摘要

0201、01005微型片式元件立碑是SMT焊接過(guò)程常見(jiàn)的工藝缺陷，特別是隨著電子產(chǎn)品的微型化，立碑問(wèn)題越來(lái)越突出，本文系統(tǒng)介紹了片式元件立碑的機(jī)理及主要影響因素，提出了通過(guò)設(shè)計(jì)、工藝、設(shè)備、管理的優(yōu)化來(lái)系統(tǒng)解決立碑缺陷的主要措施。

前沿

電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是功能越來(lái)越多、重量越來(lái)越輕、價(jià)格越來(lái)越低、密度越來(lái)越高，對(duì)元器件的要求則是越來(lái)越微型化，這不僅表現(xiàn)在諸如BGA、CSP、QFP等封裝形式的有源器件的尺寸減小、引腳間距變小，電容和電阻之類(lèi)的分立元件的尺寸也在相應(yīng)減小，電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)器件和PCB帶來(lái)的新挑戰(zhàn)。

由于智能手機(jī)等移動(dòng)終端類(lèi)產(chǎn)品的多功能化、高密度化發(fā)展趨勢(shì)，使得手機(jī)內(nèi)部的元器件貼裝密度迅速增加，微型片式元件的使用量在加大。目前智能手機(jī)上MLCC、Chip-R、片式電感器的用量激增。

隨著這些0402（1mm*0.5mm）、0201（0.6mm*0.3mm）甚至01005（0.4mm*0.2mm）微型封裝元件使用的迅速增加，以及布局密度的不斷提高，組裝難度不斷加大，使得微型片式元件組裝所面臨的加工缺陷成為電子組裝中的主要挑戰(zhàn)，而微型片式元件最常見(jiàn)的缺陷之一便是立碑。

圖 元件微型化趨勢(shì)

立碑工藝缺陷的機(jī)理分析

立碑在電子制造行業(yè)內(nèi)被稱(chēng)為"墓碑(tombstoning)、吊橋(drawbridging)、石柱(stonehenging)和曼哈頓(Manhattan)"現(xiàn)象，都是用來(lái)描述如圖3所示的片式元件焊接工藝缺陷的形象說(shuō)法，此類(lèi)缺陷的典型特點(diǎn)就是元件的一端在回流焊過(guò)程中翹起一定角度。

在早期的SMT焊接過(guò)程中，立碑現(xiàn)象是與氣相回流焊、紅外回流焊工藝強(qiáng)相關(guān)的工藝缺陷。在氣相回流焊接中，立碑的主要原因是由于元件升溫過(guò)快，升溫時(shí)沒(méi)有一個(gè)均熱的過(guò)程再達(dá)到焊膏融化，導(dǎo)致熱容量有差異的元件兩端的焊膏不是同時(shí)熔化的，所以器件兩端的潤(rùn)濕力不平衡導(dǎo)致立碑現(xiàn)象發(fā)生。

對(duì)紅外回流焊接來(lái)說(shuō)，焊盤(pán)、焊膏、焊端顏色的差異都會(huì)導(dǎo)致吸收熱量的不同，從而引起兩端焊膏不同時(shí)融化造成的器件兩端潤(rùn)濕力不平衡則引起立碑。

隨著片式元件焊端質(zhì)量的提高、熱風(fēng)回流焊的廣泛使用以及對(duì)回流曲線的優(yōu)化研究，立碑現(xiàn)象逐漸減少，已經(jīng)不是SMT組裝過(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題了。

但是，近年隨著電子元件微型化，特別是移動(dòng)終端類(lèi)產(chǎn)品中0402、0201、01005封裝器件的大量使用，立碑缺陷又成為SMT工藝的一個(gè)主要缺陷，對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量、直通率、返修成本都產(chǎn)生了很大的影響。

從機(jī)理上來(lái)分析，立碑缺陷產(chǎn)生的本質(zhì)原因是器件兩端的潤(rùn)濕力不平衡，當(dāng)一端的潤(rùn)濕力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩超過(guò)了另一端潤(rùn)濕力及器件重力聯(lián)合作用的力矩時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用下把元件一端提升起來(lái)了，元件的受力過(guò)程如圖4所示。

