资深工艺专家李志求：SMT立碑问题的原因分析及改善

失效分析 赵工 半导体工程师 2024-02-02 13:39 发表于北京

本期带来SMT资深工艺专家李志求讲授SMT立碑问题的原因分析与改善的精彩课程，李老师在SMT设备、工艺制程、品质管理工作领域拥有超15年经验，擅长采用QC TOOLS解决SMT中的典型工艺制程问题，希望大家在阅读后能有所收获…

各位同行大家晚上好。今天很高兴和业界朋友一起分享SMT立碑问题的一个原因分析与改善。

我是李志求，目前在东莞新能德科技公司任SMT资深工艺专家，本人从事SMT设备工艺制程和品质管理将近15年，在SMT业界包括品质方面获得过一些证书。在工作10多年来，在SMTA等专业杂志和媒体上都是发表学术论文，擅长SMT的工艺制成分析以及新工艺新技术的导入，擅长采用QC的工具和TOOLS工具解决SMT典型的工艺问题。将理论和实践结合的比较深，能够深入浅出，结合实际现场，解决SMT生产过程中存在的一些问题。平时喜欢打乒乓球和羽毛球，在乒乓球方面确实有一定的专业水准，曾参加过两次湖南省大学生运动会，这就是我以往的工作经历，请各位同行多多包涵。

为什么会有这门课呢？目前随着电子元器件封装技术、电子产品日新月异的发展，电子产品已经向小型化和高功能化发展，轻薄短小是未来全世界消费类电子产品发展的趋势，特别是0201、01005等器件已经大规模在PCBA上应用，特别是像便携式、穿戴式的产品，这类封装器件的量小质轻，在SMT公司中容易产生立碑不良，已经成为SMT课题中急需解决的问题。通过本门课我们要达到三个目标：第一，深层次定位SMT工序过程中产生立碑的原因和机理；第二，SMT立碑不良产生的具体原因和过程；第三，立碑不良的改善方向和具体方法。

通过本次分享交流后，希望同行能够理论联系实际，明白立碑产生的原因，针对现场出现SMT的立碑问题，能够高效快速解决，在新产品导入时能够有效评估焊盘设计是否满足DFM的要求。通过SMT的工艺制程、钢网开孔、物料选型、元件贴装、炉温曲线的设计能够有效进行防立碑的评估和改善处理。

本课程分为如下四大部分：第一，立碑的一个定义；第二，立碑产生的原因；第三，立碑问题的一个改善方向；第四，通过前面的一个分享，我们一起来讨论一下，一起讨论、分享、进步。下面正式开始课程。

第一章节立碑的定义，什么叫立碑？

起初从他的名字定义来说其实很形象，像家里的老人逝世的时候，我们会给他搞个坟墓，坟墓的话会立一个碑，就很形象的定义了立碑形象。从书面角度来说，就是矩形片式元器件的一端焊接在焊盘上，而另一端翘立这种现象就是立碑。引起这种现象主要原因是在锡膏融化时元件焊盘两端受到张力不均匀所致。

立碑又称吊桥曼哈顿现象，关于曼哈顿现象的介绍，如图我就不详细讲解了。

其次从曼哈顿高楼的这张图里，我们可以很形象的看出为什么把它比喻成曼哈顿立碑。

如下是立碑的三种存在现象和形式：第一种，直接90度立碑；第二种，有轻微的一个角度，轻微的立碑现象；第三种，30度以上到75度的一个立碑角度。从焊接上来定义，其实立碑是属于严重的虚焊、空（假）焊。

下面开始讲解课程的第二部分：立碑产生的原因。

下面课程会在立碑产生的原因方面进行详细的讲解。

我们首先对立碑的受力进行分析，为什么会产生立碑？曾在报告上来说：T1+T2小于T3就会导致产生立碑。T1是元件的重力，T2是零件下方的熔锡时零件向下的张力，T3锡垫上零件外侧熔锡会使零件有个向上的受力，T1加T2小于T3的时候将会产生立碑。

立碑一般通常发生在CHIP元件，目前的话主要是0201和01005。立碑的现象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很多，我们将通过下面的章节对这些因素进行简要的分析。

