A=average(Fs –Fv)·N[1](1)

其中:average(Fs –Fv)表示表面自由能Fs与体积自由能Fv平均差,N是熔融焊膏表面的分子总数。

把上式改写:σ=(Fs –Fv)·n1 (2)

其中:σ表示增加每1㎝2表面所作的功,称之为表面张力;n1表示每1㎝2表面所含有的分子数。

为了方便起见,上式可写为:σ=F/S (3)

其中:F表示自由能的变化,S表示表面积的变化。

当放置一元器件时,熔融焊膏的表面就会在靠近元器件端部的部位爬升并发生弯曲,由拉普拉斯方程可得液面附加压力:Padd =2σH (4)
其中:H=½(1/R1 + 1/R2)。显然,暴露的表面积不再是1cm2,表面张力也相应地呈比例减小。如果元器件两端熔融焊膏的弯曲程度不一样,那么附加压力就不一样,表面张力也会不同,“曼哈顿”现象就会产生。

2.影响“曼哈顿”现象的因素

除了表面张力的影响外,在实际生产工艺中,“曼哈顿”现象的产生还与众多因素有关。元器件实际受力模型[2]如图2所示。
图 2 元器件实际受力模型
  • 其中:

  • T1=Mgdcos(α+β)元器件重力

  • T2=γωcos(α/2)元件下端溶化焊膏的表面张力

  1. T3=γHsin(α+δ)元器件端部圆角处表面张力

  • T4=LHρgdcos(α+β)惰性气体凝聚物的浮力

  • T5=Adcos(α+β)焊膏的粘结力

  • T6=Mvdcos(α+β)传输振动产生的力

  • T7=Lhρgdcos(α+β)元件下端焊膏中产生气体的最大浮力

  • M=元器件每宽 1mm 的质量

  • g =重力加速度

  • γ=溶化钎料的表面张力

  • ρ=焊接温度时惰性气体的密度

  • Α=焊膏的粘结强度

  • ν=由于振动向上产生的加速度

  • h=印刷焊膏的厚度

T1+T2+T5阻碍“曼哈顿”效应的产生,T3+T4+T6+T7 促使”曼哈顿”效应的产生。在强制热风再流焊中T1到T3始终在起作用,T4不存在,而T5到T7不是始终都存在,T8是伴随元件另一端润湿时产生的阻力。
随着焊膏熔化润湿元器件,粘结强度很快减小,但是当被润湿力代替时,粘结力继续起作用。Y.Anbe 等人经过计算,最小值为 270mgf·mm,不考虑别的力的影响,“曼哈顿”效应就可以被阻止。
T1是个常数,T2和T3在润湿区同时开始增大。当预热进行时,T5随着温度的升高与T2开始替换,但在润湿阶段之后仍然保持,因为芯片元件下边剩余物的粘结力是存在的,但通常T5很小,常被忽略。
当传输带有振动的时候,T6存在。如果预热较高,T7的作用力较小,反之则较大,但总体来说,T7很小。当两端润湿时间不同时,T8的增加将比T2、T3迟。

当元器件另一端焊膏未熔化或离开焊盘时,T8将不存在。

综上所述,不考虑振动,那么“曼哈顿”效应仅仅由T1、T2、T3三个主要力矩而产生,其简化受力图如图 3 所示。
图3 元器件的简化受力图

 

定义Eb为平衡因子,其表达式为:

当Eb>1时,动力距大于阻力距,“曼哈顿”现象将会产生。

对不同元器件进行了试验,得到如图4统计结果[3]。由图可知,元器件越小,质量越轻,就越容易产生“曼哈顿”现象;润湿角越大,润湿性不好就越容易产生“曼哈顿”现象。

3.“曼哈顿”现象的防止措施

从元器件受力情况来分析,最基本阻止“曼哈顿”现象的措施就是控制T1、T2、T3。比如安装比较宽、重的元件,获得较大的阻力力矩T1;设置较小的焊盘伸出长度(s-w),较小动力力矩T3;设置较长的元件下焊盘的长度,让其大于元件金属端的宽度(w),增大力矩T2。选取 4.3mg与 5.6mg的元器件进行试验,结果发现4.3mg的元件发生率高于 5.6mg的元件。
目前出现了一种新的方法,就是使用电磁力作为一种人工附加力矩来阻止”曼哈顿”现象的产生,此方法已经申请专利。
图 4 各种元器件及润湿角与“曼哈顿”现象的关系
 
