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《Youtube》這種片式電容偶發焊錫短路不良現象是怎麼形成的呢?
這個"片式電容(chip capacitor)偶發焊錫短路不良現象",是工作熊在國外論壇上看到的一則討論,工作熊也有把這問題放在我們的臉書社團上,請大家幫忙參詳討論問題發生的可能原因,而大家的反應也非常的熱烈。
國外這個討論的苦主說了,發生問題的板子,其製程使用自動錫膏印刷機、走的是SMT回焊製程,沒有經過波焊,也就是一班正常的SMT回焊製程。而這個電容短路的現象都是偶爾發生,要請大家幫忙分析問題發生的可能原因。
工作熊要在這邊先聲明一下,工作熊並非這個問題的苦主,截至工作熊錄音、發文為止,苦主也都沒有結論說問題發生的真正原因是什麼,所以也不用試圖從工作熊這裏得到最終答案,就當作是個看圖說故事的討論吧。
下面這些則是臉書網友討論後認為電容短路發生的可能原因,工作熊把它們列在這裡,可以給大家參考,也會試著跟大家聊聊自己的看法,不過工作熊的看法不一定是最正確的,這點也請大家注意一下:
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網友們提出電容短路的第一個可能原因是「metal migration」。網友這邊說的「metal migration」應該是指《電化學遷移(electrochemical migration, ECM)》。有可能是在做可靠度測試的時候,在高溫高濕的環境下發生的電化學遷移。
》》工作熊個人觀點:其實,工作熊當初在看到這些不良照片時的第一個印象,也學得有可能是「電化學遷移」,因為短路的現象看起來真的稍微有點像。但後來再仔細觀察後,就發現它越來越不像是「電化學遷移」了。因為「電化學遷移」長出來的晶枝(dendrite)一般會比較細,而不良照片中最左邊這顆電容的短路似乎有點給他過於粗壯了啊!而且越看越覺得它晶枝並沒有由粗到細的枝狀物結構。所以個人才覺得這應該不是電化學遷移所造成的短路。
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網友們討論的第二個可能原因為「回焊溫度不足、所以導致焊錫上出現多稜角的現象」。
》》關於這個論點,工作熊基本上同意有「焊錫溫度不足」的現象,因為不良照片的中間及最右邊2個電容端點的爬錫高度的確有點給它低,而且這2個電容在焊墊上面的吃錫也不是很飽滿,甚至還有些縮錫(de-wetting)的現象。從不良照片看來,焊墊似乎未被完全潤濕(wetting),還留有部分未潤濕的焊墊。
》》工作熊個人觀點:至於溫度不足導致"焊錫多稜角"這個論點,工作熊個人就有點不太能同意了,因為這個多稜角指的應該是出現在照片最左邊的這顆電容,而這顆電容頂端的短路焊錫也是最多的,如果是溫度不足造成,焊錫應該也是沒有太大機會可以爬上電容的頂部。其他兩顆電容則沒有這個焊錫稜角的現象。
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下一個網友認為短路發生可能的原因是「錫膏變質、或錫膏溶劑提早揮發,導致吃錫不佳」。
》》工作熊個人觀點:這個論點,工作熊認為與前一個"回焊溫度不足"的原因應該是類似的。錫膏如果暴露在空氣中過久,就會造成錫膏中的溶劑提早揮發,乾涸的錫膏就有機會造成焊錫品質不佳,不良的現象會與溫度不足有點類似。
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下一個網友認為短路可能發生的原因是「錫膏印刷量太多了,導致助焊劑來不及逃逸,噴濺到電容頂端,造成短路」。這位網友認為正常焊點的焊錫形狀應該要如同照片中這樣,在零件焊點與焊墊之間應該要形成一個像內凹的圓弧形狀,這樣子才是最完美的焊錫。而不良照片中,特別是最左邊電容的照片,我們可以看到這個焊點的形狀卻是往外凸出來的。這個就是錫膏印刷過多的跡象,錫膏如果印刷得太多,助焊劑在回焊時會被快速加熱,使得體積膨脹,而那些被大量錫膏包覆而來不及逃逸的助焊劑所產生的氣體,就會因為體積膨脹而發生爆錫噴濺的現象,這時就會順便把一些錫膏帶離原本焊墊的位置。因為零件兩端的焊點都已經有焊錫,多餘的焊錫在有限的焊墊上就會往上積累堆高。一旦發生噴錫,就有可能噴濺在本體上方,再加上回焊爐內的高溫,會讓飛濺出來的焊錫最終形成連接線短路現象!