立碑产生的原因有哪些呢？第一，PCBA的组件加热不均匀；第二，组件设计不足的问题；第三，PCB基板材料、设计厚度的问题；第四，焊盘的形状可焊性问题；第五，锡膏本身的性质问题；第六，焊接时预热恒温的温度；第七，贴片机的贴装精度和稳定性问题。

第一项，加热不均匀。当我们使用的回流炉的内部分布不均匀、板面分布不均匀的时候，将会产生立碑。解决方法如下：交流不均匀主要是通过回流炉本身性能的提升，另外通过PCB的布局设计，尽量考虑到阴影效应和风墙效应。回流炉大概在5年前一般会使用七温区、八温区的国产回流炉。目前的话，一般的电子产品都使用十温区、十二温区的回流炉，这样回流炉炉腔的加热稳定性、均匀性效果更好，可以规避回流焊接时加热不均匀的问题而引起的立碑。

第二项，PCBA组件设计问题，组件问题主要是有两种。第一，焊接端的焊盘对于外形和尺寸两端差异较大，第二，组件重量太轻，所谓量小质轻。质量小，重量轻。有如下三种改进方法：第一，选择合适的物料；第二，改进PCB的焊盘设计；第三，通过优化钢网开孔设计来解决这些问题。

这是我们之前做的一个验证，明显重量小的组件，竖碑发生的几率就会更高。

第三项，基板的材料和厚度。第一，PCB基板的材料导热性太差，其中焊盘的一端有大型焊盘设计，焊盘两端肯定是有一定的温度差异，这种设计存在产生立碑的较大风险；第二，一般的PCB厚度均匀性太差，PCB一端太厚、另外一端太薄，最后与PCB板材的CTE热膨胀系数有一定的关系。解决方法如下，选择合适的板材、选择有一定加工能力的PCB板厂。这是我们采购和DFM评审需要关注和评估的地方。

现在是通过一个大数据分析得出的比例，从上图中可以看出立碑与基板存在一定关系，目前普遍的FR4预防效果还算比较理想。

第四项，焊盘的形状和可焊性。如果焊盘的设定容量差异太大，焊盘的可焊性差异较大，它们的设计一个大一个小，它们的一端采用阻焊定义SMD开窗，另外一端采用非组焊定义NSMD开窗，那么就会存在产生立碑的风险。有什么解决办法呢？PCB设计时它们进行对称且形状符合生产工艺要求，使两端尽量采用相同方式的开窗设计方式，这样从所有的PCB设计上我们就可以规避立碑的产生。

如下是我们之前进行的一个实验验证，大家可以进行参考。

第五项：锡膏。锡膏和立碑有什么关系？第一，当锡膏中的助焊剂均匀性或者是活性较差的时候，容易产生立碑；第二，两个焊盘上的锡膏厚度差异太大，或者一端厚、一端薄，肯定也会容易产生立碑；第三，印刷偏位，错位严重。当PCB有一定涨缩问题，当印刷机精密度比较差，印刷偏位的时候，也会产生一定几率的立碑。解决办法如下：第一，选择合适的、活性比较好的锡膏；第二，锡膏使用前应该要严格要求解冻，上线之前搅拌一到两分钟，按照每个公司的文件规则SOP/WI进行管控。

对于钢网要进行检查，发现变形、张力不足，要立即停止使用报废处理，定期检验刮刀的压力测试，另外要定期对印刷机进行维护保养，确保在良好的状态下进行，最后要选择合适相应厚度的钢网。

另外锡膏与立碑的关系。由于不同的锡膏厂家，它的助焊剂类型，助焊剂和金属颗粒的核心体系的比例其实也有一定差异的。

第六项，预热的温度。回流焊接时预热温度太低，恒温时间太短就容易产生立碑。有什么好的解决办法，首先要严格按照锡膏推荐的炉温曲线，对炉温进行调校和测试，要适当提升预热时的温度和恒温时间，减少进入回流焊接时，焊盘两端的温度差。

通过前期的实验证明，锡膏在较高温度下越久，其助焊剂液化越严重，助焊剂的差越容易产生焊接缺陷。

第七项，贴装精度。其实也是我们在日常生产过程中比较容易忽视的一个问题。贴装精度差，组件偏位严重。解决办法如下，第一，定期对贴片机进行维护保养；第二，对贴片机做定期校正；第三，定期对设备的贴装性能进行综合评估。注意每个公司在评估引进新设备的时候，一定要谨慎评估，公司的最小器件是01005、0201，最小元器件间距是0.3、0.4、0.5mm pitch贴片机的评估引进，需要满足这些器件的生产进度和能力。