焊膏溶化开始润湿,有三个重要参数:开始润湿的时间、润湿力和完全润湿时间。完全润湿发生的快慢与“曼哈顿”现象有直接的影响,因为润湿时作用在焊点和元件上的作用力是最大的。在理想的情况下元件两端将同时再流、润湿和形成焊点。这种方式中,润湿和焊料表面张力将一齐作用,相互抵消。反之,元件的一端比另一端明显地先达到完全润湿,元器件两端受力不均,过多的焊料施加在元件的金属化端面上的润湿力将有能力“抬起”元件,使未再流的元件端向上离开焊盘。

引起元器件两端润湿时间不同、受力不均的主要因素有以下几点[4,5]:

(1)热容

无源元件两端焊点的热容对“曼哈顿”现象的发生有着直接影响。两端焊料不相等的热容必定引起“曼哈顿”现象,因为低热容的焊料将很快被再流、润湿,导致很快在元件上施加作用力。无源元件两焊点热容的差异由下列因素引起:

z焊盘热容

焊盘的尺寸越大,熔融焊料的表面积越大,对表面张力的影响也越大。尽管规定了各种元器件类型的推荐焊盘尺寸,但容差没有被规定,因此焊盘尺寸的变化最大,变化的容差会对焊盘热容产生极大的影响。另外,焊盘尺寸和容差应与贴装精度有关,焊盘尺寸/热容的不成比例与元件有很大关系。推荐的焊盘尺寸值见图 5 和焊盘尺寸表 1。
焊盘尺寸减小,可以减小”曼哈顿”现象,因为这样焊盘两端热容小,易达到同时溶化。因此,我们常通过减小焊盘尺寸 A、D 来降低发生率。但是当 A<0.7mm时,随着 c 的减小,“元件偏移”缺陷发生率就会增加。
另外若片式元件对的焊盘形状不同或不对称或可焊性有差异,也会引起印刷的焊膏量不一致,元器件两端热容不同。焊盘的宽度或间隙过大,也都可能出现立片现象。严格按标准规范进行焊盘设计是解决该缺陷的先决条件,焊盘设计可以参照 IPC-SM-782/IPC-7351 等标准。

z元器件端的热容

元件端的热容与元件类型和外形有关,端子热容的变化直接影响再流焊的加热速度率和时间。这些容差可以表示为标称值,但他们是相对值。因为元件越小,有关焊盘尺寸、金属化面及贴装精度的容差变得越重要。推荐的容差见图 6 和焊盘容差表 2。
图 5 元件尺寸
 
图 6 焊盘尺寸
表 1 推荐的焊盘尺寸
元器件类 型
推荐的印脚(mm)
贴装精度
A
B
C
D
E
F
0201
0.75
0.23
0.23
0.31
   
±0.15
0402
1.50
0.50
0.50
0.60
1.00
1.90
±0.15
0603
2.10
0.90
0.60
0.90
1.45
2.35
±0.25
0805
2.60
1.20
0.70
1.30
1.90
2.85
±0.25
1206
3.80
2.00
0.90
1.80
2.25
4.05
±0.25
 
表 2  推荐的焊盘容差
 
元件类型
元器件外形线(mm)
L
W
H
T
标准
容差
(+)
容差
(+)
标准
容差
(+)
容差
(+)
最小
最大
最小
最大
0201
0.60
0.03
0.03
0.30
0.03
0.03
0.30
     
0402
1.00
0.02
0.10
0.50
0.02
0. 10
0.30
0.40
0.15
0.30
0603
1.60
0.10
0.10
0.80
0.05
0. 15
0.35
0.55
0.10
0.50
0805
2.00
0.15
0.15
1.25
1. 15
1. 15
0.50
1.70
0.20
0.60
1206
3.80
2.00
0.90
1.80
2.25
4.05
0.50
1.70
0.25
0.75
 
