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從物理學(xué)的力矩平衡探討無鉛元件立碑
點(diǎn)擊次數(shù)：1590 發(fā)布時(shí)間：2007/8/1 11:57:42
從物理學(xué)的力矩平衡探討無鉛元件立碑 z钄ち:m;W8
隨州波導(dǎo)電子有限公司 441300 包惠民 D?ky叺撿
?trPE訜
摘要：在SMT制造過程中相當(dāng)多的企業(yè)會(huì)碰到立碑現(xiàn)象，特別是在無鉛工藝技術(shù)應(yīng)用后，由于無鉛錫膏的浸潤(rùn)性變差，這種現(xiàn)象更為突出，工程師們?cè)诮鉀Q這個(gè)問題時(shí)方法各異，眾多SMT技術(shù)論壇有非常多的技術(shù)人員在尋找解決方法，為有效解決這種現(xiàn)象，現(xiàn)從力學(xué)的觀點(diǎn)來具體闡述。 T?嘾WH?E
關(guān)鍵詞：力矩平衡、無鉛器件、立碑 ??奃gK鷩
%4荅?lt;?
一、概念及故障現(xiàn)象： ?(W色瓗?
什么叫立碑？矩形片式元件的一端在PCB的焊盤上，另一端翹起離開焊盤的現(xiàn)象叫立碑又叫曼哈頓現(xiàn)象。英文中稱之為：tombstone或manhattan。 H-a郃挹6 ?
故障現(xiàn)象： m檠圑?蒦?
Fq?<?腎
上述圖例在很多SMT加工企業(yè)都是常見的故障現(xiàn)象，特別是無鉛工藝技術(shù)應(yīng)用后，這更成為SMT工藝工程師們頭痛的一個(gè)問題，那么我們?cè)跓o鉛產(chǎn)品制造過程中如何解決元件的立碑問題呢？本文重點(diǎn)將根據(jù)物理學(xué)力矩平衡角度來探討立碑問題。 檻蛝溈焺
二、原因分析 ?圥,Z髏淾
我們先來看一下器件貼裝完成進(jìn)回流爐前的狀態(tài)受力分析： q;g媷?裐
%PA3+ 圽賈
T1：重力力矩 fB琬 蟾觹?
T2：元件焊盤與PCB焊盤正對(duì)方，錫膏對(duì)元件下表面產(chǎn)生的表面張力力矩 B蒔3 菊pK?
T3：錫膏對(duì)元件焊盤端產(chǎn)生的表面張力力矩 "僨U,艮
T4：分別是錫膏對(duì)側(cè)面產(chǎn)生的表面張力力矩， o甜 顒RjT
T5：分別是立碑側(cè)產(chǎn)生的表面張力力矩，或者錫膏的黏附力力矩 黷L俏:蛥Rx
要克服立碑就必須滿足錫膏融化時(shí)T3-T5 ≤ T1+T2+T4要使等式成立我們就要從等式兩邊著手解決。這樣才能更好地解決立碑。 蝦拉 Pn鄔?
表面張力與接觸面積成正比，所以我們計(jì)算是按照線性關(guān)系計(jì)算 梷U喜]1
數(shù)據(jù)的計(jì)算： v揚(yáng)械顝?
1、 重力力矩T1的計(jì)算 9鵪鬂
根據(jù)公式 T1= G*L* cos (θ+α) /2（2* cos α) 缞g^む嬉2?
其中G為元件質(zhì)量*重力加速度g ；θ為平衡體系臨界狀態(tài)時(shí)的傾斜角度，α與H/L成正比。 衐鉺N垛k
重力力距T1＝G*L* cos (θ+α) /（2* cos α) ]n緝肺i?
=mg*L/2* cos (θ+α) /cos α ??捂 @彠
mg*L/2[cosθ- tanα * sinθ] 截梥.t仚嫵
其中tanα＝H/L C?讞N??
2、T2、T4、T3計(jì)算 [O姒r蠂i?
T3的計(jì)算： j?hz?'a?
T3=F3*W*h/2 -L燩?磐?
其中h為爬錫高度，與網(wǎng)板的厚度有關(guān)。 ? ?/Ω?
T4的計(jì)算： €,阝 EL闎
T4=F4*T*h/2 +縮)骹x?
如果元件W與焊盤一樣寬，W=w，接觸面積≈0，表面張力也近似為0。 ????xU
T4＝0 庖嵰eKts
T2的計(jì)算 ?臽#磳KU?
T2=F2*W *T/2*cosθ 桂`?€屝l(wèi)?
其中F2為表面張力。 噹炯?薿?
所以要解決立碑就必須滿足：F3*W*h/2<mg*L/2[cosθ- tanα * sinθ]+ F2*W *T/2*cosθ+ F4*T*h/2 ?佷{殺i鬪
wC3垪?jR
三、解決方案 z$嚱泖蒂＞
從上面的我們對(duì)力矩計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，我們控制無鉛元件立碑的方向：增加T1、T2、T4同時(shí)減少T3 汍#A級(jí)je乓
3、 T1的增加 #v 芋??
