乡亲们
本文章节选自 IndiumCorporation 的《印刷电路组装商焊接缺陷指南》。
导言
印刷电路板（PCB）问题可能是一个挑战，但并不是所有问题都会像墓碑一样让你的 PCB 早早进入坟墓。墓石现象是由于无源元件相对两侧的焊膏在熔化过程中产生了不相等的表面张力。这些不相等的力会导致无源元件的一端翘起，并断开与电路的接触，结果就会出现与墓地中的墓碑极为相似的现象（见图 1）。
图 1：墓碑式电容器组件。
盗墓机制
造成墓碑效应的因素有很多。"墓碑 "现象几乎总是由于元件终端的润湿力不平衡造成的。当一端先于另一端 "润湿 "时，现在不平衡的焊料润湿力会 "拉动 "元件并使其旋转，从而导致元件竖立起来。我们还遇到过印刷电路板组件加热不均而产生的 "墓碑 "现象。当印刷电路板（PWB）通过回流炉时，无源元件的前端往往先被加热（见图 2 中无源元件的左侧）。这种不均匀的加热会导致最靠近热源的焊膏沉积物（图 2 中的左侧）首先熔化。当这些焊料熔化时，其表面张力会使无源元件直立起来，如图 1 和图 2 所示。
图 2：墓碑机制细节。
焊料合金
尽量减少墓石的一种方法是使用在熔化时具有较大 "糊状 "或 "塑性 "范围的焊料合金。塑性范围是指焊料熔化和凝固的温度范围。对于共晶焊料，如 Sn63/Pb37 焊料，不存在塑性范围，因为焊料在略低于 183°C 时完全固态，而在略高于 183°C 时完全液态。SnPbAg 合金，如 Sn62 或 Indalloy®100，由于其塑性范围更大，已被广泛用于消除含铅组件中的墓石问题。
在无铅焊料中，SAC3510（锡/3.5Ag/1Cu）的塑性范围较窄，而 SAC305 的塑性范围较宽。因此，人们期望 SAC305 在最大限度地减少墓石方面表现更好，而事实也确实如此。图 3 显示了确定墓石率的实验结果。请注意，SAC3510的墓石率是SAC305的六倍多。由于 SAC305 是最常见的无铅合金之一，因此在无铅时代，墓石现象已大大减少。
图 3：除 SAC305 之外的其他墓石合金对比。绿色条为无铅合金；黑色条为含铅合金
电路板设计
对于制造工程师来说，与设计工程师密切合作以消除印刷电路板制造中的挑战和缺陷是极其重要的。适当的设计可以消除 "墓碑 "缺陷。如果电路板设计在无源元件的一侧下方或附近有散热片（例如铜层），而另一侧距离较远，则散热片可能会影响装配的热平衡；没有散热片一侧的焊膏可能会先变为液态，这可能会导致 "墓碑 "缺陷。
模板设计
尽量减少印刷电路板焊盘上的锡膏用量也会减少墓碑效应。减少直接印在无源器件两端后面的焊锡量尤其有帮助，这将消除几乎所有的墓石力。有助于实现这一目标的典型钢网设计如图 4 所示。在一些实验中，这种设计完全消除了墓石力。
图 4：将 0402 无源元件中的墓碑效应降至最低的钢网设计。
印刷
印刷工艺和转移效率是包括墓碑在内的许多生产线末端缺陷的关键因素。如果无源元件的一侧比另一侧有更多的焊膏，元件可能会被放置在只接触较多焊膏的位置。这很可能导致墓碑缺陷。使用焊膏检测 (SPI) 设备可以帮助确保焊膏沉积物符合规格要求，并且一个沉积物不会高于另一个沉积物。孔径大小和形状的优化也有助于最大限度地减少焊盘之间焊膏量的变化。
安置
贴片压力和/或不适当的 Z 高度往往是出现墓碑的原因。重要的是要确保贴装压力和 Z 高度适合装配，并在生产前进行优化。零件在放置时也有可能发生偏斜。虽然焊料往往会自动对齐，但元件放置不正确和不对齐也会导致墓石。
回流焊
最大限度减少 "墓碑 "现象的一种方法是通过逐步提高斜率来减少回流过程中的总热量输入；但这种情况可能很难在回流炉中实现。另一种方法是使用浸泡式回流曲线来实现两个锡膏沉积层之间的热平衡，使两个沉积层同时进入液相。
除了避免使用没有塑性范围的焊料外，回流炉中的氮气环境往往会加剧墓石现象，因为氮气会提高润湿速度，使表面张力更快地出现。除非电路板上有精细焊膏沉积或封装（PoP）组件，否则很可能没有理由使用氮气，因为大多数顶级现代焊膏都能在空气回流气氛中表现良好。
结论
遵循本文的指导原则可以最大限度地减少墓石现象。尽量减少墓石的可靠方法是使用塑性范围较大的焊料合金，如 Indalloy®100（有铅）或 SAC305（无铅）。此外，与电路板设计人员保持开放式对话也很重要，以尽量减少靠近或位于无源元件一侧下方的散热片。使用从固态到液态缓慢变化的回流焊接温度曲线，或通过浸泡最大限度地减少热失配。加入 SPI 以确保焊料沉积高度相似且符合规范，并印刷较小的焊料沉积，尤其是在被动元件的两端。确保贴装压力和 Z 高度适当，零件贴装时不会出现偏斜。避免在回流炉中使用氮气；在焊膏良好的情况下，没有必要使用氮气，氮气会加剧墓石现象。
干杯
罗恩博士