. 印刷焊膏的体积差
焊膏沉积量越少,整个焊盘的热容越小,再流速度越快,两个焊盘上焊膏同时溶化的几率大大增加,从而减小”曼哈顿”现象的发生率。另外,焊膏种类不同、活性不同、助焊剂的均匀性和活性有差异,两个焊盘上的焊膏厚度不一致,都会影响“曼哈顿”现象发生率。

通常,在焊膏方面做工作,可部分地消除“曼哈顿”现象或至少在很大程度上降低“曼哈顿”现象的产生。一般来讲,使用双熔点非共晶焊膏,固液悬浮液有较高的粘度,可通过机械的方式阻止元器件的角度影响,抵消表面张力,还可以延长完全润湿时间,减小△T,从而降低发生率[6]。

(2)基板材料

一般纸基环氧板中发生率最高,其次是玻璃环氧板,矾土陶瓷板最低。这是因为不同的基板,导热系数和热容量不同。
 

(3)SMT 设备的温度均匀性

再流焊生产工艺中,较大ΔT容易产生“曼哈顿”现象,这是因为其会导致一 端先到达焊膏熔点而熔化,而另一端未熔,溶化一端的表面张力会拉动元器件竖起,产生”曼哈顿”现象[7],如图 7 所示。提高再流焊炉的温度控制能力,减少PCB 板面横向温度差△T(±2℃之内),减小温度梯度,可以有效地降低“ 曼哈顿”现象的发生率。
图 7  温度差△T 造成焊膏的不同时溶化
 

(4)预热温度

预热温度越高,时间越长,发生率越低,这是因为到达焊膏溶化温度时,元件两端产生的温差减小,溶化时间接近。但是温度过高,时间过长,助焊剂的劣化就严重,助焊性就越差,焊接缺陷就越多。

 

(5)贴装精度

贴装精度差,元件端相对于焊盘有明显的位移,引起热容量混乱,导致较大的 ∆T 。一般情况下,贴装时产生的元件偏移在回流过程中由于焊膏溶化时的表面张力,拉动元件而自动纠正,我们称之为“ 自适应”。但是偏移过重,元件两端向焊膏传递的热量不平衡,导致一边的焊膏先熔化,元件两端与焊膏的粘着力不平衡,在表面张力的作用下,粘力小、未溶化的一端就被拉起。另外贴片时不但要 X ,Y 轴要对准,而且还要 Z 轴对准,保证两端浸入焊膏深度一样。

 

通过试验,对元器件质量,基本材料,焊膏种类,预热温度,焊盘尺寸等因素对“曼哈顿”现象的影响进行了统计分析[8] ,如图 8 所示。

(6)元件排列方向的设计

我们设想在再流焊炉中有一条横跨炉子宽度的再流焊限线,一旦焊膏通过它就会立即熔化,片式矩形元件的一个端头先通过再流焊曲线(图 9-b),焊膏先熔化,完成浸润元件端头的金属表面,具有液态表面张力;而另一端未达到液相温度,焊膏未熔化,只有焊剂的粘接力,该力远小于再流焊焊膏的表面张力,因而使未熔化一端的元件端头向上直立。因此,应保持元件两端同时进入再流焊限线(图 9-a),使两端焊盘上的焊膏同时熔化,形成均衡的液态表面张力,保持元件位置不变。

图 8  影响因素与发生率的分布
 
图 9  元器件排列方向

7)N2保护的作用

焊盘/端子表面越清洁和无氧化物,界面的张力将越低,润湿将更快地完成。当两焊点表面氧化程度相同时,一些氧化物将延迟初始润湿。延迟的初始润湿时间为大焊盘/端子提高温度提供了更多时间,因此减小了∆T。∆T越小,初始润湿时间差异越小。由于N2在预热和再流焊接时防止了金属表面的氧化,因而它有助于加速初始的润湿。较快初始润湿不提供更多的时间来减少ΔT。当无源元件的两个端子润湿性不同时,就会发生“墓石”现象,因为更可焊的端子将很快地达到完全润湿。通常当元件端子的金属化被损坏、被不良电镀、被污染或减小了可润湿的表面积等,会影响润湿性。
“ 曼哈顿”现象是一种可防止的缺陷,分析它的成因并从以上八方面认真对 待,将减少“曼哈顿”现象的发生,从而提高组件成品率,降低缺陷率, 减少返修。

关键词:

生产环境

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