文档介绍：利用相控回流焊接法减少立碑缺陷
作者:Brian J. Toleno博士和Neil Poole博士, Henkel Loctite 公司

电子产品越来越轻,功能越来越多,元器件则变得越来越小。这不仅表现在诸如CSP等有源器件的尺寸缩减,电容和电阻之类分离元件的尺寸也相应减小。0402和0201元件的使用迅速增加,这些元件比其它分离元件要小得多。使用这些元件所面临的主要挑战是如何减少加工中的缺陷,最普遍的缺陷之一便是立碑。
立碑缺陷即所谓的"墓碑(tombstoning)、吊桥(drawbridging)、石柱(stonehenging)和曼哈顿(Manhattan)",都是用来描述如图1中所示加工缺陷的形象说法,这些缺陷的典型特点就是元件一端在回流焊过程中翘起(图 1a)。力学分析清楚地表明了焊锡的表面张力将会产生转动力矩,转矩足够大的话,就能把元件提升,这一点很容易证明,如图2所示,

图1. 立碑缺陷的三个例子。图a(左边)说明的是典型的立碑缺陷。图b(中间)说明的是不太普遍的"倾斜"缺陷。图c(右边)说明的是元件在没有完全翘起的情况下产生的立碑。
如果F1 + F2 < F3,倾斜将会产生。F2和F3分别源自芯片底部起作用的表面张力的垂直部分,和芯片顶部起作用的表面张力的垂直部分。

导致平衡或提升的原因:元件两端焊料未同时熔化

对于较大的元件,即使只在元件的一端有焊锡,F1的效应也足以使元件趋于平衡,不会出现典型的一端翘起。在水平方向,通常情况下,元件的两端受方向相反、大小相同的力,也不会出现不受欢迎的移动。但是,一旦一端产生翘起,形成立碑的力的不平衡性就会越来越大,情况将会变得无可挽救。
元件翘立的产生归咎于回流过程中元件受力的不平衡,产生不平衡力的一个典型的原因是元件一端的焊料先于另一端熔化。在元件质量很小的情况下,大的表面张力能使焊锡未熔化的一端被提起。不平衡力还能使元件扭转(图1b)。另外,如果元件一端被提升到刚好与焊锡接触,虽然不会导致开路(图1c),但可靠性会被大打折扣。

温度不平衡是产生元件两端焊料不同时熔化的原因

不平衡回流产生的原因多种多样。元件一端下面或者附近的线路密度大,很可能降低该端的温度,从而另一端先回流熔化。这种情况下,开路的一定是温度低的一端。
当一个带有散热装置的较大器件或元件放置在一个小的分离元件的一端或回流方向上游时,也会出现热量不平衡的现象。如果焊炉有一个很大的温度梯度,而元件的放置方向平行于传送带方向,则元件前端可能先于后端回流,导致元件产生后端翘立的立碑缺陷。
除了热效应外,贴放的不平衡也可能引起立碑。如果一个微小元件各端受力不平衡,元件一端会与电路板接触紧密,而另一端则会翘到空中。这种立碑缺陷是最容易观察和识别的。

图2. 回流焊接工艺中,使芯片元件上产生立碑缺陷的不同力。

不是所有这些原因引起的立碑缺陷都很明显。在一些情况下,元件可能只被提升到刚好骑在回流焊锡上(图1c),在快速目检情况下,可能发现不了这些缺陷。如果元件终端和焊锡之间有一点接触,则电路连接有效。这类缺陷只有在产品应用过程中发生失效才会被发现。
另外,上述几种情况下,元件也有可能不是向上,而是被拉向一侧(图1b)。这种缺陷也很难通过目检的方法来识