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SMT立碑“曼哈顿”现象的成因与预防措施
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。
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。
SMT立碑/曼哈顿是如何产生的?
原因分析:
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力矩不平衡(不对称润湿等)
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两端受热不均衡
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贴片偏位(元件焊盘搭接PCB焊盘差异)
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印刷偏位(熔融后液锡张力作用于一端)
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锡膏量不对称
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焊盘设计不对称
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异物或氧化导致一端润湿力差
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元件内距与PCB Pad内距不符
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相邻焊盘过孔偷锡或吹孔
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空抛贴片
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油墨突起不均
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钽电容吹气放气现象
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ENIG镍层污染或氧化
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HASL喷锡较薄,生成劣质合金化IMC
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风墙效应(风机频率有关)
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锡膏发干,助焊剂前期挥发过多(RSS/RTS)
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...
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润湿机理3要素:
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初始润湿时间;
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润湿力;
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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)。
A=average(Fs –Fv)·N[1](1)
把上式改写:σ=(Fs –Fv)·n1 (2)
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。
2.影响“曼哈顿”现象的因素
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其中:
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T1=Mgdcos(α+β)元器件重力
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T2=γωcos(α/2)元件下端溶化焊膏的表面张力
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T3=γHsin(α+δ)元器件端部圆角处表面张力
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T4=LHρgdcos(α+β)惰性气体凝聚物的浮力
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T5=Adcos(α+β)焊膏的粘结力
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T6=Mvdcos(α+β)传输振动产生的力
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T7=Lhρgdcos(α+β)元件下端焊膏中产生气体的最大浮力
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M=元器件每宽 1mm 的质量
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g =重力加速度
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γ=溶化钎料的表面张力
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ρ=焊接温度时惰性气体的密度
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Α=焊膏的粘结强度
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ν=由于振动向上产生的加速度
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h=印刷焊膏的厚度
当元器件另一端焊膏未熔化或离开焊盘时,T8将不存在。
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。
3.“曼哈顿”现象的防止措施
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
z焊盘热容
z元器件端的热容
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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
(3)SMT 设备的温度均匀性
(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。
(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。
7)N2保护的作用