圖 立碑現(xiàn)象的力學(xué)分析

圖a為元件貼片后、回流焊前的器件受力狀態(tài)，圖4b為回流焊接中立碑時(shí)器件的受力狀態(tài)，貼片后、回流焊接前器件受元件兩端的粘結(jié)力、支持力F1、F2及重力的作用，焊接過(guò)程立碑發(fā)生時(shí)器件在拉起端的粘結(jié)力T2、器件重力T3及融化端的潤(rùn)濕力T4、T5綜合作用下產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，此時(shí)T4對(duì)焊端支撐點(diǎn)產(chǎn)生的力矩大于T2+T3+T5對(duì)焊端支撐點(diǎn)產(chǎn)生的力矩之和，即：

M(T4)>M(T2)+M(T3)+M(T5) （1）

由圖可知，元器件越小，重量越輕，就越容易產(chǎn)生立碑現(xiàn)象。

圖中各個(gè)參數(shù)的意義：

T1、T2 元件焊端的粘結(jié)力

F1、F2 元件焊端受到的支持力M

(T2) 元件焊端的粘結(jié)力T2產(chǎn)生的力矩

T3 元件的重力

M(T3) 元件的重力T3產(chǎn)生的力矩

T4 元件端部的潤(rùn)濕力

M(T4) 元件端部的潤(rùn)濕力T4產(chǎn)生的力矩

T5 元件焊端底部的潤(rùn)濕力

M(T5) 元件焊端底部的潤(rùn)濕力

T5產(chǎn)生的力矩

影響片式元件立碑的因素

焊盤(pán)設(shè)計(jì)對(duì)立碑缺陷形成的影響

元件的焊盤(pán)尺寸越大，熔融焊料的表面積越大，對(duì)焊端產(chǎn)生的潤(rùn)濕力也越大，對(duì)立碑產(chǎn)生的影響也越顯著。IPC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊盤(pán)尺寸的設(shè)計(jì)有推薦的建議，但是同一類(lèi)型的器件各個(gè)廠家的尺寸存在差異。

如圖所示，對(duì)立碑現(xiàn)象影響最大的兩個(gè)焊盤(pán)尺寸是W與S，W大于S時(shí)端部潤(rùn)濕力產(chǎn)生的力矩比W小于S時(shí)產(chǎn)生力矩小，立碑發(fā)生的機(jī)率就小。因此在設(shè)計(jì)階段要關(guān)注焊盤(pán)的尺寸，綜合器件的尺寸得到合理的焊盤(pán)設(shè)計(jì)，從而有效減少立碑的發(fā)生。

圖 影響立碑的焊盤(pán)尺寸

焊膏印刷對(duì)立碑缺陷形成的影響

當(dāng)焊膏印刷出現(xiàn)偏差，焊膏沒(méi)有準(zhǔn)確地印刷在焊盤(pán)上，如圖6所示，上部焊盤(pán)的錫膏印刷出現(xiàn)了偏位，貼片后器件端子沒(méi)有與焊膏良好接觸，在回流爐中進(jìn)行回流焊接時(shí)，焊膏就不會(huì)向元件焊端爬錫，器件的兩端一邊有潤(rùn)濕力而另一端沒(méi)有潤(rùn)濕力，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的力矩不平衡，沒(méi)有與焊膏接觸的一端被拉起來(lái)而出現(xiàn)立碑。

圖所示是比較嚴(yán)重的印刷不良，有時(shí)是由于印刷效果不好，導(dǎo)致焊盤(pán)兩端的焊膏量差異比較大，這時(shí)在回流焊接時(shí)兩端的潤(rùn)濕力也會(huì)有較大的差異，當(dāng)差異達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致立碑的發(fā)生。

圖 焊膏印刷偏位導(dǎo)致元件立碑

貼片精度對(duì)立碑缺陷形成的影響

如果貼片機(jī)的貼片精度差，貼裝過(guò)程中元件端相對(duì)于焊盤(pán)有較大的偏位，元件兩端與錫膏接觸面積不同，焊膏融化時(shí)元件兩端的潤(rùn)濕力不平衡，導(dǎo)致立碑發(fā)生。

更為嚴(yán)重時(shí)元件貼放偏位較大，元件一端與錫膏未接觸上，回流焊接時(shí)，元件兩端潤(rùn)濕力嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致立碑出現(xiàn)。因此對(duì)于微型片式元件，貼片精度必須保證，特別是隨著0201、01005器件的大量使用，越小的器件對(duì)各類(lèi)誤差越敏感。