根據(jù)T1= mg*L/2[cosθ- tanα * sinθ] 鱈嫝~蓕
所以我們的思路： 徙浳訊軸
1） 增大G的值。這與元件本身材料有關(guān)，越是重的元件越不會(huì)立碑。需要廠家修改材料不很現(xiàn)實(shí)； %膩D溜
2） 增大L的值。說明越是長(zhǎng)的元件越不容易立碑，也就是說，增大元件長(zhǎng)度可以減少立碑幾率。在生產(chǎn)過程中我們遇到一個(gè)0402的電容，L只有0.95mm，結(jié)果在生產(chǎn)過程中很容易立碑； 皴裙F| 膜?
3） 減小θ+α的值。θ的值在過程中是變化的；α與h/L成正比，所以減小厚長(zhǎng)比，即增加長(zhǎng)厚比，可以減少立碑機(jī)率，像同質(zhì)量的0402的普通電容（1.0*0.5*0.5）比電阻（0.1*0.5*0.25）容易出現(xiàn)立碑的現(xiàn)象。 ?qｑT踀謥
4、 T2的增加 9?7?杬?
1） 增加元件兩側(cè)焊盤可焊性 *@`渚? 5
2） 控制貼片、網(wǎng)印精度 J.`釚Tf男?
3） 增大元件的T ?R犑$ ?
4） 使網(wǎng)板開孔（兩個(gè)PAD中心）朝零件中心移動(dòng)(在貼片偏位或者網(wǎng)印偏位時(shí)相當(dāng)增加T)為了不讓元件中間產(chǎn)生錫珠，可以改變網(wǎng)孔形狀“本壘板”這樣可以解決問題。我們已經(jīng)得到實(shí)踐的證明。 ?驡葠%坌
5、 T4的增加，元件W變小，加大焊盤。這個(gè)力可以忽略 ]5鬨?4*
6、 T3的減少 $7$UC婳?
1） 減少接觸面積： ?5鶭褃Mc
a)、減少網(wǎng)板厚度實(shí)驗(yàn)表明使用6mil網(wǎng)板比5mil產(chǎn)生立碑的概率大也可以減少細(xì)間距元件短路 g-pH`\{z?
b)、減少接觸面積，可以減少元件寬度W。我做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)將一個(gè)Y方向立碑概率較大的元件，只是將貼片坐標(biāo)向X移動(dòng)一點(diǎn)距離，取得很好的效果； ,a€#?Rb
2） 減少表面張力 婽<m&℃?
一、 從錫膏本身產(chǎn)生的張力出發(fā)： 釱孫a ?
a) 產(chǎn)生立碑不是一個(gè)過程，是在0.2秒以內(nèi)以至更短的時(shí)間內(nèi)完成。兩邊融化不同步，如果我們的錫膏可以改進(jìn)，使這個(gè)表面張力在一段時(shí)間內(nèi)成線性逐漸遞增。這就是所謂的防立碑錫膏的產(chǎn)生。對(duì)于合金一般需要共晶融化才能保證焊點(diǎn)以及焊接可焊性。 g⒅[妘?
b) 錫膏成分中增加少量的Ag含量，一般以0.4%到0.6%為佳，因?yàn)锳g超過2%時(shí)Ag含量越大立碑概率越大 ┠M5帳??
c) 采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，氧含量控制在1000PMM左右，但氧氣濃度越低越容易立碑， V賞k逆秸?
d) 檢查升溫曲線和預(yù)熱時(shí)間是否符合規(guī)定，預(yù)熱時(shí)間是否過長(zhǎng)，過長(zhǎng)使活性劑失去作用 彥癔V沚Ｗ%
e) 爐溫曲線采用斜升式曲線比均溫曲線立碑的比率小（實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明）；斜升式曲線溫度曲線可用于任何化學(xué)成分或合金，必要時(shí)可以將回流區(qū)達(dá)到220度左右的斜率小一點(diǎn) ?鍂O?貈?
縑輦?諆 ?
?偸屧f
二、 減少接觸面積來減少表面張力， 4?兔鬃
a、采用20－60－20的圓弧形的“反本壘板”或者其他的“反本壘板”產(chǎn)生的立碑少 ?#%堚?lt;嬫?
(W ?ST嶠?
郼o?_Q牎`
b、必要時(shí)減少網(wǎng)板厚度； RA%7馿?y?
