電阻電容小零件發生空焊及立碑(墓碑效應)的原因

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19 2 月, 2014

SMT_tombstone_墓碑02最近有網友詢問關於電阻、電容這類SMD小零件(small chip)有空焊(solder empty)的問題。明明已經一再的檢查過所有回焊爐溫度(Reflow Profile)設定並確認無誤，可是還是經常發現這類電阻電容有空焊的情形發生，而且還出現在固定位置，觀察焊錫的狀況也未發現non-wetting或de-wetting的情形，百思不得其解？

其實這類零件空焊的問題並沒有那麼難理解啦！它的生成原因就跟立碑(tombstone)的原因一樣，說穿了就是

零件兩端的錫膏融化時間不一致，

最終造成受力不均，以致使零件一端翹起的結果。

如果仔細觀察出問題PCB上的銅箔佈線，通常可以發現在這類零件的某一端會連接著大片的銅箔，而另外一端則沒有。PCB在正常的情況下進入Reflow回焊爐並開始加熱時，越是處於PCB表面的銅箔，其受熱的程度會越快，也就是會比較快到達回焊爐內的環境溫度，而越是PCB內層的大片銅箔的受熱則會較慢，也就是會比較慢到達回焊爐內的環境溫度，當零件一端的錫膏比另一端較早融化時，就會以錫膏先融化的這端為支點舉起零件，造成零件的另一端脫離焊點，形成空焊，隨著錫膏融化的時間差越大，零件被舉起的角度及高度就會越大，最後形成完全直立的立碑(tombstone)結果。

有興趣深入研究立碑真正形成原因的朋友，可以試著從力學的角度切入，當一端的拉力高過另一端時（液態焊錫具有高強度的內聚力，因次會拉扯零件上的焊點），應該還要在加上零件重量並計算其重心位置，就會以一端為支點將零件的另一端舉起。

下面兩張圖是苦主的產品發生空焊的圖片，經苦主同意，放上來給加大家討論參考，也歡迎大家提供意見。
空焊空焊

解決這類立碑、空焊的方法有：

    1. 透過設計解決
      ✔可以在大面積銅箔的焊墊處加上【熱阻 (thermal relief)】設計來減緩溫度散失過快的問題。
      ✔縮小兩端焊墊的內距尺寸，在不造成短路的情況下盡量縮小兩端焊墊間的距離，這樣可以讓較慢融錫一端的錫膏有更大的空間可以黏住本體免於立起，也就是增加立碑的難度。
      ✔當兩端焊墊有一端採用SMD焊墊設計，而另一端採用NSMD時，就容易出現兩端焊墊尺寸不一樣大，0402以上的零件可能還好，但0201以下的零件就可能出現錫膏量配合不上焊墊大小的問題，融錫時兩端拉力不一致就可能導致立碑的情形。
    2. 透過製程解決
      可以提高回焊爐浸潤吸熱區(soak zone)的溫度，讓溫度更接近融錫溫度。也可以減緩從浸潤區進入回焊區(soak to ramp)升溫的速度。目的就是要讓PCB上所有銅箔及電子零件的溫度都能達到一致，然後同時融錫。（※請注意：隨意調整回焊爐的溫度曲線可能引起其他問題，請參考【回流焊的溫度曲線 Reflow Profile】一文。）
    3. 停用「氮氣（N2）」
      如果回焊爐中有開氮氣，可以評估關掉氮氣試看看效果如何，氮氣雖然可以防止氧化、幫助焊錫，但它也會加快融錫後潤濕的速度，造成部份焊點提前潤濕，惡化了兩端吃錫的時間差，最終讓兩端的力距差異過大終致形成立碑問題。
      建議延伸閱讀：SMT回焊爐加氮氣(N2)的優缺點探討
    4. 鉭質電容材料不良
      某些鉭質電容(tantalum electrolytic capacitor)在生產過程中因為製程不良而殘留有未完全分解的Mn(NO3)2，並在無鉛回焊高溫的210～250°C時分解釋放出NO2氣體，並吹飛吹弄歪本身及周遭的零件。
      Mn(NO3)2 = MnO2 + 2NO2 ↑
      如果碰到這樣的問題，最好的方法就是更換鉭質電容，否則必須事先過一次回焊的高溫。
      這裡有一份簡體字關於鉭質電容吹氣的理論(pdf)研究的文章可以參考。

其他注意事項：上述空焊及立碑的發生，只是眾多可能原因之一，下列項目也都是可能引起立碑的可能原因：

其次，在同樣的情況下，電容(C)會比電阻(R)更容易發生立碑，造成開路的問題，這是因為電阻的端子上只有三面鍍有焊料，而電容則有五面鍍有焊料，多了左右兩個側面，再者電容一般比電阻來得厚，重心也就比較高，同樣的力距下也就比較容易被舉起。

下面是工作熊在網路上搜尋到的一些立碑、空焊發生的影片，請自行參考瞭解形成的原因。

下面的影片顯示：電容的一端先融錫，另一端後融錫造成的墓碑。

下面的影片顯示：電容的一端先融錫，另一端後融錫造成的墓碑。

下面的影片顯示：電容置件偏移，雖然同時零件兩端融錫，但是零件偏移後造成一端的吃錫面積比另一端大很多，兩邊拉錫的力道不平均，超過了零件重心的力量後「墓碑」就產生了。

以上三個影片立碑的支點都是錫膏先融化的一端，可是下面這個影片則是以另外一端為支點，蠻值得推敲。從影片中可以看到錫膏先融化的一端似乎未能即時與零件端點上的焊料融合在一起，以致被另一端融化的錫膏後來居上，最終造成立碑的問題。

延伸閱讀：
影片：BGA 回流焊焊接過程
零件掉落與端點使用銀鍍層的關係？
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良資料收集
電路板上常見的焊錫缺點中英文對照與解釋
PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼？

SMT, Soldering(焊錫)
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訪客留言內容（Comments）

Hi 版大
之前也有遇過這樣的立碑問題
剛好去參觀打件廠，剛好就看到
對方解釋說是電件太小(0201)
如果PAD之間的GAP太大容易會有這樣問題
而且我們本來設計是0402的PAD，結果焊0201
所以PAD面積畫小也能改善立碑問題

留言 by Scott on 2014/02/26 @ 17:49:21

Scott;
0201打在0402的焊墊本來就容易出現立碑的問題，
這是因為只要零件稍微往一邊偏移，就會吃不到錫，
或是一邊吃到比較多錫，而一邊吃到比較少的錫，
最後造成應力不一致。

留言 by 工作熊 on 2014/02/26 @ 20:55:15

請問版大如果零件過迴焊爐轉向180度的原因 是否有影片能提供呢

留言 by Bjk on 2017/05/26 @ 13:00:55

Sorry 沒有！

留言 by 工作熊 on 2017/05/26 @ 18:15:52

Hi 版大大:

0201 pad 上有鑽孔..立碑產生時會往哪邊傾斜..鑽孔還是非鑽孔邊…

留言 by ivy on 2019/03/05 @ 10:30:48

ivy,
這個沒有從哪一邊翹起，建議先了解立碑的原理。
少錫的那一邊、溫升較慢的那一邊都較容易翹起。

留言 by 工作熊 on 2019/03/05 @ 21:57:14

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