圖 元件貼放偏位對(duì)立碑缺陷的影響

回流溫度曲線對(duì)立碑缺陷形成的影響

回流焊接溫度曲線對(duì)立碑的產(chǎn)生也有較大的影響，如果溫度曲線設(shè)置不當(dāng)，比如升溫速率過(guò)快、預(yù)熱時(shí)間過(guò)短等，這就會(huì)在回流時(shí)造成器件兩端存在較大的溫差，嚴(yán)重時(shí)器件一端的焊膏已經(jīng)融化了，而另一端還沒(méi)有融化，這時(shí)由于兩端潤(rùn)濕力的不平衡會(huì)導(dǎo)致器件立碑。

圖所示就是因?yàn)閮啥撕父嗟臏囟扔休^大差異，焊料沒(méi)有同時(shí)融化而出現(xiàn)潤(rùn)濕力不平衡引起的立碑的示意圖。

圖 回流溫度曲線設(shè)置不合理導(dǎo)致立碑

材料可焊性對(duì)立碑缺陷形成的影響

器件焊端的可焊性不一致，比如一端可焊性好，一端可焊性差，當(dāng)回流焊接時(shí)，融化的焊料對(duì)可焊性差的焊端的潤(rùn)濕力就會(huì)小于可焊性好的焊端，這樣兩端就會(huì)出現(xiàn)較大的力不平衡，導(dǎo)致立碑發(fā)生。

如果PCB焊盤(pán)的一端可焊性差，而另一端可焊性良好，當(dāng)回流焊接時(shí)，對(duì)于可焊性差的一端，融化的焊料就會(huì)被器件焊端吸走，這樣可焊性差的一端的焊盤(pán)對(duì)器件的潤(rùn)濕力就很小，而可焊性良好的一端焊盤(pán)對(duì)器件的潤(rùn)濕力就會(huì)較大，此時(shí)依然會(huì)由于潤(rùn)濕力的不平衡而出現(xiàn)立碑。圖9所示為片式元件焊端存在可焊性差異，造成的立碑缺陷。

立碑工藝缺陷的解決措施

立碑缺陷是一種可以防止的工藝缺陷，分析它的形成機(jī)理,總結(jié)根本原因和影響因素，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、工藝調(diào)制、設(shè)備改進(jìn)可以減少立碑的發(fā)生，提高組裝過(guò)程的直通率、降低缺陷率、減少返修，從而提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

當(dāng)我們對(duì)立碑缺陷的機(jī)理有了充分的認(rèn)識(shí)后，可以梳理出造成立碑的主要原因圖所示：

圖 造成片式元件立碑缺陷的主要影響因素

對(duì)應(yīng)機(jī)理分析和主要原因，我們就可以整理出防止立碑發(fā)生的常見(jiàn)措施：

提高DFM設(shè)計(jì)水平，特別是焊盤(pán)設(shè)計(jì)要合理：焊盤(pán)超出片式元件端子的延伸部分要適當(dāng)，不能過(guò)大；焊盤(pán)的寬度要合適，超出器件寬度的焊盤(pán)，在回流融化時(shí)會(huì)使器件飄移，出現(xiàn)立碑的機(jī)率會(huì)增大；

保證錫膏印刷位置精度要求和兩端焊膏量的一致；

保證元件貼放位置精度要求；

回流曲線設(shè)置合理：適當(dāng)?shù)纳郎厮俾逝c預(yù)熱時(shí)間，避免過(guò)快的升溫速率和較短的預(yù)熱時(shí)間；

保證材料的良好可焊性：元件焊端和PCB焊盤(pán)以及焊膏都要具有良好的可焊性。

誤差控制：包括器件焊端的尺寸誤差、PCB焊盤(pán)的尺寸誤差，越小的器件對(duì)誤差越敏感。

總結(jié)

隨著040、0201、01005等微型片式元件在電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，立碑缺陷的分析與解決成為困擾SMT工程師的一個(gè)主要問(wèn)題。

本文從微型片式元件立碑缺陷形成的機(jī)理分析入手，通過(guò)對(duì)影響立碑的各種因素的分析，提出了解決立碑缺陷的各種措施，對(duì)于解決SMT組裝過(guò)程中片式元件的立碑這種工藝缺陷的有一定的指導(dǎo)意義。

作者介紹

王文利 博士、博士后、教授，西安電子科技大學(xué)電子可靠性（深圳）研究中心主任，雅時(shí)國(guó)際商訊顧問(wèn)。

審核編輯：湯梓紅