鏟鍤?覲乏
四、結(jié)束語 ?苲gl|=
本文主要從受力分析著手解決SMT制程中容易出現(xiàn)的問題，希望通過此文同業(yè)界的朋友交流，同時(shí)也希望朋友們能批評(píng)指正。
隨州波導(dǎo)電子有限公司 441300 包惠民 D?ky叺撿
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摘要：在SMT制造過程中相當(dāng)多的企業(yè)會(huì)碰到立碑現(xiàn)象，特別是在無鉛工藝技術(shù)應(yīng)用后，由于無鉛錫膏的浸潤(rùn)性變差，這種現(xiàn)象更為突出，工程師們?cè)诮鉀Q這個(gè)問題時(shí)方法各異，眾多SMT技術(shù)論壇有非常多的技術(shù)人員在尋找解決方法，為有效解決這種現(xiàn)象，現(xiàn)從力學(xué)的觀點(diǎn)來具體闡述。 T?嘾WH?E
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上述圖例在很多SMT加工企業(yè)都是常見的故障現(xiàn)象，特別是無鉛工藝技術(shù)應(yīng)用后，這更成為SMT工藝工程師們頭痛的一個(gè)問題，那么我們?cè)跓o鉛產(chǎn)品制造過程中如何解決元件的立碑問題呢？本文重點(diǎn)將根據(jù)物理學(xué)力矩平衡角度來探討立碑問題。 檻蛝溈焺
二、原因分析 ?圥,Z髏淾
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T1：重力力矩 fB琬 蟾觹?
T2：元件焊盤與PCB焊盤正對(duì)方，錫膏對(duì)元件下表面產(chǎn)生的表面張力力矩 B蒔3 菊pK?
T3：錫膏對(duì)元件焊盤端產(chǎn)生的表面張力力矩 "僨U,艮
T4：分別是錫膏對(duì)側(cè)面產(chǎn)生的表面張力力矩， o甜 顒RjT
T5：分別是立碑側(cè)產(chǎn)生的表面張力力矩，或者錫膏的黏附力力矩 黷L俏:蛥Rx
要克服立碑就必須滿足錫膏融化時(shí)T3-T5 ≤ T1+T2+T4要使等式成立我們就要從等式兩邊著手解決。這樣才能更好地解決立碑。 蝦拉 Pn鄔?
表面張力與接觸面積成正比，所以我們計(jì)算是按照線性關(guān)系計(jì)算 梷U喜]1
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1、 重力力矩T1的計(jì)算 9鵪鬂
根據(jù)公式 T1= G*L* cos (θ+α) /2（2* cos α) 缞g^む嬉2?
其中G為元件質(zhì)量*重力加速度g ；θ為平衡體系臨界狀態(tài)時(shí)的傾斜角度，α與H/L成正比。 衐鉺N垛k
重力力距T1＝G*L* cos (θ+α) /（2* cos α) ]n緝肺i?
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2、T2、T4、T3計(jì)算 [O姒r蠂i?
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1） 增大G的值。這與元件本身材料有關(guān)，越是重的元件越不會(huì)立碑。需要廠家修改材料不很現(xiàn)實(shí)； %膩D溜
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3） 減小θ+α的值。θ的值在過程中是變化的；α與h/L成正比，所以減小厚長(zhǎng)比，即增加長(zhǎng)厚比，可以減少立碑機(jī)率，像同質(zhì)量的0402的普通電容（1.0*0.5*0.5）比電阻（0.1*0.5*0.25）容易出現(xiàn)立碑的現(xiàn)象。 ?qｑT踀謥
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3） 增大元件的T ?R犑$ ?
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5、 T4的增加，元件W變小，加大焊盤。這個(gè)力可以忽略 ]5鬨?4*
6、 T3的減少 $7$UC婳?
1） 減少接觸面積： ?5鶭褃Mc
a)、減少網(wǎng)板厚度實(shí)驗(yàn)表明使用6mil網(wǎng)板比5mil產(chǎn)生立碑的概率大也可以減少細(xì)間距元件短路 g-pH`\{z?
b)、減少接觸面積，可以減少元件寬度W。我做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)將一個(gè)Y方向立碑概率較大的元件，只是將貼片坐標(biāo)向X移動(dòng)一點(diǎn)距離，取得很好的效果； ,a€#?Rb
2） 減少表面張力 婽<m&℃?
一、 從錫膏本身產(chǎn)生的張力出發(fā)： 釱孫a ?
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b) 錫膏成分中增加少量的Ag含量，一般以0.4%到0.6%為佳，因?yàn)锳g超過2%時(shí)Ag含量越大立碑概率越大 ┠M5帳??
c) 采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，氧含量控制在1000PMM左右，但氧氣濃度越低越容易立碑， V賞k逆秸?
d) 檢查升溫曲線和預(yù)熱時(shí)間是否符合規(guī)定，預(yù)熱時(shí)間是否過長(zhǎng)，過長(zhǎng)使活性劑失去作用 彥癔V沚Ｗ%
e) 爐溫曲線采用斜升式曲線比均溫曲線立碑的比率小（實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明）；斜升式曲線溫度曲線可用于任何化學(xué)成分或合金，必要時(shí)可以將回流區(qū)達(dá)到220度左右的斜率小一點(diǎn) ?鍂O?貈?
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二、 減少接觸面積來減少表面張力， 4?兔鬃
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