当如上图贴装发现偏位时，从组件焊接端向锡膏传递的热能量不均匀，组件右端锡膏从组件得到的热量多先融化，形成图片上的左端向右边有个旋转的力度从而产生立碑。

当然上述的分布不含贴装严重偏位和锡膏印刷量的差异问题。上面的饼状图从焊盘设计尺寸、预热温度、锡膏、PCB、元器件的重量进行了发生率的对比汇总分析。最后是大家解决实际问题的方向进行参考和指导。

前面两个章节，我们重点讲解了立碑产生的原因和对应的改善方向。第三部分我们来汇总一下立碑问题的改善措施和思路。因为立碑它产生原因可能不是单方面的一个因素，所以说我们每个做SMT工艺和制程改善的同仁们，都要通过前面的分析进行逐一的排查和制定相关纠正预防措施。

立碑的改善有哪些方式？第一，适当提高回流温度曲线的预热温度和恒温时间，减少元件焊盘两端的温度差；第二，适当延长预热和恒温浸润时间，可以减少回流焊接时的热冲击；第三，严格控制和改善PCB焊盘和元件引脚的可焊性；第四，确保焊盘两端焊接的锡膏厚度、面积、体积的一致性；第五，研发阶段项目评审的时候，设计和物料转型，要注意采用防立碑设计；第六，钢网开口适当缩小，焊盘的内距才能防立碑设计的开口方式，当然这个要把握一定的开口方式，比如说内距太小，容易产生锡珠；第七，贴片机贴装精度和稳定性的提升，先从前期定期的保养，飞盘定期的保养，贴片机贴装的程序、SIP外形贴装程序的优化；第八，在回流焊接时控制元件的震动和偏移问题，也称为回流炉轨道的防抖动；第九，锡膏粘度和锡膏添加要按照少量多次的模式进行控制，以及避免周边的环境发生太大的改变。

片式元件立碑的一个根本原因。我们都知道是焊料对焊盘两端的润湿不平衡导致张力；受力不平衡导致产生立碑。设计方面，采用两个焊盘相同的设计方式，焊盘的尺寸大小、内侧间距、热熔等方面要均衡，另外要采用相同的开通方式。通过这样的方式，我们就可以从设计的难度上预防立碑的差异发生。要采用热隔离设计，同样可以避免立碑的发生。在钢网设计上，两个网孔的内测距离，要保持适当的值，可以有效防止立碑。每个公司它有不同的设计layout库，这些库就要满足IPC-7351的焊盘形状的标准。上图是业界的焊盘尺寸和IPC-7351的推荐值。

快速升温可能导致PCB板上的热量分布不均匀而发生立碑。我们一般在设计优化炉温曲线时，一般预热速度要控制在两摄氏度每秒，当然预热升温速度控制在1.5摄氏度每秒是理想的。目前的话我们都会采用氮气回流焊接，氮气回流确实可以有效提高焊接质量，但氮气含量过低，可能导致立碑的发生，大于1000ppm的氧气含量，一般不会导致立碑问题的发生。在电子器件的可焊性测试中，业界针对可焊性测试是在IPC-STD-002B的标准要关注润湿时间和润湿力在元件两个端子方面的平衡，否则立碑问题就不可避免了。

如图示可以供大家进行参考改善立碑问题，第一个就是焊盘设计需采用隔热设计；第二，印刷偏位、贴装偏位问题；主要是第三方面，钢网开口方面；第四，主要是炉温曲线，控制预热的速度和恒温的时间，以上四点立碑改善的一些方向。希望对各位同行在后续解决SMT生产过程的立碑问题有所参考。当然由于知识水平能力有限，可能有一些方面没有一一罗列，大家后续在生产过程中，比如有类似问题，也可以举一反三，通过本次课程的介绍，能够使大家在立碑问题上有更深的理解和见解。

今天的课程分享到现在，欢迎大家提问。如果后续有什么疑问，大家也可以在评论区一起进行交流，谢谢大家。感谢CEIA电子制造为大家创造这样的交流的平台，祝大家心想事成，工作顺利，万事如意，谢谢大家。

作者：李志求

半导体工程师

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