》》工作熊個人觀點:整段敘述唸起來似乎感覺有點給它拗口!工作熊個人覺得在照片中最左邊電容端點的焊錫量的確是有點太多,但~這個真的是一般正常的錫膏印刷量嗎?為何其他2個電容的錫量正常,甚至有點偏少。很明顯的,最左邊這顆電容的焊錫量是異常的。這個我們可以等到後面做總結的時候再來說明。
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下一個網友提出來短路的可能原因是「吸嘴上面沾到了焊錫,然後沾污到下一個零件的頂部」。這位網友認為,刷錫如果印刷得太厚了,貼片的時候就有可能沾汙到吸嘴,然後污染到下一個料件的頂部。
》》工作熊個人觀點:工作熊個人覺得,如果這個吸嘴沾到焊錫的汙染假設是成立,那沾到的錫膏量應該會非常多,才可能造成這樣的短路現象。再說了,錫膏應該要印到多厚?才有機會被吸嘴沾到。工作熊不知道在大家的經驗裡,有沒有發生過吸嘴沾錫的現象?我個人以前是沒有碰到過啦!印象中,有一次經驗是SMT工程師在調適貼片程式的時候,吸嘴不小心碰到過,正常的貼片生產就從來沒有發生過。
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下一個網友提出來的可能原因是「吸嘴吐氣造成」。這位網友說明,可以在SMT機器取料時放慢速度觀察一下,看吸嘴是否有吸在零件的中心點上,如果沒有,在機器將零件貼放上PCB的時候,機台會讓吸嘴做出一個解真空的動作,這時候吸嘴會吐氣或噴氣,就有可能將錫膏噴濺到鄰近的零件上,然後產生短路,這也會造成焊墊上面錫量有減少的現象,過完回焊以後在周邊還會出現一些錫珠,可以在過爐子前用放大鏡稍微觀察一下。
》》工作熊個人觀點:關於這個論點,工作熊覺得是有可能發生的,尤其是可能發生在那些零件表面不夠平整或是平面過小的零件。可是,想要讓吸嘴的噴氣可以造成焊錫離開原來印刷的位置,那得要有多大的噴氣力量,而且就算有,錫膏應該也不至於會沾污到零件頂部才對,而且這大部分這樣的情況,應該也多只會在PCB的表面上形成錫珠。
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下一個網友提出來的可能原因是「會不會是電容如果裂開」,網友提出電容一旦裂開,遇到濕氣就會產生短路現象。
》》工作熊個人觀點:關於這一點,工作熊個人覺得應該是想多了,因為一般電容裂開以後的確會發生短路,但是要剛好裂開到電容的頂端並且形成一條直線,這個機率應該非常低吧!因為,電容裂開大部分都是沿著側面斜30度到60度角之間,工作熊還真沒見過電容裂開在頂部形成直線,然後還會有焊錫爬在電容頂面的現象,只能說這種機會真的是微乎其微。
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下一個網友提出來的可能原因是「電容貼片時翻轉造成」。這位網友說:有些電容的尺寸會比正常尺寸再短一點點,在貼片打件的時候會造成兩個端點沾錫不平均,過回焊爐時就可能發生翻轉,可以查看貼片後及過爐前的位置做分析來試試看。
