从物理学的力矩平衡探讨无铅元件立碑 z钄ち:m;W8  
随州波导电子有限公司   441300   包惠民 D?ky叺撿  
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摘要：在SMT制造过程中相当多的企业会碰到立碑现象，特别是在无铅工艺技术应用后，由于无铅锡膏的浸润性变差，这种现象更为突出，工程师们在解决这个问题时方法各异，众多SMT技术论坛有非常多的技术人员在寻找解决方法，为有效解决这种现象，现从力学的观点来具体阐述。 T?嘾WH?E  
关键词：力矩平衡、无铅器件、立碑 ??奃gK鷩  
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一、概念及故障现象： ?(W色瓗?  
什么叫立碑？矩形片式元件的一端在PCB的焊盘上，另一端翘起离开焊盘的现象叫立碑又叫曼哈顿现象。英文中称之为：tombstone或manhattan。 H-a郃挹6? 
故障现象： m檠圑?蒦? 
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  上述图例在很多SMT加工企业都是常见的故障现象，特别是无铅工艺技术应用后，这更成为SMT工艺工程师们头痛的一个问题，那么我们在无铅产品制造过程中如何解决元件的立碑问题呢？本文重点将根据物理学力矩平衡角度来探讨立碑问题。
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二、原因分析 ?圥,Z髅淾  
我们先来看一下器件贴装完成进回流炉前的状态受力分析： q;g媷?裐  
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T1：重力力矩 fB琬 蟾觹? 
T2：元件焊盘与PCB焊盘正对方，锡膏对元件下表面产生的表面张力力矩 B莳3 菊pK? 
T3：锡膏对元件焊盘端产生的表面张力力矩 "偾U,艮  
T4：分别是锡膏对侧面产生的表面张力力矩， o甜 顒RjT  
T5：分别是立碑侧产生的表面张力力矩，或者锡膏的黏附力力矩 黩L俏:蛥Rx  
要克服立碑就必须满足锡膏融化时T3-T5 ≤ T1+T2+T4要使等式成立我们就要从等式两边着手解决。这样才能更好地解决立碑。 虾拉Pn邬? 
表面张力与接触面积成正比，所以我们计算是按照线性关系计算 梷U喜]1  
数据的计算： v揚械顝?  
1、      重力力矩T1的计算 9鹌鬂  
根据公式      T1= G*L* cos (θ+α) /2（2* cos α) 缞g^む嬉2? 
其中G为元件质量*重力加速度g ；θ为平衡体系临界状态时的倾斜角度，α与H/L成正比。   衐鉺N垛k  
重力力距T1＝G*L* cos (θ+α) /（2* cos α) ]n缉肺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?谳N?? 
2、T2、T4、T3计算 [O姒r蠂i? 
T3的计算： j?hz?'a? 
T3=F3*W*h/2 -L燩?磐? 
其中h为爬锡高度，与网板的厚度有关。 ??/Ω? 
T4的计算： €,阝EL闎  
T4=F4*T*h/2 +缩)骹x? 
如果元件W与焊盘一样宽，W=w，接触面积≈0，表面张力也近似为0。 ????xU  
T4＝0 庖嵰eKts  
T2的计算 ?臽#磳KU? 
T2=F2*W *T/2*cosθ 桂`?€屝l? 
其中F2为表面张力。 噹炯?薿?  
  所以要解决立碑就必须满足：F3*W*h/2<mg*L/2[cosθ- tanα * sinθ]+ F2*W *T/2*cosθ+ F4*T*h/2 ?佷{殺i鬪  
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三、解决方案 z$嚱泖蒂＞  
从上面的我们对力矩计算不难发现，我们控制无铅元件立碑的方向：增加T1、T2、T4同时减少T3 汍#A级je乓  
3、      T1的增加 #v 芋??  
根据T1= mg*L/2[cosθ- tanα * sinθ] 鱈嫝~蓕  
所以我们的思路： 徙浳讯轴  
1）      增大G的值。这与元件本身材料有关，越是重的元件越不会立碑。需要厂家修改材料不很现实； %膩D溜  
2）      增大L的值。说明越是长的元件越不容易立碑，也就是说，增大元件长度可以减少立碑几率。在生产过程中我们遇到一个0402的电容，L只有0.95mm，结果在生产过程中很容易立碑； 皴裙F|膜? 
3）      减小θ+α的值。θ的值在过程中是变化的；α与h/L成正比，所以减小厚长比，即增加长厚比，可以减少立碑机率，像同质量的0402的普通电容（1.0*0.5*0.5）比电阻（0.1*0.5*0.25）容易出现立碑的现象。 ?qｑT踀謥  
4、      T2的增加 9?7?杬? 
1）      增加元件两侧焊盘可焊性 *@`渚? 5  
2）      控制贴片、网印精度 J.`釚Tf男? 
3）      增大元件的T ?R犑$? 
4）      使网板开孔（两个PAD中心）朝零件中心移动(在贴片偏位或者网印偏位时相当增加T)为了不让元件中间产生锡珠，可以改变网孔形状“本垒板”这样可以解决问题。我们已经得到实践的证明。 ?驡葠%坌  
5、      T4的增加，元件W变小，加大焊盘。这个力可以忽略 ]5鬨?4*  
6、      T3的减少 $7$UC婳?  
1）      减少接触面积： ?5
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a)、减少网板厚度实验表明使用6mil网板比5mil产生立碑的概率大也可以减少细间距元件短路 g-pH`\{z?  
b)、减少接触面积，可以减少元件宽度W。我做过一个实验将一个Y方向立碑概率较大的元件，只是将贴片坐标向X移动一点距离，取得很好的效果； ,a€#?Rb  
2）      减少表面张力 婽<m&℃? 
一、      从锡膏本身产生的张力出发： 釱孙a ?  
a)      产生立碑不是一个过程，是在0.2秒以内以至更短的时间内完成。两边融化不同步，如果我们的锡膏可以改进，使这个表面张力在一段时间内成线性逐渐递增。这就是所谓的防立碑锡膏的产生。对于合金一般需要共晶融化才能保证焊点以及焊接可焊性。 g⒅[妘? 
b)      锡膏成分中增加少量的Ag含量，一般以0.4%到0.6%为佳，因为Ag超过2%时Ag含量越大立碑概率越大 ┠M5帐?? 
c)      采用氮气保护，氧含量控制在1000PMM左右，但氧气浓度越低越容易立碑， V賞k逆秸? 
d)      检查升温曲线和预热时间是否符合规定，预热时间是否过长，过长使活性剂失去作用 彥癔V沚Ｗ%  
e)      炉温曲线采用斜升式曲线比均温曲线立碑的比率小（实验已经证明）；斜升式曲线温度曲线可用于任何化学成分或合金，必要时可以将回流区达到220度左右的斜率小一点 ?鍂O?貈? 
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二、      减少接触面积来减少表面张力， 4?兔鬃  
a、采用20－60－20的圆弧形的“反本垒板”或者其他的“反本垒板”产生的立碑少 ?#%堚?lt;嬫? 
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b、必要时减少网板厚度； RA%7馿?y? 
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四、结束语 ?苲gl|=  
  本文主要从受力分析着手解决SMT制程中容易出现的问题，希望通过此文同业界的朋友交流，同时也希望朋友们能批评指正。