》》工作熊個人觀點:這個問題工作熊以前有碰到過,的確在貼片的時候會有發生零件翻轉的現象,但是大部分地零件翻轉其實都發生在捲帶中,特別是在撕膠膜的時候產生靜電,靜電吸起零件而發生翻轉,在貼片後又發生翻轉的機率基本上應該很低,網友提出端短兩面沾錫不平均的現象,大部分情況應該是會發生零件立起的墓碑效應。而且就算真的有發生零件翻轉的現象,也不太會在零件的頂部形成條狀短路,因為焊錫本身有內聚力,在大多數的情況下,融熔的焊錫都會縮回到零件的端點,縮不回去的就會形成獨立的錫珠,而比較不會像照片中這樣形成條狀的短路,除非錫量非常多。
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網友提出來的最後一個可能原因是「爆錫短路」造成。
網友補充解釋這個可能原因有2個重點:
1. 錫膏保存如果不是很好,就會發生錫膏中的助焊劑與錫粉分離,或是發生助焊劑提早揮發的現象,造成錫膏乾涸的問題,這時候可能就會有人自作聰明憑感覺來額外添加助焊劑(事實上應該是溶劑)。而錫膏中的助焊劑一旦濃度太高,在過回焊時就會像熱油碰到水一樣噴濺出來(應該是水碰上熱油),帶出錫膏。(這個好像跟前面的第3個原因"錫膏變質"相似耶~不管了!網友另外還提到有第2個重點)
2. SMT在電容焊接的時候,在正常情況下,焊錫應該都會爬到電容的端點上。但是從照片上面觀察電容的焊墊,發現它的吃錫並不是很好,甚至有縮錫現象,當焊錫融熔時無法潤濕焊墊,焊錫就會擠壓到一塊形成一個大球狀,當溫度持續升高,球狀的焊錫將會發生爆錫的現象。
》》關於這一點,工作熊覺得,如果真的發生爆錫,一般都會呈現出噴濺狀態,但是不良照片中的現象看起來似乎不像(噴濺會有一個很重要的現象,就是越重或越大的噴射點會距離噴濺起始點越近)。而且爆錫的發生通常都是因為錫膏吸濕或者助焊劑中的溶劑被焊錫包覆,溫度升高時無法及時逃逸所造成,當回焊溫度升高超過水氣或助焊劑的沸點之後,就會快速膨脹其體積,然後造成爆錫。如果在端點的位置爆錫,通常會在其周圍形成擴散狀的錫珠,而不會只在電容的上方形成短路。照片中看來確實有錫珠發生,但零件上方的短路則不太可能是爆錫所造成,因為距離的緣故。
以上是網友們幫忙分析電容短路的可能原因,工作熊歸納出整理來的一些重點。
其實,我們大部分人在分析問題的時候,都很容易地不小心就陷入誤區:
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這有可能是當初問問題的人本身在看問題就不是很專業,描述問題的時候就帶著誤導的資訊。工作熊建議,我們在描述問題時候,要盡量地不要將個人的意見帶入,只需要描述碰到的問題是什麼,以及實際觀察到的資訊就好了。
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另外一個問題是容易以偏概全,看問題的時候常常都只會看自己想看的資訊,也就是說,只會看到自己關心的重點,而忽略了其他的跡證。直白一點,就是眼睛有業障。以這個案例來說,很多人第一眼就只看到電容零件正上方的短路,有些人可能還會看到有錫珠的問題,而且大多數人一定會直覺地認為這就是SMT製程所產生的問題。但這個問題真的只會發生在SMT製程嗎?SMT真的會產生這樣的問題嗎?
工作熊個人對此問題的看法:
下面是工作熊自己對這個問題的看法,工作熊必須要再次強調,工作熊的分析不一定是最正確的,而且苦主到目前為止也還沒有得出結論。
首先,我們應該要根據現有的資訊,全面地來檢查照片中的不良現象,而不是只把目光放在短路上面。
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從整體照片來觀察,會發現這3顆電容應該是分別坐落在不同位置的零件,因為從他們周圍導通孔的位置以及絲印來看都有差異。
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最左邊的電容零件本体上方有直條狀的焊錫短路,發生落在零件的兩個端點之間。焊錫短路的錫比較厚,有明顯的異常,而且有尖狀焊錫,零件周圍有很多的錫珠。鄰近的導通孔也有沾錫。零件兩端的焊錫有點過於飽滿,爬錫弧度不太自然,呈現往外凸出的形狀。焊墊並未完全潤濕,在焊墊邊緣及零件下方還有未沾錫的焊墊。
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中間這顆電容零件的本体上方也有條狀的焊錫短路,發生落在零件的兩個端點之間。但是焊錫短路的錫量明顯比較薄,有點長晶枝(dendrite)的感覺,但是看起來又不太像。零件周圍仍然可以發現錫珠,但是不明顯,而且不多。零件兩端的焊錫爬錫偏低,焊錫弧度應該是正常的,但是焊墊也沒有被完全潤濕,在零件的下方以及其周圍都有發現有未沾錫的焊墊。
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最右邊這顆電容零件的本體上方則沒有焊錫短路,但是在其垂直側面上卻有輕微的短路現象,也是發生在零件的兩個端間之間。零件周圍也有少許的錫珠,但數量非為少。也可以發現焊墊未被完全潤濕現象,焊墊邊緣及零件本體下方也可以發現有未沾錫的焊墊。
整体問題看下來,工作熊個人認為有兩個重點需要特別留意:
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焊墊的整體吃錫效果明顯不佳。因為在三顆電容的焊墊周圍及零件本體下方位置,都可以明顯看到沒有被完全潤濕的沉金,推測這批板子生產時應該有很多空焊或假焊的不良發生,先不論為何會發生空焊或假焊的問題,很明顯地這批板子中應該戶有一部分板子需要送維修。
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我們前面已經大致說過了,電容本體上方兩端的條狀焊錫短路,不太可能是SMT製程造成的,至少不會是第一次生產的時候所產生的,因為一般回焊的短路幾乎都是在零件底部或側邊,不太可能出現在零件上方或側面垂直面上。
推測可能的電容最有可能的短路原因:
所以,工作熊個人推測,這些電容最有可能短路的原因應該是手焊維修時甩錫所造成的,從最左邊的不良照片可以發現甩錫的跡證最為明顯,因為連鄰近的導通孔都沾到了焊錫,而且這麼厚又有尖點的焊錫不太像是經過高溫回焊後的現象,只有焊錫被從烙鐵頭甩出去後,開始冷卻並在完全凝固前沾附到零件的上方,才比較有機會形成這樣子的短路,這也可以說明為何附近有那麼多的錫珠。
而中間的不良照片則是比較輕微的沾錫,錫珠的數量也較少,表示甩錫沾汙並不嚴重,或沾錫後又被人為擦拭過。
最右邊不良圖片的垂直側面輕微短路現象,則有可能是維修時沾錫短路,然後又經過人為擦拭又沒擦得很乾淨的結果,所以才會有現象比較輕微的短路。
工作熊個人給苦主的建議:
所以,工作熊個人會建議苦主應該要查詢shop floor系統,檢查板子是否有經過維修,或詢問修理員這是否是經過維修的板子。
如果最後發現板子真的有經過維修,或確認不良是因為手焊甩錫造成,就要再往下追查真因。
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可以直接站生產線上面觀察修理員是如何拿烙鐵的,如果想找出是哪個修理員有問題,就要請修理員在修理品上做記號,用層別法來找到罪魁禍首。
- 建議要檢查鐵烙手是否有烙鐵認證。也就是想要拿烙鐵的人員必須經過一定程度的培訓,合格後才能拿烙鐵上產線。
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可以考慮使用遮罩板(mask template),將不需要維修的零件遮住,只露出需要維修的零件。但是這一點對這個案例來說應該是比較難,因為不良的位置應該是不固定的。
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要往前溯源SMT的製程,來降低焊錫的不良率,這樣才可以減少維修的機會,從源頭改善。
以上是工作熊個人的看法,再強調一次,工作熊的分析不一定是最正確的,也歡迎大家留言討論。
Youtube影片:片式電容零件頂部偶發焊錫短路問題討論
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于我心有戚戚。这种焊锡轨迹,太像甩锡了。而且焊点的形貌,不似回流焊形成。